基于虚拟仪器的ARINC429总线信号仿真和测试方案
摘要： 随着ARINC 429总线在航空电子设备中的应用日益广泛，对总线信号的仿真测试需求也不断增加。本文结合虚拟仪器设计思想，使用市场技术成熟的429信号收发板卡，以LabWindows/CVI为软件开发平台，设计了一种实现429信号仿真发送和接收测试的方案。
关键词： ARINC 429总线;虚拟仪器;LabWindows/CVI;仿真测试
ARINC429总线是美国航空无线电公司(ARINC)制定的航空数字总线传输标准，定义了航空电子设备和系统之间相互通信的一种规范。随着国内航空业的发展，ARINC429总线的应用日益广泛，已推广到许多航空设备中。与此同时在许多航空机载设备的检测维修中出现了大量对429信号的检测需求。这就使得对429信号的仿真和测试显得十分关键。本文使用目前市场上技术成熟的基于PCI接口的429收发板卡，以LabWindows/CVI作为软件开发环境，设计实现了对429信号的仿真和测试，达到了使用个人电脑完成429信号检测任务的目的。
ARINC429总线简介
ARINC429协议规定使用双绞屏蔽线以串行方式传输数字数据信息，信息为单向传输，即总线上只允许有1个发送设备，可以有多个(≤20个)接收设备。总线的数据传输率为12.5～100kbps，传输字为32位。线路上的码型为双极性归零码。每条线上的信号电压范围为+5V到-5V之间。一条线称为A(或+)，而另一条线称为B(或-)。两条线路的差分信号的逻辑关系有三种：当A-B 的差分电压为7.25V～11V时，表示逻辑1，即HI;当A-B的差分电压为-0.5V～0.5V 时，表示NULL;当A-B的差分电压为-11V～-7.25V 时，表示逻辑0,即LO。具体编码方式如图1所示。
图1 ARINC429双极性归零编码方式图
按照规定ARINC429字的32个数据位分为5个基本区域，分别为Parity、SSM、DATA、SDI、LABEL,如图2所示。1～8位是标号位(LABEL)，标记出包括在这个传送字内的信息的类型。通过这些数据标号，接收设备可以很容易地判断出所接收到的字的用途。9~10位是源终端识别位(SDI)，它指示信息的来源或信息的终端。11~28或29位是数据位(Data Field)，是所确定的用于传输的信息。 29到30或31位为符号状态矩阵位(SSM)，表示数据的特性或字类型，也可表示发送设备的状态信息。32位为奇偶校验位(P)，实现简单的数据校验功能。
图2 429 信号32位字格式
基本设计思想
设计航空429总线信号的仿真和检测采用了虚拟仪器的设计思路。简单的说，虚拟仪器就是通用计算机加上软件和硬件。硬件用来解决信号的输入输出问题，软件用来实现对信号的处理、显示等功能。它利用计算机的强大支持，使用户可以很方便地对其维护、扩展和升级。与传统仪器相比，虚拟仪器具有很高的灵活性，可以通过编制软件来定义功能。目前在这一领域内，使用较为广泛的软件包括NI公司的LabVIEW 和LabWindows/CVI，HP公司的VEE等。
设计中，硬件方面使用基于PCI插槽的429信号收发板卡，将其插入通用电脑PCI插槽达到了测试的硬件要求，实现429信号的发送和接收;软件方面使用NI公司的LabWindows/CVI作为开发平台，主要用来完成发送前的数据准备、对接收数据的处理和显示等工作。
设计实现方法
硬件介绍
选用西安方元明公司代理的EXC_M4K429RTx模块板卡。该板卡的基本结构如图3所示。
图3 M4K429RTx板卡结构原理图
其主要性能参数包括：支持5～10通道，每个通道均支持接收发送自定义;信号传输率为12.5～100Kbps编程可调;4K×8双端口RAM作为数据收发缓存;支持奇偶校验和可编程输出硬件触发，中断和选择模式;发送通道支持单个发送，单次发送和循环发送三种发送模式;接收通道支持查询接收，单通道连续接收和多通道连续接收三种模式;发送字间隔编程可调;支持添加时间标签;有纠错功能。
软件支持：提供windows下运行的C驱动;支持VC、LabVIEW、Delphi、LabWindows/CVI等软件进行开发。
软件设计
软件设计主要包括两方面的工作，一是设计实现29信号的发送，即信号的仿真;另一个是实现接收429信号并以合适的方式处理，包括如何显示等，即信号的检测。
·发送部分
发送部分设计流程如图4所示，设计的工作界面参见图5。
图4 发送数据流程图
图5 发送界面
首先，输入设备号、模块号和选择发送通道，通过调用板卡函数Init_Module_RTx对板卡初始化，获得对板卡进行操作的句柄，点击“打开板卡”按钮可以完成这一步工作。然后调用板卡的属性设置函数Setup_Transmit_Channel_RTx设置发送通道的发送属性，包括发送方式，发送数据速率，发送时间间隔和奇偶校验，通过面板控件获得这些属性值，如发送方式可选择单次，单个和循环发送三种发送模式。发送速率12.5～100Kbps可选。
实现设计的关键是如何得到标准格式的32位429码，并按照板卡硬件规定的格式将其放入发送寄存器中。如图5在发送数据区中对应输入所要发送的数据信息。由于429 信号数据位码的填充方式根据数据类型的不同分为两种，一种是按照BCD码填充，一种是按照BNR码填充，因此编写软件时，首先需要判断label类型，确定数据的填充方式，然后将它们合并成符合其数据类型的32位429码信息，再按照图6所示的发送格式，将其分为高16位和低16位两组码分别放入发送寄存器的高位和低位中，才能被正确发送出去。
图6 发送寄存器中的码格式
下面给出了以BNR方式填充数据区的部分代码。主要采用位操作完成了32位码的生成和拆分。
int generat32 (int tr_data,int lab,int ssm, int sdi)//生成32位码
{
int data,i,j=0;
tr_data =tr_data<<10;
ssm =ssm<<29;
sdi =sdi<<8;
data =tr_data|lab|ssm|sdi;
return data32;
}
Lo=(data32&0x 00ffff00)>>8; //生成低16位码
for(i=0;i<8;i++) //颠倒lable位
{
real_lab=(lab>>i)%2;
temp_lab=temp_lab|(real_lab<<(7-i));
real_lab=0;
}
Hi=((data32& 0xff00000 0)>>24)|(temp_lab<<8); //生成高16位码
调试证明，通过以上的数据准备工作，就可以发出符合规范的429码。
·接收部分
接收部分的前端设计与发送部分相同，图7是设计的接收界面。开始也要进行板卡初始化和设置接收属性，调用Setup_Receive_Channel_RTx函数设置完成。
图7 接收界面
当开始接收数据时，接收寄存器会得到高16位和低16位两组码(数据格式与发送部分完全相同，可参见图6，同时在板卡的标准模式下，还会得到用两个16位码表示的时间标号以及1个16位码的板卡状态返回值。要正确识别各段码的信息。关键是对于数据位的处理。要根据数据不同的填充方式编写不同的代码。仍然以BNR码填充为例，给出读取32位码各段信息的代码。按照同样的思路，可以得到以BCD码填充数据区的识别程序和对时间标号的识别。
data=((hi&0x0000001f)<<14)|(lo>>2); //合并两端数据代码，读取数据
lab=(hi&0xff00)>>8; //读取label
for(i=0;i<8;i++) l
{real_lab=(lab>>i)%2;
temp_lab=temp_lab|(real_lab<<(7-i));
real_lab=0;}
lab=temp_lab;
ssm=(hi&0x00000060)>>5; //读取ssm
sdi=lo&0x00000003; //读取sdi
由以上程序可以读出429码的各段码信息，对于这些信息，CVI编程支持的显示方式包括表格循环显示、表盘显示等。
·触发和中断的处理
对于信号发送和接收中存在的触发和中断的问题，板卡本身支持硬件触发和中断。同时还可以利用CVI提供的Timer控件实现，通过面板控件可以设置Timer的时间间隔来控制触发时间，通过设置Timer的关闭，来实现中断。
结语
本设计采用虚拟仪器设计思想，在针对某型飞机研发的自动检测系统中很好地完成了对各类429总线信号的仿真和检测任务。另外，使用这种方法还可以根据需要选择多个通道同时工作，并发挥虚拟仪器灵活的特点对429信号进行多种处理和显示。
参考文献：
1. 张毅，周绍磊等，虚拟仪器技术分析与设计[M]，机械工业出版社，2004
2. 429RTx&Discrete Software Tools Programmer’s Reference[M].Excalibur System Inc..2003
3. M4K429RTx User’s Manual[M].Excalibur System Inc..2006
4. 王建新，杨世凤等，LabWindows/CVI测试技术及工程应用[M]，化学工业出版社，2006