一、简介
ARINC 429作用民用/军用飞机以及航天器上电子系统之间交换数据常用的总线协议,其采用了点对点的传输形式,同一个发送方最多支持挂接100个接收方,传输速率为12.5kbps或者100kbps,分别称为低速或者高速。
二、物理线路
ARINC 429 采用双绞线作为物理传输介质,使用差分信号(差动传输)来增强抗干扰能力,在所有中断处以及连接器处均应接地。
ARINC 429电路图
双绞线传输不仅减少了电磁干扰 (EMI),也提高了数据传输的可靠性。差分电压信号的范围是+10V 到 -10V。
1. 差分电压:发送端会产生差分电压来表示逻辑状态。
+10V:逻辑“1”。
-10V:逻辑“0”。
当没有信号时,电压接近 0V,称为“空闲”状态。
ARINC 429的电压值
三、ARINC 429 Word
每一个ARINC 429 Word应包含32位:
32:Parity,奇偶校验位,一般采用奇校验;
31-30:SSM,信号状态矩阵,用来标识信号的有效性;
29-11:Data,数据位置,用来传输载荷数据;
10-9:SDI,源/目的标记位,用来标识信号的源目的位置;
8-1:Label,标识,用来标识信号。
32位的ARINC 429 Word
1.信号状态矩阵(SSM)
对于一般BNR编码数据,ARINC 429 Word的SSM定义如下
BNR的SSM定义
其中3代表数据有效。在实际使用过程中,根据不同的编码类型,SSM定义可能与上表存在很大不同,甚至会出现没有SSM以及用一位SSM的情况,需根据具体情况进行分析,此部分一般在接口控制文档(ICD)中有详细定义,便于通信双方/多方查阅。
2.源/目的标记位(SDI)
一般飞机上采用多个冗余设备提高安全性,这种情况下,会出现多个相同的设备,SDI就是用来标记这些设备的,之所以叫做源/目的标记位,即可以标记发送端想发给哪个设备,也可以标记接收方从哪个设备接收的。
SDI定义
在实际使用过程中,SDI定义可能与上表存在很大不同,甚至会出现没有SDI的情况,需根据具体情况进行分析。
3.Label
Label是一个8位二进制数,实际使用过程中,通常用八进制数进行标识,需要注意的是Label的排序与其他24位数据不同,采用小端(Small Endian)原则进行排序,所以涉及二进制数的逆序操作。
一般可以根据Label对设备进行标识,这部分内容在ARINC 429中有一些推荐值。
四、数据编码
1.BNR编码
BNR编码即是用二进制数表示数字。
BNR编码数据示例
2.BCD编码
BCD编码较为常见的是8421码,即以4位二进制数标识0到9数字,想要表示超过1位数,可采用多个BCD编码的数进行标识。
BCD编码数据示例
五、传输速率
ARINC 429 支持两种标准的数据传输速率:
1. 低速 (Lo-speed):
传输速率为 12.5 kbps。低速模式主要用于需要相对低速、可靠传输的子系统,如传感器或较慢的通信设备。
2. 高速 (Hi-speed):
传输速率为 100 kbps。高速模式适用于需要实时、高速数据传输的系统,如飞行控制、导航系统等。
这两种传输速率允许 ARINC 429 总线适应不同类型的通信需求。
六、数据传输机制
ARINC 429 是一个单向通信协议,即数据只能从一个发送器(发射器,Transmitter)传输到一个或多个接收器(接收器,Receiver)。每个发送器都拥有自己独立的总线线对。因此,在单独的发送器和接收器之间并不存在双向通信,这也是 ARINC 429 的局限性之一。
1.单发送器 - 多接收器:
ARINC 429 总线允许一个发送器通过一个总线与多个接收器通信。接收器将判断是否处理接收到的数据包,依据数据中的 SDI 字段或者其他标识字段。
2.循环发送:
发送器按照一定的时间间隔或按照优先级对数据进行循环发送。这意味着某些重要数据可能会更频繁地发送,而其他次要数据则可能会相对较少地发送。
七、数据处理与错误检测
ARINC 429 提供基本的错误检测机制,通过奇偶校验位来验证数据的完整性。如果奇偶校验错误被检测到,接收器会忽略这条数据。除此之外,ARINC 429 并不提供重传机制或纠错功能,主要依赖于冗余设计和周期性传输来确保数据可靠性。
此外,接收器也可以根据标签和 SSM 状态位来判断数据的有效性。例如,如果某个设备在执行自检程序时,SSM 会标识该数据为“测试数据”,而非正常的飞行数据。
八、时间控制与调度
ARINC 429 不具备明确的总线仲裁机制,每个发送设备都可以独立地发送数据,但由于其单向传输的特点,冲突的可能性被最小化。总线上的不同发送器通常以不同的频率发送各自的数据字。
1.数据字发送之间有一个间隔,通常为4-10毫秒,以避免信号冲突。
2.数据在总线上采用循环发送的方式,重要数据可能被更频繁地传输。
调度机制确保了在一个ARINC总线上,关键时间可以按期望的时间间隔发送。
九、应用场景
ARINC 429 是航空领域中最常用的数据总线协议,广泛应用于各类民用飞机和军用飞机上,尤其是在以下领域:
1.飞行控制系统:如飞行管理计算机(FMS)与姿态、航向基准系统(AHRS)之间的通信。
2.导航系统:如惯性导航系统 (INS)、全球定位系统 (GPS)、航向指示器和空速指示器之间的数据交换。
3.空中交通管理系统:如自动依赖监视广播 (ADS-B) 和飞机通信寻址与报告系统 (ACARS)。ARINC 429 的可靠性和易用性使得它成为航空电子设备之间通信的标准。即便如此,随着现代航空电子设备的不断进步,有些系统已经开始向更复杂、更高效的多路复用总线协议(如 ARINC 629 或 CAN 总线)迁移。
十、ARINC 429的局限性
尽管 ARINC 429 被广泛应用,但它也存在一些局限性:单向通信:ARINC 429 是单向总线,无法实现设备间的双向通信。因此,如果需要双向数据传输,通常需要两条独立的总线。低数据速率:虽然 ARINC 429 提供了 12.5 kbps 和 100 kbps 的传输速率,但与现代的通信总线相比,如 ARINC 629 或 AFDX(用于新一代飞机),其数据速率相对较低,难以满足高带宽需求。扩展性:ARINC 429 总线协议不支持动态扩展设备,所有设备和通信的配置通常在设计时就已固定。总之,ARINC 429 是一项成熟且广泛应用于航空领域的通信标准,尽管其局限性随着技术发展而显现,但它的高可靠性和简单性使其在关键飞行控制和通信系统中依然具有重要地位。
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