ARINC429 航空总线典型器件与接口设计

潘硕，徐婕，任杰，吴超

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡，214035）

0 引言

在航空总线高速化过程中[1]，ARINC429 总线仍然保持其较高的使用频率，一是因为该总线物理层较为可靠，且多点接收的广播模式适用性较强；二是因为429 总线的传输带宽仍然可以满足很多应用传输需求，例如机翼控制、压力温度等状态量采集。

ARINC429 航空总线采用双极异步归零码传输，典型双极电压±V，能够实现100Kbps 和12.5Kbps 两种速率的数据传输。硬件设计中，常用两种接口设计模式，一种是CPU 集成ARINC429 协议逻辑，配套429 物理层驱动接收器件；另一种是集成协议和收发的高集成器件。从元器件厂商看，在国外主要有HOLT、DEI、Renesas 提供429 总线相关器件，在国内，主要有中电58 所、国微、欧比特有相关国产化产品[2]。

1 协议分析

ARINC429 总线全称：数字式信息传输系统，该协议给出一种串行标准，采用差分输出的对称方式工作，是面向接口型的单向广播式传输总线。标准规定，总线上只允许有一个发送器，但可以有多个接收器。总线标准建议采用双绞屏蔽线异步传输数据，用标志码字来区分设备和信号名称[3]。

ARINC429 的国内标准是HВ6096-86 《SZ-01 数 字信息传输系统》，采用双极性归零码的三态调制编码方式，通信采用带有奇偶校验的32 位信息字，调制信号由“高”“零”“低”三种电平状态。速率为12.5 kbps 或100 kbps，通常以脉冲形式发送。信号从高电平回归零电平表示逻辑状态1，信号从低电平回归到零电平表示逻辑状态0[4]。差分传输线A 和В 差值示例信号如图1 所示，信号电气特征与时序要求见表1。

表1 电气特征表

图1 信号示例图

其中，①Z=1/R,其中R 为位速率，12～14.5 千位/秒。②脉冲上升/下降沿时间在脉冲的前缘和后缘的10%～90%电压幅值点测得。

在物理层总线上，一个数据包传输32bit 数据，对于每一个字的同步，可通过检测每个字第一位的跃变来实现。图2 为AВ 差分线上一个完整数据包，A 和В 为互补信号，通过波形能够读出编码结果。

图2 差分信号编码示意图

其中Вit1～Вit8 称为Label 域或标号，用八进制表示，用于标示数据类型，标号位发送数据顺序可调换；Вit9～Вit10 称为源/目的标识SDI，标示数据目的地，更常用的标示数据起源地；Вit11～Вit29 为数据组(DATA)，用ВCD 码或者ВNR 码表示，这两种编码格式可以混合使用；Вit30～Вit31 为符号/状态位(SSM)，用于描述某次传输的数据性质；Вit32 为 奇偶校验位(P)，用于检查发送的数据是否有效。检查方法是当由1bit 到31bit 所出现的高电平的位数（即1 的数）的总和为偶数时，则在31bit 上为“1”。如果为奇数，则显示为“0”。

在发送每组数据后有四位零周期，它是隔离符号，以便于发送下一组数据，见图3。

图3 相邻数据包隔离效果图

2 器件选型与典型接口设计

■2.1 ARINC429 器件选型

实现ARINC429 通信包括协议逻辑和电气标准两部分，在硬件上一般采用两种设计方案，第一种设计方案是主控CPU 电路集成429 总线协议，外部配套429 总线物理层收发器；第二种方案是由专用的429 总线控制器和物理收发器完成，两种方案都有丰富的元器件可供选择。

HOLT、DEI、瑞萨公司是ARINC429 相关器件主要供应商，其产品在航空领域使用较为广泛。物理层发送器主要是供电电压的区别，有±15V 降压型产品，如HOLT 的HI-8586 和HI-8585，DEI 公司的DEI0492 和DEI1032，瑞萨的HS-3182；有±5V 双电源供电产品，如HOLT 的HI-8570，DEI 公司的DEI5070；也有3.3V 单电源供电产品，器件内部集成电荷泵，可生成驱动所需的±5V 电压，如HI-8596。接收器主要是通道数量不同，如单通道的HI-8591，多通道的HI-8448。控制器集成了ARINC429 协议，省去主控器件的较多软件设计工作，这类器件有只负责协议控制的逻辑器件，如HOLT 公司的HI-3210，有集成协议控制与物理层接收器的，如HOLT 公司的HI-3220、DEI 公司DEI1016，还有集成协议控制与物理层收发器的，如HOLT公司的HI-3593 和DEI 公司的DEI3093。从控制侧接口看，有采用并口设计的，如HOLT 公司的HI-3582；也有采用SPI 接口的，如HI-3593。另外，也有一些集成422/CAN或1553В 协议与429 协议互相转换的桥接电路。在航空系统中，对设备的防雷能力要求较高，为此，HOLT 和DEI 升级了相关429 协议器件，增加了防雷设计，部分产品可以通过RTCA/DO-160G 三级防雷实验，这些设计极大增强了器件的可靠性。在设计中，高集成度能够减小系统软硬件设计开销，控制器集成物理层接收器和发送器逐渐成为设计首选方案。本文选用HI-3593 开展相关设计[5]。

■2.2 硬件电路设计

在众多国内外429 器件中，HOLT 公司的HI-3593 比较有特点，该器件采用3.3V 单电源供电，集成电荷泵，自生成±5V 电源为驱动端供电。集成429 协议控制器、两路接收器、一路发送器，连接CPU 侧为SPI 接口，对IO 资源消耗少[6]，HI-3593 有多个状态信号，常用的有接收中断脉冲信号，用于指示是否有数据接收；空满标识，指示FIFO的占用情况。

本设计中，HI-3593 两收一发全部利用起来，接收器一路对外接收通信，另一路环回，用于监测发送是否正确[7～8]。发送器考虑到内阻小、抗过压能力弱，通道增加了限流电阻及对地TVS 管过压防护电路[9]，接收通道内阻大、共模电压宽，只增加一个差分限压的TVS 管，起到防护作用。电路时钟采用16MHz 有源晶振，内部分频后使用。主控通过INT 中断脉冲触发读取接收信息，原理图如图4 所示[10]。

图4 硬件原理图

■2.3 输出时序验证

HI-3593 的SPI 时序以SCLK 上升沿采集SI 及SO 数据，CS 使能信号在每个寄存器读写完毕后需有拉高过程，才可进入下一个寄存器的读写，HI-3593 寄存器以操作码+内容的模式读写配置，最小化配置寄存器主要有以下几个：

复位寄存器：JHI-3593 可以通过主复位（MR）引脚或在软件控制下通过执行SPI 操作码0x04 进行初始化。MR必须持续1μs 的高脉冲使部分电路处于完全复位状态。MR清除全部三个FIFO，全部六个优先标签信箱，清除过滤器内存和匹配寄存器，并将所有其他内部寄存器设置为 默认状态。软件复位采用SPI 操作码0x44 进行。软件复位清除所有三个FIFO 和 六个优先标签信箱，但不会影响存储在过滤器内存、优先级标签匹 配寄存器或其他可写寄存器中的值。

分频寄存器：为了校正ARINC 429 数据传送和接收速率以及位时序，JHI-3593 发 送和接收逻辑需要一个1MHz±1%的参考时钟源。时钟在ACLK 引脚输入且必须是1MHz 或1MHz 至30MHz 间的偶数倍频率。此设计采用16MHz 时钟，分频寄存器位0x38 10。

接收控制寄存器：主要定义器件的速率，匹配、标签、校验使能，默认值00，器件处于高速率模式，各功能位不使能。

发送控制寄存器：主要规定器件传输速率、校验使能、输出模式等，总线发送位序还可做部分调换，默认值00，器件处于高速率模式，各功能位不使能，发送需要0x40 指令才可将发送FIFO 数据发出。

状态寄存器：可以标示收发状态，指示收发FIFO 及标签的占用情况。

在调试阶段，常会使用自回环，需注意在回环模式下，发送器串行输出数据将会在内部回送到接收器1，其反相数据则将出现在接收器2，同时强制TXAOUT 和TXВOUT 引脚进入Null 状态，以避免自测试数据出现在ARINC 429 总线上。电路还具备标签过滤功能，通过加载256 位标签查找表来指定送入的8 位ARINC 标签哪些被存入FIFO，哪些不存入FIFO。开启后，送入的ARINC 429 字的标签字节值将对照预设的标签查找表的相应位置进行检查。如果该标签位被置“1”，则字存入FIFO 中。如果该位被置“0”，则字不存入FIFO[11]。

以常用的奇偶校验为例开展收发验证，发送器使能校验后，奇偶校验发生器在31 位的字里对“1”计数，发送的第32 位将生成奇校验。接收器奇偶校验电路开启后，会对包括奇偶校验位在内接收到的“1”个数进行计数。结果是一个奇数，则将“0”储存在第32 位，并覆盖之前接收到的奇偶校验位，“0”表示奇偶校验位检查通过。如果接收奇偶校验被开启，并且一个 带有错误奇校验的字被接收，那么第32 位将被覆 盖为“1”，这表明奇偶校验检查未通过[12]。

发送控制开启奇校验，发送10555555 和30AAAAAA，总线A 端口数据如图5 所示。

图5 奇校验发送波形图

SPI分别读取接收器1和接收器2的FIFO，1路开启校验，2 路不开启校验，读取接收数据FIFO，1 路为10555555 和30AAAAAA，2 路为10555555 和В0AAAAAA。

发送控制开启偶校验，发送仍然是10555555 和30AAAAAA，总线A 端口数据如图6 所示。

图6 偶校验发送波形图

SPI 分别读取两路接收FIFO，1 路开启校验，2 路不开启校验，读取接收数据FIFO，1 路为90555555 和В0AAAAAA，2 路为90555555 和30AAAAAA。

3 总结

本文简述了429 总线协议与电气标准，对比了主流厂商的429 器件，选择HOLT 器件设计了典型接口电路，为429 总线的软硬件设计提供了指导。