摘 要： ARINC429是目前最常用的一种航空通信总线，它具有简单有效，性能可靠等特性。利用ARINC429总线，飞控系统同各机载设备进行通信，但不同设备上并非都采用ARINC429接口，如卫星接收机采用RS 422总线，且飞控系统ARINC429接口有限。为解决这一问题，提出了基于STM32的航空通信总线切换器设计，方案选取了意法半导体的STM32微控制器，具有高度一体化，低功耗，处理速度快，方便调试与后续开发等优点。
关键词： 科技论文,ARINC429,RS 422总线,STM32微控制器,低功耗器件
Design of avionics communication bus switcher based on STM32
LI Yuan， DONG Min?zhou， ZHANG Rui， ZHANG Rui， LUO Yang
(School of Astronautics， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China)
Abstract： As a common avionics communication bus， ARINC429 has the characteristics of simpleness and high effectiveness and reliable performance. With ARINC429， the flight control system can communicate with other airborne equipments. A design of avionics bus switcher based on STM32 is presented because not all of the equipments have ARINC429 interfaces， for example， the satellite receiver uses RS422 bus， and flight control systems have a limited number of interfaces. In the scheme， STM32 MCU of STMicro is chosen， which has a high degree of integration， low?power consumption and high processing speed， and is easy to debug and develop.
Keywords： ARINC429; RS422 bus; STM32 MCU; low?power consumption device
0 引 言
ARINC429总线结构简单，抗干扰性强，性能稳定，最大的优势在于可靠性高，因而在民用和军用航空领域被广泛应用[1]。利用ARINC429数据总线，便于在系统和设备之间传送上千种不同类型的参数，如航向、真空速、马赫数等。飞机飞控系统通常采用ARINC429总线接口，但不同设备间并非都采用ARINC429总线接口，本文涉及的某型飞机的飞控系统采用两路ARINC429总线接口，卫星接收机采用RS 422接口，导航系统采用SDLC接口，动力系统采用RS 422接口，舵机系统采用ARINC429接口。为了实现机上不同设备间同飞控系统通信，本文设计了基于STM32的通信总线切换器。
1 总线切换器概述
考虑到飞控系统只有两路ARINC429接口，但外围通信设备却有4个，所以采用将卫星接收机和导航系统分为一组，动力系统和舵机系统分为一组，各组数据经主控制器处理后经过ARINC429协议芯片DEI1016和电平转换芯片BD429分别占用飞控ARINC429收发通道1和飞控ARINC429 收发通道2，因为飞控ARINC429收发通道同一时刻只能接收一路数据，所以利用模拟开关CD4052对每组中各路数据进行分时接收，通信总线切换器总体设计如图 1所示。
总线切换器的主要硬件组成为：控制器STM32F103ZET6，422协议芯片ADM2682EBRIZ，符合 ARINC429协议标准的串行收发芯片DEI1016，实现ARINC429电平和TTL电平转换功能的电平转换芯片BD429，双四选一的多路模拟选择开关CD4052。各主要集成电路介绍如下。
1.1 STM32主控制器
考虑到通信总线切换器对于通信速度和功耗的要求，本设计采用意法半导体公司的STM32F103ZET6作为主控制器。STM32F103ZET6的工作电压仅为3.3 V，最大工作电流不超过70 MA，该系列使用高性能的ARM? Cortex??M3内核，32位的精简指令集，工作频率为72 MHz，内置高速存储器，高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM，丰富的增强I/O 端口和联接到两条APB总线的外设[2]。这些丰富的外设资源和处理速度是本设计理想的控制器选择。
图1 通信总线切换器总体设计
1.2 ARINC429协议芯片DEI1016
DEI1016是Device Engineering 公司生产的可支持ARINC429航空总线协议的串行接收、发送器件，采用低压供电的 CMOS 工艺，具有两路接收和一路发送通道，支持 429，571，575，706 等航空通信规范[3]。该器件的主要功能有：串行字长为32或25位，两个独立的接收器可直接与ARINC429总线接口相连，具有串/并接收数据转换，和并/串发送数据转换功能，串行数据速率为100 Kb/s或12.5 Kb/s，可自动产生字与字之间的间隔，采用单一+5 V供电[4]。 2 硬件设计
2.1 RS 422收发电路
考虑到卫星接收机，导航系统和动力系统的抗干扰性和可靠性，RS 422总线不能采用一般设计中使用的MAX3490等RS 422协议芯片，应采用带有电气隔离功能的RS 422收发器，因此本设计采用ADI公司的ADM2682E，该芯片是具备±15 kV ESD 保护功能完全集成式5 kV rms信号和电源隔离数据收发器，适合多点传输线路上的高速通信应用，而且集成一个5 kV rms 隔离DC/DC电源，省去了外部DC/DC隔离模块[5]，原理图如图 2所示。
2.2 ARINC429收发单元
DEI1016外部工作时钟为1 mHz，至少200 μs低电平复位。具有两路接收和一路发送，要是电路正常工作，发送时需要电平转换芯片BD429配合，BD429是满足ARINC429规范的，双极数据输入驱动器。DEI1016为前级输出，BD429为差分输出，设计原理图时，BD429的周围要接两个75 pF的电容才能正常工作[6]，而且电容至关重要。ARINC429收发单元有3个基本单元组成，第一部分为有源晶振，第二部分为DEI1016收发单元，第三部分为BD429电平转换电路，其电路结构如图3所示。
2.3 模拟开关选择电路
CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20 V的数字信号可控制峰峰值至20 V的模拟信号。例如，若VDD=+5 V，VSS=0，VEE=-13.5 V，则0～5 V的数字信号可控制-13.5～4.5 V的模拟信号，这些开关电路在整个VDD～VSS和VDD～VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH输入端为“1”时，所有通道截止。 两位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出[7]。本设计中，因为一个CD4052只有两路需要选通，因此将控制端A，B连在一起，STM32主控制器给出1和0来分别选择哪路数据导通，电路图设计如图4所示。
图2 RS 422收发电路
2.4 复位电路
复位电路在系统上电时执行复位，同时也增加了按键复位，方便系统调试时进行手动复位，因为STM32是低电平复位[8]，所以本方案设计中的复位电路也是低电平复位的，这里采用了电阻和电容构成上电复位电路，当上电时，电容充电，电容相当于短路，RESET为低电平，一段时间后，电容充满电，RESET 变为高电平。当按下复位键RESET后，电容放电，RESET变为低电平，系统复位。原理图设计如图5所示。
2.5 下载及调试接口
JTAG是一种国际标准测试协议，它的基本原理是在器件内部定义一个TAP(测试访问接口)，通过专用的的JTAG测试工具对内部节点进行测试[9]。 JTAG编程是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程然后再装到板上，简化的流程为先固定到器件电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度 [10]。但JTAG编程需要专用的仿真器，本设计选用JLINK V8仿真器，一端用USB线与PC相连，另一端与JTAG相连。如图6所示。
图3 ARINC429收发单元
3 软件设计
通信总线切换器任务可分为几个部分，利用模块化编程方法进行编程。
流程如图7所示，具体介绍如下：
(1) 系统上电后先进行初始化，初始化IO口配置，将输出IO口默认为推挽式输出，输入IO口默认为输入下拉，开启外部中断，设置中端优先级，配置串口接收发送功能。
(2) 上电后默认将卫星接收机接入飞控ARINC429输入通道1，将动力系统接入飞控ARINC429输入通道2。
(3) 飞控通道1和2切换指令均为外部中断，如果发生通道1中断，导航系统接入飞控ARINC429通道1，如果发生通道2中断，舵机系统接入飞控ARINC429通道2。
图4 模拟开关选择电路
图5 复位电路
图6 下载及调试接口
图7 软件设计
(4) 各通道来的数据先经RS 422协议芯片后进入主控制器STM32处理，然后经过429收发芯片DEI1016做发送字处理，再经电平芯片BD429后送入各飞控429通道。
4 结 语
本方案采取32位高速单片机STM32作为主控制器，结合ARINC429协议芯片连接到飞控系统ARINC429总线，飞控系统给出选择信号后，通过模拟开关选则飞控需要的设备数据，很好地解决了只有两路ARINC429接口的飞控系统与各设备间的分时通信。主控制器STM32功耗低，存储能力强，处理速度快，调试调试简单，方便开发，便于后续维护和二次开发，同时PCB上所有元器件均采用贴片元件，大大减小了PCB板的面积和重量，不会增加飞行载荷。经实际测试，飞控系统能很好地同各机载设备进行分时通信，符合设计要求。
参考文献
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dpekgTccRhoqjMJC6jYere?F4BJOZazfLa5uLJuANjcZB8KNnfDg
VeYh?WTN4or2Hrw976z1?rjlMdwd1vvHjG4kp3K1q.
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