（电力电子与电力传动专业论文）基于pci接口的arinc629数据通信卡的开发.pdf

a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ew e l la p p l i c a t i o no fan e wt y p eo fa v i a t i o nd a t ab u ss t a n d a r d n a m e da r i n c 6 2 9i nt h eb o e i n g7 7 7 t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fa r i n c 6 2 9 s y s t e mw h i c hi sc o m p l i e d 、；l ，i t l la r i n c 6 2 9s p e c i f i c a t i o nw i l lb et h ef u t u r et r e n do f a v i a t i o ni n d u s t r y i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho fa r n c 6 2 9c o m m u n i c a t i o nc a r di s d i s c u s s e dw h i c hi su s e di nt h et e s t & d i a g n o s i sp l a t f o r mf o rt h ea v i a t i o ne l e c t r o n i c e q u i p m e n tw i t ha r i n c 6 2 9i n t e r f a c ei n i ti st h ep l a nf o rt e s t i n ga n ds t u d y i n gt h e a v i o n i cd e v i c eb ym e a n so f p ci nt h ef u t u r e a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gm e c h a n i s ma b o u t t h ea r i n c 6 2 9d a t ab a s e do nt h ea r i n c 6 2 9p r o t o c 0 1 w i t ht h ec o m p u t e ri n t e r f a c e t e c h n o l o g y , i tg i v e st h ew h o l ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o nc a r dw h i c hi sd i v i e di n t o t h r e em o d u l e s ，s u c ha st h ep c ib u si n t e r f a c em o d u l e ，t h es u b s y t e mp r o c e s s e ra n d m e m o r ym o d u l ea n dt h ea r i n c 6 2 9b u si n t e r f a c em o d u l e d u r i n gt h ei n t r o d u c i n go f t h ea r i n c 6 2 9b u si n t e r f a c em o d u l e ，t h ep a p e rd e t a i l s t h ec o n n e c t i o no f t h ep r o t o c o lc h i p sa n dt h er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gp r o c e s so f t h e a r i n c 6 2 9d a t a b e c a u s et h e r ei sm u c hl e s sr e f e r a n c ea b o u tt h ep r o t o c o lc h i p s ，i ta l s o e x p l a i n st h ep i n sa n dt h ei n t e r n a lr e g i s t e r so ft h ec h i p s i nt h es u b s y s t e mp r o c e s s o r a n dm e m o r ym o d u l e ，t h el o g i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h i p sa n dt h ea d d r e s s i n g a s s i g n m e n ta b o u tt h em e m o r yc h i p sa r ec l a r i f i e d t h ep c ib u si n t e r f a c em o d u l e d e t a i l st h eu s i n go ft h ep c i 9 0 5 2t oa d d r e s st h ee x t e r n a lm e m o r ya n dd e s i g n st h ep c i d r i v e rp r o g r a mu n d e rt h ew i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e mw i t ht h ed r i v e rp r o g r a m d e v e l o p m e n tt o o ld r i v e r s t u d i o f i n a l l y , t h et h e s i sw o r ki sc o n c l u d e da n ds o m es u g g e s t i o n sa r ea d v i s e df o rf u t u r e s t u d y k e y w o r d ：a r i n c 6 2 9b u s ，p c ib u s ，p r o t o c o ll o g i c ，d r i v e rp r o g r a m i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文背景介绍 第一章绪论 在上世纪七十年代中期，随着数字式航空电子技术的迅速发展，为了满足民 用飞机对高效率信息传输的要求，美国航空无线电公司( a r i n c ) 推出了 a r i n c 4 2 9 数据总线标准。a r i n c 4 2 9 系统采用的传输介质为屏蔽的双绞电缆， 传输的速率有两个，低速为1 2 1 4 5 k b s ，高速为1 0 0 k b s 。低速用于一般的低速 电子设备，而高速用于传输大容量的数据或飞行关键信息。a r l n c 4 2 9 是目前民 用飞机如b 7 3 7 ，b 7 5 7 ，b 7 6 7 ，a 3 2 0 等广泛使用的一种总线，它用于民用飞机 有一定的优点。例如它比较简单，无须象1 5 5 3 b 总线那样有总线控制器，适用 于仅作广播传输的传感器，且成本较低，也不会将一个分系统的错误传到另一个 分系统。随着a r i n c 4 2 9 总线在民用飞机上的广泛应用，其固有的缺陷也逐渐 暴露出来，特别是在机载航空电子设备激增的情况下，a r i n c 4 2 9 的单一发射机 多重接收机的设计方案远远不能满足飞机各系统之间大量数据传输的需要，今 后民用飞机的发展需要一种多发送机数据传输总线。 在a r i n c 6 2 9 总线推出之前，多发送机数据总线主要是美国的军用标准m i l s t d 一1 5 5 3 。它是由美国汽车工程师协会( s a e ) 于1 9 7 3 年制定的用电缆作 通信介质的军用机载数据总线标准。在7 0 年代初开始用于有人驾驶飞机如b 1 ， f 1 5 中，两年后推出了它的第一次修订版m i l s t d 一1 5 5 3 a 。考虑到军用和民 用的兼容性，s a e 于1 9 7 8 年又推出了第二次修订版m i 卜s t d 一1 5 5 3 b 。由于 1 5 5 3 b 总线具有运行的可检测性，高的综合性能和较高的可靠性等优势，成为了 一种国际性的航空航天总线标准。但是，在民用飞机上却不合适采用，这并非是 1 5 5 3 b 总线技术不适用于民用飞机的要求，而是由于技术难度、确保安全和价格 等因素使它不适用于民用飞机。因此波音公司从1 9 7 7 年开始，经过近十年的研 究，为民用飞机开发了一种新型总线d a t a c ，其含义为“数字式自主终端存取 通信”，并于1 9 8 6 年联合a r i n c 公司为其新一代民用客机b 7 7 7 上使用的d a t a c 规范建立数据总线标准，这就是a r i n c 6 2 9 。 a r i n c 6 2 9 总线系统体现了民用飞机多发送机数据总线设计时的特性要求。 首先，a r i n c 6 2 9 的存取协议逻辑确保连接在总线上的每个终端的传送信息依次 地进入总线，而不使用如1 5 5 3 b 那样的中央数据总线控制器。接收存取是连续 的，终端只给总线提供物理连接。这使得与总线相接的通道接口的收发终端将 整体总线端与局部用户端隔离开来，在与总线相接的l r u 内的故障不会传输到 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 总线中去，从而该故障也就不会进入其他总线用户。每个终端基本上是自主式的， 独立于其他总线用户，这也是a r i n c 6 2 9 与1 5 5 3 b 相比最大的优势。其次，系 统具有以某一规定的最小更新率更新数据的能力。这一点对诸如飞机的飞行控制 系统来说是至关重要的。a r i n c 6 2 9 存取协议逻辑以周期模式工作，这样就确保 周期地传送和接收数据。它还被设计成能以非周期模式工作，这样在万一出现暂 时的或持续的总线过载情况下，也能确保依次地接入与总线相接的每一个终端。 再次，a r i n c 6 2 9 的标识符表及其给连接在总线上的每个终端传送一个独特标号 使得系统易于将来的更新、改装或增加设备，并在需要使用时，每个发送的数据 都能随时进入其他每个接收机。最后，a r i n c 6 2 9 所采用的是一个并行1 6 位字 读出与写入表。从发射源到接收机，数据总线可以被看作是转储系统的一个存储 器。数据从源存储器中某一存储单元取出，并在适当时间通过总线传输，然后送 入用户存储器中的某一指定的存储单元。这使得系统能够利用一个既可适应复杂 系统，又可适应简单系统这样两种特殊需要的灵活的用户系统接口来支持内部系 统间的通信。本论文所要设计的数据通信卡正是基于a r i n c 6 2 9 总线的这一特 点，通过a r i n c 6 2 9 总线与计算机p c i 总线之间的通信，实现计算机对机载电 子设备的访问。 目前国外对于删c 6 2 9 总线数据通信装置的开发主要限于几家航空电子 公司，比如c & ht e c h n o l o g i e s 公司、c o r e l i s 公司、m a xt e c h n o l o g i e s 公司等。这 些公司的a r l n c 6 2 9 总线测试板卡主要借助于计算机总线技术实现数据在 a r i n c 6 2 9 总线与计算机总线间的传输，根据计算机总线的不同，可分为i s a 、 p c i 和v x i 等型号。这些测试卡配合其公司自行研制的驱动程序和测试软件，可 以解决a r i n c 6 2 9 总线设备测试的需求。而目前国内对a r i n c 6 2 9 总线通信技 术的研究很少，还没有自己设计的关于a r i n c 6 2 9 总线的产品和测试系统，因 此自主开发a r i n c 6 2 9 数据通信装置还是具有相当的难度。 1 2 论文研究意义 虽然国内对于a r i n c 6 2 9 总线技术的研究还没有大规模开展，但是 a r i n c 6 2 9 总线技术在民用航空领域却逐渐成为了未来发展的方向。美国b 7 7 7 飞机于1 9 9 5 年实现首飞，在这近十年时间里所表现出的良好品质，使得 a r i n c 6 2 9 总线规范大受欢迎，法国空中客车公司也积极应用了此项技术。随着 一种新型数字总线标准的成熟应用，开发设计遵循该标准的机载电子设备将成为 未来航空工业的发展趋势，而研究和开发a r i n c 6 2 9 总线技术就显得尤为迫切。 本论文研究的内容正是针对具有a r n c 6 2 9 总线接口的机载电子设备维修这一 需求而开展的。本论文所开发的a r i n c 6 2 9 数据通信卡可以实现计算机与具有 2 题北工业大学硕士学位论文第一章绪论 a r 玳c 6 2 9 总线接口的机载电子设备间的通信，进而实现对机载电子设备的地面 检测。通过a r i n c 6 2 9 总线发送和接收数据，并对测试所得数据进行分析，从 而确定机载电子设备的工作状态和故障类型，这样就便于对设备进行相关处理。 b 7 7 7 飞机在实现各个航空电子系统的信息共享和功能综合中，很多系统都应用 a r i n c 6 2 9 总线来实现系统间的数据通信。在进行机载电子设备的检测、维护过 程中，通过数据总线来实现机载电子设备工作状态、故障信息等相关数据的传送 是一种简洁而有效的办法。因此，研究用于机载电子设备测试的a r i n c 6 2 9 数 据通信装置是有着重要意义的。 1 3 论文的主要工作 本文所研究的题目是基于p c i 接口的a r i n c 6 2 9 数据通信卡的开发，从题 目上就可以将论文的主要工作分为两部分，即计算机p c i 总线接口部分和 a r 玳c 6 2 9 总线接口部分。具体工作可概括如下： 首先，结合教研室对a r i n c 6 2 9 总线技术已有的研究成果，进一步对 a r i n c 6 2 9 协议规范进行研究。在掌握a r l n c 6 2 9 系统结构的基础上，明确 a r i n c 6 2 9 总线数据接收和发送机制，为数据通信卡的设计提供依据。 其次，对数据通信卡的a r i n c 6 2 9 总线接口部分进行设计，这一部分包括 a r i n c 6 2 9 终端接收单元，终端协议单元和终端发送单元。这一部分是直接与 a r i n c 6 2 9 总线相关的，它的信号流程必须完全遵守a r l n c 6 2 9 总线标准。 再次，完成a r i n c 6 2 9 总线接口与计算机p c i 总线接口的连接，这里采用 双口r a m 来完成两种总线间的通信。 最后就是关于数据通信卡驱动程序和应用软件的开发。 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 第二章数据通信卡的理论基础 设计基于p c i 接口的a r i n c 6 2 9 数据通信卡必须遵循两种总线规范，即 a r i n c 6 2 9 总线规范和p c i 协议，因此掌握a r l n c 6 2 9 总线规范和p c i 总线协 议是本论文的基础。 2 1a r i n 0 6 2 9 总线规范 2 1 1a r i n c 6 2 9 系统的组成及工作原理 a r i n c 6 2 9 总线协议定义了一个数字通信系统。在该系统内，航空电子控制 系统的外场可更换部件( l r u ) 或其子系统可以按此标准通信协议通过双绞线或 光缆完成数据的发送和接收。在总线上连接的每个子系统都是通过其内部的终端 耦合到全局总线上的，这说明每个终端都具有完成系统接口的能力，这样可使必 需的连接器数量达到最小。系统的构成元件及硬件连接如图2 - 1 和图2 2 所示： 电渍 蓬接 图2 1a r i n c 6 2 9 数字通信系统的主要构成元件 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础 图2 2a r i n c 6 2 9 数字通信系统硬件连接 一 从图中可以看出，每个l r u 中都包括终端控制器、串行接口模块和相关硬 件。连接于总线上的所有终端都可以向总线发送或接收数据，并且不需要使用如 1 5 5 3 b 总线那样的总线控制器。总线访问的控制权被分配给了各个参与数据传输 的终端，各终端在自主决定传输顺序的同时能保证连接在总线上的所有终端都有 定时访问总线的机会，并且能够防止在别的终端未获取访问权之前重复访问某一 个终端。 a r i n c 6 2 9 协议允许总线进行周期性或是非周期性数据传输。周期数据是指 按一定规则传输的数据，此时的数据传输速率是指一个总线循环周期或是几个总 线循环周期，周期数据的一个例子就是惯性传感器的姿态数据。非周期数据是指 偶然传输的数据，这种数据没有固定的传输率或者它的传输率超过了总线循环时 间，非周期数据的一个例子就是飞机检测的数据，它是在数秒内才传输一次；还 有就是初始化数据，它是一次飞行才传输一次。a r i n c 6 2 9 在定义数据传输方式 时具有一定的灵活性，从而使周期和非周期数据能够在航空电子控制系统的各个 不同层级间进行传输。这些灵活的数据传输操作都是基于两种规范：基本协议规 范b p ( b a s i cp r o t o c 0 1 ) 和混合协议规范c p ( c o m b i n e dp r o t o c 0 1 ) 。 ( 1 ) b p 规范介绍 在b p 规范中，每个终端以相等的优先级及存取机会进行周期或非周期数据 传输。在通常情况下，如果总线没有出现过载并且数据长度固定，终端就以固定 间隔进行传输，这就是周期传输模式。在这种模式下，终端必须遵守上电初始化 时所设定的时间间隔。但是，如果总线出现过载，它就会自动转换为非周期模式， 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 并且不会丢失任何数据，总线在设计时可以通过选择一个合适的循环时间( 小于 传输最大数据帧所需时间) 来预先准备好处理此种情况的出现。即使在出现过载 的情况时，各终端也享有均等的总线优先权。 ( 2 ) c p 规范介绍 c p 规范是b p 规范的改进，它提供了周期数据传输的访问优先级( 优先级1 ) 以及非周期数据传输的较低的两个优先级( 优先级2 和优先级3 ) 。在每一个优 先级上，所有的终端均享有同等访问总线的机会，其控制机理与b p 规范相同。 在需要时，c p 规范允许重要优先级上的非周期数据进行传输而不会影响正常周 期数据传输的频率。终端所传输的周期数据都连在一块，剩余的总线有效时间就 进行非周期数据传输。优先级2 上的消息要比优先级3 上的消息先得到传输机会。 非周期消息必须按块进行传输，其长度必须小于b p 规范非周期模式下所允许的 最大长度，这可以保证周期传输间隔能完全容纳非周期数据。与b p 规范不同， c p 协议根据有效的总线时间对非周期数据进行了限制，从而不会影响正常的周 期数据传输频率。 b p 和c p 是两种不兼容的总线数据访问规范。因此，所有连接在同一总线 上的子系统必须选择相同的规范，即要么b p ，要么c p 。其实在选择所用规范时 可以通过设置终端的子系统来实现。不过，由于c p 还处于研究开发阶段，而 b p 从技术上来说已经成熟，并通过了一系列的实验室试验及飞行试验，因此， 本文只针对b p 规范进行研究。 ( 3 ) 数据传输方式及种类 采用双绞线作为传输介质时总线上发送和接收数据的速率是2 m b p s ，此速率 是受到了传输介质和电流互感器技术的限制。所以说，a r i n c 6 2 9 协议本身对数 据传输速率并没有限制，实际的限制是源于所选介质的传输延迟。 a r i n c 6 2 9 总线具有两种数据传输方式，即所谓的广播方式与直接方式。 广播方式指的是由单一的源发出消息，而接收该消息的可以是多个终端：直接方 式指的是点到点的传输，有明确的发送终端及接收终端，完整的消息由命令、源 地址及目的地址、消息特征及数据组成。 在所传输的数据的种类上，a r l n c 6 2 9 协议将数据分为简单字串及批数据两 种，而后者又有块( b l o c k ) 及文件( f i l e ) 之分。 ( 4 ) 出错管理 a r i n c 6 2 9 协议定义了两种错误。一种是终端到终端的错误，指的是从编码、 发送，经总线传输，到接收并解码这个过程中所带来的错误。此时数据尚未送到 目的终端的存储器中，主要检查的是字的同步曼彻斯特编码以及奇偶位，所以实 质上是对字的有效性进行检查。另一种错误是分系统到分系统的错误，实际上就 6 西北工业大学硕士学位论文 第二二章数据通信卡的理论基础 是对消息的有效性作检查，并由状态字来表征消息的有效性。除此之外，6 2 9 总 线还采用了检查和循环冗余码c r c 来作为对文件传输的附加出错检测措施。 2 1 2 从l n c 6 2 9 结构体系 a r l n c 6 2 9 总线规范定义的通信体系结构是以i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n s t a n d a r d i z a t i o n ) 7 4 9 8 - - o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 规范参考模型为基 础的。国际标准化组织( i s o ) 公布的开放系统互联参考模型( o s i r m ) 为开放 互联系统提供了一种功能结构的框架，也是开发各种网络协议标准的基础。该参 考模型以分层结构化技术为基础。所构造的系统可以从逻辑上看成是一些连续层 次的组合，每一层都包裹住下面的层次，并把它们和上面的层次隔离起来，每一 层功能都是在其下层的基础上实现的，是下层功能的增强和提高。如图2 3 左边 所示，物理层处于这个层次序列的底层，应用层则处于最高层。 c s m a c a ( 较高层) 元件分层结构 图2 - 3a r i n c 6 2 9 终端分层结构示意图 o s i r m 的每个层次是由一些实体组成，实体是硬件和软件元素的抽象，每 个实体都属于一个开放系统。处于同一层的实体叫对等实体，一个层次由多个实 体组成，每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务，而最高 层提供能运行分布式应用程序的服务。o s i r m 把网络体系结构分为七层，自上 而下为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。 a r i n g 6 2 9 协议规范主要实现o s i 对应的物理层信号指令、数据链路层的功 能。为了使数据传输独立于所采用的物理介质和介质访问控制方式，a r i n c 6 2 9 协议又把数据链层分为两个子层，即逻辑链路控制子层( l l c ) 和介质访问控制 子层( m a c ) 。a r i n c 6 2 9 总线分层结构如图2 - 3 右边部分所示。这里的子系统 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 一般为单片机、d s p 、微机系统或简单的a d 转换等。 2 1 3 a r i n c 6 2 9 物理层规范 ( 1 ) 物理层概述 物理层由物理层信号传输( p h y s i c a ll a y e rs i g n a l i n g ) 、物理层实体( p h y s i c a l l a y e re n t i t y ) 及相关传输介质( a s s o c i a t e dm e d i u m ) 组成。它构成了连接在网络 上的终端与介质访问控制层( m a c ) 的通信通道。 ( 2 ) 物理层信号传输 为了使所有a r i n c 6 2 9 终端控制器设备都能与任意物理层实体( p l e ) 进行 连接，就必须采用统一的终端控制器( t c ) 与串行接口模块( s i m ) 的接口。以 下就是对此接口的介绍，这部分描述了终端控制器与串行接口模块间通信时消息 的格式以及编码。 1 ) 总线空闲指示 m a c 层的总线访问协议( b p 、c p ) 就是依靠物理层的总线空闲指示来进行 操作的。有数据在总线上称为总线忙b u sa c t i v e ( b a ) ，没有数据在总线上称为 总线空闲b u sq u i e t ( b q ) 。总线空闲定义如下： a 总线空闲状态 无论是逻辑总线空闲还是物理总线空闲都表示总线空闲。 b 逻辑总线空闲( l b q ) 它是在终端控制器接收完数据时产生的总线空闲信号，此信号一直保持有效 直至r x c k 时钟从奇偶校验位开始完成6 个时钟上跳沿。 c 物理总线空闲( p b q ) 它是由s i m 模块通过设置s 1 m 终端控制器接口信号r x i 和r x n 都为低来 指示终端控制器此时总线空闲。 物理总线空闲是用来确认逻辑总线空闲的。它必须在逻辑总线空闲前出现， 这样才能正确指示总线空闲状态，如图2 - 4 所示。 o 竺坚! | 一厂l 一 。r x 。n 。五磷蕊罩筹箝面 。i 。, i q 。，十i 一骶二：玉： c w m m w _ 二二二= n 。器。， 一 图2 - 4 总线空闲状态时序图 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础 2 ) 信号调制 从终端控制器到串行接口模块以及从串行接口模块到终端控制器的消息必 须按一定的数字脉冲编码方式通过与r r l 电平兼容的导线t x o t x n 和 i u ( 删进行通信。a r i n c 6 2 9 总线采用的数据编码为曼彻斯特i i 型编码。它 的调制波形是两态的，即高电平和低电平。逻辑“1 ”由每一位的前t 2 ( t = l 位时间) 的高电平变为后t 2 的低电平表示。逻辑“0 ”由每一位的前t 1 2 的低 电平变为后1 2 的高电平表示，如图2 - 5 所示。在这种编码方式中，逻辑跳变均 发生在位的中央，它既是数字信号的标志，也是时钟信号的标志。 同步脉冲 蔓彻斯特码波形 i i 百百万可t 一 广 一i l 一厂t 门厂 厂 几。，1 一 前t 2 后t 2前t 2 后t 2 一- 入t r 同步时钟臆冲 图2 - 5 曼彻斯特码波形及数据表示方式 3 ) 消息同步 经过介质访问子层( m a c ) 的消息传输及位的编码由物理层执行。要传输 的消息的第一位必须有一消息同步格式码( 它是无效的曼彻斯特i i 波形) ，该编 码由p2 s s p ( p r c p r cs y n cs y n c 脉冲) 及其后的p s s p ( p r es y n cs y n c 脉冲) 组 成。完整的同步波形必须持续4 3 7 n s 到7 5 0 n s 。p 2 s s p 为持续2 3 9 n s 到5 0 0 n s 的 逻辑1 。p s s p 为持续2 3 4 n s 到5 1 0 n s 的逻辑“0 ”。而t x o ，r x n 上p s s p 通常 持续时间为一固定长度2 5 0 n s 。 4 ) 字串格式 m a c 层的消息由字串组成，一个消息包含1 到3 1 个字串，每一个字串由1 个标号字和后面紧跟的0 到2 5 6 个数据字组成。物理层必须保证在一个字串中连 续的编码字的各个位问没有间隔。a r i n c 6 2 9 协议消息格式如图2 - 6 所示。 图2 - 6a r i n c 6 2 9 协议消息格式 毋匣 西北工业人学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 a 标号字格式 一个标号字长2 0 位，由持续3 位的标号字同步格式码( w b l 9 w b l 7 ) ， 1 6 位的信息位( w b l 6 w b l ) 以及一位奇偶校验位( w b 0 ) 组成。 标号字的同步格式码是一无效的曼彻斯特i i 波形。同步码波形宽度为3 位。 其中前一位半为逻辑1 ，后一位半为逻辑“0 ”。注意，在曼彻斯特编码中，如 果同步码的波形后紧接着的一位为逻辑“0 ”，则同步码波形后半部分具有两位的 宽度。 b 数据字格式 一个数据字长2 0 位，由持续3 位的标号字同步格式码( w b l 9 w b l 7 ) ， 1 6 位的信息位( w b l 6 w b l ) 以及一位奇偶校验位( w b 0 ) 组成。 数据字的同步格式码也是一无效的曼彻斯特i i 波形。同步码波形宽度也为3 位。与标号字同步码不同的是，前一位半为逻辑“0 ”，后一位半为逻辑“1 ”。注 意，如果同步码的波形后紧接着的一位为逻辑“1 ”，则同步码波形宽度增至4 位；如果同步码波形前或后一位为逻辑“l ”，则同步码波形宽度增至3 位半。 c 错误检测奇偶校验位 在每一个标号字和数据字的最后一位为奇偶校验位。奇偶性的计算是针对所 有位( w b l 9 w b 0 ) 进行的，并且为奇校验。字的同步码作为一位扩展的数据 位，在标号字中看作逻辑“1 ”，而在数据字中看作逻辑“0 ”。 d 字串间的间隔 当一个消息中所包含的字串超过一个时，在没有其他控制信号发生的前提 下，连续的字串中间应该插入4 位的间隔。 标号字和数据字格式如图2 7 、图2 - 8 所示。 皇b 1 9t t 。1 1 ；! k 1 6 端131 桃l2骱基茹 ll 雌l o ； f 彰l e x t f 辐i o x j 23 i r sk a b 以，p | s y n c 哪孙) 图2 7 标号字格式 i 斟彤臻式斟翁慰挝 。： 8 1 9 卵j i 、，、， 张1 拂i辩鼢 l 篱 6b 1 1 sn a f a p 图2 - 8 数据字格式 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信卡的理论基础 ( 3 ) 物理层实体及传输介质 a r n c 6 2 9 协议定义了三种类型的物理层实体和传输介质来完成数据传输 的功能，即：电流模式总线，电压模式总线和光纤模式总线。由于目前在飞机上 用的是电流模式总线，因此本文只对电流模式总线进行介绍。 1 ) 电流模式总线概述 电流模式总线的实现是利用电流感应原理，在一根未屏蔽的双绞线上感应电 流。电磁感应的应用使得在连接a r i n c 6 2 9 终端与介质时获得了无侵入耦合机 理( 所谓无侵入是指没有电缆的拼接且未使用分支连接器) 。感应电流大小与双 绞线流过的电流和磁心磁场强度有关，即i = k d 中d r 。数据线上存在的电磁干 扰对系统数据的传输将产生影响。为尽量降低外界的干扰，采用双绞线作为系统 间的连线。绞合的双绞线由于改变了导线电磁感应e 的方向，使其相互抵消，所 以能降低共模干扰。电流模式总线连接如图2 9 所示。 l i i ： 口日马霉 圆圆 图2 - 9 电流模式总线连接和双绞线电磁感应示意图 通常一个电流模式总线系统应当具有以下特性： 传输介质应该具有线性拓扑结构，该线性总线由一个t 型连接电缆将其 与子系统相连。 总线上最多可连接1 2 0 个终端。 物理总线长度应能达到1 0 0 米。 连接电缆的长度应能达到4 0 米。 2 ) 串行接口模块( s i m ) 串行接口模块( s i m ) 是在终端控制器( t c ) 和电流耦合器( c m c ) 之问 的接口器件。它一般设计在子系统电路板接口处，通过分支电缆( s t u bc a b l e ) 与嵌接在总线上的c m c 连接。串行接口模块的基本功能是：一方面，将从终端 控制器发送出的曼彻斯特i i 型双相电平逻辑信号转换为二位字节( d o u b l e t ) 差动 式电压模拟信号，然后由连接在总线上的c m c 将模拟信号耦合到总线上去；另 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 一方面，将二位字节( d o u b l e t ) 差动式电压模拟信号转换为曼彻斯特i i 型双相电 平逻辑信号，送入终端控制器进行处理。传输波形如图2 1 0 所示。s i m 还包含 传输波形监视功能，该功能检查每一个传输的二位字节在返回其t c 的路径上的 合适形状和振幅。s i m 还控制对c m c 通道和机内测试设备( b i t e ) 耦合器的选 择。 ：“州带hlhh 带i 带hh 乩带 ” 厂一 。厂| 5 2 4 2 3 0 0 s i i i 告输的d 讪l e t 信号诙形s i 譬传输数据逻辑功能图 图2 1 0 串行接口传输数据波形示意图 串行接口模块( s i m ) 通过调节子系统提供的1 5 v 电压来为电流耦合器 ( c m c ) 提供电源。它能够控制c m c 的电源极性，具有检测c m c 电源是否过 电流的能力。在过流时，s i m 将切断c m c 的1 5 v 电源。 3 ) 电流模式耦合器( c m c ) 电流模式耦合器( c m c ) 是负责将数据从总线上耦合下来或是将数据耦合 到总线上去的设备。它的基本功能是将s i m 发送的电压形式的二位字节( d o u b l e t ) 差动式电压模拟信号通过电磁感应耦合到总线电缆上去。并且把从总线上检测到 的电磁感应信号转换成电压形式的模拟信号传输给s i m 。传输波形类似图2 一l o 所示。 c m c 通过s i m 提供1 5 v 的工作电压，它可以在任何极性下工作。一般有 四个接线端子，即一对输入通道r s a r s b 和一对输出通道t s a t s b 。耦合器这 种双冗余收发信号通道的设计，提高了系统信号的容错能力。 2 1 4 介质访问控制层( m a c ) 介质访问控制层的功能主要有两个：介质访问管理和数据的封装( 比如构建 数据框架，数据寻址及错误检测) 。它通过b p 和c p 规范对介质访问进行控制， 以下部分只针对b p 规范进行介绍。 ( 1 ) 逻辑定义 a r i n c 6 2 9 总线传输率定义为2 m b s ，其拓扑结构同1 5 5 3 b 一样为线形的， 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 而又与4 2 9 一样无总线控制器，但信息在总线上又为双向传输。那么如何使信息 在总线上传输而不发生碰撞呢? 它的实现主要是依靠三个时间控制参数，即：发 送间隔t i ，同步过隙s g 和终端时隙t g 。总线上任一用户终端在发送完一次数 据后，必须满足以下三项要求后才能发送下一次数据。 必须等待一帧时间( af r a m et i m e ) 后才能再次发送数据，又称为发送 间隔t i ( t r a n s m i ti n t e r n a l ) ，总线上所有终端t i 取值相同。 必须在总线上检测到一段静止( 无消息) 时间间隙，称为同步过隙s g ( s y n eg a p ) ，总线上所有终端s g 取值相同。 必须在总线上检测到一段静止时隙，称为终端时隙t g ( t e r m i n a lg a p ) 。 g a p 应出现在同步时隙s g 和任一终端最后一次发送结束之后，每个终端t g 取 值都是互异且都是唯一的。图2 1 1 可以表示上述关系。 俸输开她 图2 - 1 1 总线工作流程图 显然，任一终端能否占用总线，取决于两个因素：终端状态和总线状态。右 边支路描述终端状态，当终端开始发送数据，则启动t i 计数器，直到t i 计满为 止该终端才有可能再次发送数据；左边支路描述总线状态，当s g 未计满时，若 总线上出现信号( 别的终端在发送数据) ，则将s g 计数器复位并重新计数。当 s g 计满而t g 未计满时，若总线上出现信号，则s g 不复位而t g 必须复位。当 这两条支路同时满足条件时，本终端才发送数据。因此，一个终端能否发送数据 仅取决于本终端状态和总线状态，而与其他终端无关。每个终端均能自主控制数 据发送，这相当于1 5 5 3 b 总线控制器的控制权被分配给了各个终端，因而具有 高度的可靠性和灵活性。 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信卡的理论基础 也就是说，a r i n c 6 2 9 总线是一种自主式终端访问工作方式的数据总线，所 以总线上每一个终端必需有自己的控制机构。这种控制机构通过我们熟知的两块 可擦除的可编程只读存储器( e p r o m ) 作为发送和接收“个性化插件 ( p e r s o n a l i t i e s ) ”来实现。“发送个性化r p r o m ( x p p ) ”包含这样的逻辑：在 让发送器工作之前，判断定时器是否已满足前面所说的三个条件。“接收个性化 e p r o m ( r p p ) ”用于两个目的：使终端仅接收预定发送给它这个终端的那些消 息：又作为它这个终端发送器的监控器，以避免总线上信息流相互冲突和其他发 送器的故障。 ( 2 ) 参数说明 1 ) 发送间隔( t i ) 发送间隔是一个主干总线参数，总线上所有终端的发送间隔都是相同的。 t i 以下述方式确保每个终端以恒定的时间间隔发送数据： 某一终端的t i 计数器在该终端开始发送数据的时刻开始计数： 一旦该终端已经发送了数据，那么它必须等待n 计数器完成计数后才能再 次发送数据： t i 的大小选择于用户系统数据的最大更新率成反比； t i 计数器为7 位，取值一般从o 5 m s 到6 4 m s ，相当于在2 m h z 传输率下1 0 0 0 到1 2 8 0 0 0 个位时间，计算公式为t i = 0 5 ( b v l o ) + 0 5 0 0 5 6 2 5 m s ，其中 b v l o 是t i 计数器的十进制值。在2 m h z 数据传输率下，t g 计数器的取值如 表2 1 所示： 表2 - 1t i 计数器取值范围 b i n a r yv a l u e ( b v ) b v l ot i ( m s ) t 1 6 t i s t i t t 1 3t 1 2t 1 1 t 1 0 0ooo000o0 5 0 0 5 6 2 5 0oo0001 1 1 0 0 0 5 6 2 5 o0ooo1o21 5 0 0 5 6 2 5 1ll ll111 2 7 6 4 0 0 0 5 6 2 5 2 ) 同步时隙( s g ) 同步时隙s g 也是一个主干总线参数，总线上所有终端都具有相同的值。s g 和t g 配合，以下述方式确保了在某个终端再次发送数据之前，总线上的所有终 端都有机会发送数据： 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信g - 的理论基础 s g 计数器在总线一处于空闲时就开始计数； 如果某个终端在该终端计数结束之前发送了数据，则该s g 将被复位； 一旦s g 计数器结束了计数，它只能在该终端开始发送数据时才能复位； s g 有四种可选值，即1 6 、3 2 、6 4 和1 2 7 肛s 。但是所选用的s g 要大于最长 的t g 。 3 ) 终端间隙( t g ) 发送间隔和同步时隙是每个终端都相同的，终端间隙t g 是每个终端所特有 的时间间隔。它设定主干总线上终端之间发送数据的最小空闲时间以及设置终端 发送数据的顺序。t g 同时与s g 配合起来以下述方式确保主干总线上所有终端 在某一终端再次发送之前都有发送数据的机会： 在s g 计数器完成计数后，并且总线上没有其他的终端在发送数据，这时t g 计数器开始计数； 每当有终端向总线发送数据时，t g 计数器就复位； t g 计数器与1 r i 计数器重合计数； t g 计数器必须与s g 计数器顺序计数，t g 和s g 在时间上不能有重叠： t g 计数器也为7 位，但是0 0 0 0 0 0 0 、0 0 0 0 0 0 1 和1 1 1 1 1 1 1 这三个数不能用。 在2 m h z 数据传输率下，t g 计数器的取值如表2 2 所示： 表2 - 2 t g 计数器取值范围 b i n a r yv a l u e ( b v )b v 】dt i ( u s ) t g 6 t g 5t g 4 t g 3 t g 2t g lt g o ooo000oon 0 t u s e d o0000011n o t u s e d 00o001023 6 8 7 5 lll11101 2 61 2 7 6 8 7 5 1ll11ll1 2 7n o t u s e d ( 3 ) 周期非周期模式设置 与总线上正常数据传输联系的有两个事件：一个是m i n o rf r a m e ( m i f ) 事 件，一个是m a j o rf r a m e ( m a f ) 事件。m i f 用于表示某个特定终端的一次数据 传输，m a f 是由一连串单独的m i f 组成。除了用m i f 和m a f 来描述总线上的 事件外，还有一个时间单元称为m i n i m u mf r a m et i m e ( m f t ) 。m f t 是可能的 最短的m i f ，它等于终端从消息传输开始到t g 计数结束这段时间长度。 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据通信昔的理论基础 在b p 规范中，总线既可以工作于周期模式，也可以工作于非周期模式。但 总线工作在哪种模式并不由规范本身决定，而由总线负载和消息长度可变决定。 无论是周期模式还是非周期模式，b p 规范都是根据t i 、s g 和t g 三个参数进行 时间控制的，这两种模式之间并没有严格界线。当消息传输时，m f t 时间大于 t i 设定值，总线工作于非周期模式；m f t 时间小于t i 设定值，总线工作于周 期模式。两种工作模式时序图如图2 1 2 、图2 1 3 所示： 终端1 蟓端2 声耳韦奉于每耳审等 终端s = 正矗f 丑i i 圭亍 皂亍三匠五笔矗面二j 图2 - 1 2a r i n c 6 2 9 周期模式时序图 1 墨广+ _ 口d 盂至f l + _ 口盘i 药= 了匕堑了_ t 玉 丑工i 二厂广1 j 匕丘口j 丁_ 1 1 筻广甚丘 者丘 皂 图2 1 3a r i n c 6 2 9 非周期模式时序图 在