基于B/S架構(gòu)的便攜式航空總線測(cè)試儀設(shè)計(jì)

摘 要 ：在航空電子系統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域，通常需要在地面實(shí)驗(yàn)室對(duì)航空設(shè)備進(jìn)行航空接口總線、協(xié)議的分析與測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備控制端與信號(hào)輸出端分離、儀器設(shè)備遠(yuǎn)程控制與使用的目的，采取基于 B/S 架構(gòu)的方式對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使測(cè)試儀具有便攜性和靈活性。研究 B/S（Browser-Server）架構(gòu)特點(diǎn)，將其應(yīng)用于基于ARINC429 總線規(guī)范通信的測(cè)試儀，使用 HTML 搭建測(cè)試儀頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)通過(guò)點(diǎn)擊不同 div 或按鈕完成與傳統(tǒng)測(cè)試儀相同的功能，使用 C 語(yǔ)言搭建后臺(tái)通信端口程序來(lái)接收相應(yīng)的用戶頁(yè)面和航線可更換單元頁(yè)面數(shù)據(jù)，并發(fā)送指定數(shù)據(jù)，通過(guò)電腦等移動(dòng)設(shè)備顯示，最終實(shí)現(xiàn)基于 B/S 架構(gòu)的航空總線測(cè)試儀功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，電腦等移動(dòng)設(shè)備可以通過(guò)后臺(tái)通信接口程序中的 WebSocket 進(jìn)行有效通信，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)測(cè)試儀接收輸出數(shù)據(jù)的功能。

0 引 言

ARINC429 總線規(guī)范是美國(guó)航空電子工程委員會(huì)于20 世紀(jì) 90 年代提出的，規(guī)范羅列了航空電子設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)之間數(shù)字信息傳輸?shù)囊?[1]。在當(dāng)前的航空工業(yè)中，ARINC429 總線規(guī)范的應(yīng)用范圍十分廣泛，尤其在現(xiàn)代民用飛機(jī)上，幾乎所有知名度較高的民用飛機(jī)都采用了ARINC429 總線規(guī)范，包括空客 A320/A310，A330/A340，波音 B727、B737、B747、B757、B767，我國(guó)大型國(guó)產(chǎn)客機(jī)同樣采用了 ARINC429 總線規(guī)范 [2]。

1 測(cè)試儀設(shè)計(jì)原理

1.1 ARINC429 總線規(guī)范

ARINC429 總線是一種串行標(biāo)準(zhǔn)總線，是面向接口的單向廣播式傳輸總線，該總線只有一個(gè)發(fā)送器，但允許有至多20 個(gè)接收器 [3]?？偩€以差動(dòng)輸出的對(duì)稱平衡方式工作，采用雙絞屏蔽線異步傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)志碼區(qū)分設(shè)備和信號(hào)名稱。ARINC429 總線通信的關(guān)鍵組件是接口卡，其接口卡的設(shè)計(jì)有 2 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn) ：第一，如何方便地連接實(shí)現(xiàn) m 發(fā)n 收模塊，需要分析比較所有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇其中最經(jīng)濟(jì)、有效的連接拓?fù)?。第二，如何保證 m 發(fā) n 收數(shù)據(jù)的高效率發(fā)送和正確無(wú)丟失接收，一般需要采用 FIFO 緩存和中斷相結(jié)合的方式處理 [4]。

1.2 ARINC429 總線數(shù)據(jù)規(guī)范解析

ARINC429 總線通信通過(guò)帶有奇偶校驗(yàn)的 32 位信息字進(jìn)行，采用雙極性歸零碼三態(tài)調(diào)制編碼方式，調(diào)制信號(hào)有3 個(gè)狀態(tài)，分別是高、零、低 [5]。圖 1 為雙極性歸零碼波形。

ARINC429 總線協(xié)議是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行傳輸協(xié)議，基本數(shù)據(jù)單元為 32 位數(shù)據(jù)字，包含 5 個(gè)部分，分別為 P ：奇偶校驗(yàn)位 ；SSM ：符號(hào) / 狀態(tài)位 ；DATA ：數(shù)據(jù)位 ；SDI ：源 /目的識(shí)別位 ；LABLE ：標(biāo)號(hào)。LABLE 是信息識(shí)別符，用以識(shí)別信息類型。ARINC429 的標(biāo)準(zhǔn)速率有高速模式和低速模式，分別是 100 Kb/s 和 12.5 Kb/s[6]。圖 2 為 ARINC429 格式。

1.3 B/S 架構(gòu)

我們所使用的 B/S 架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中屬于對(duì)瀏覽器服務(wù)模型的建構(gòu)，該框架模型是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用下而產(chǎn)生的，在實(shí)際應(yīng)用中，也可以將 B/S 框架看作是對(duì) C/S 架構(gòu)的發(fā)展和完善。在此框架下進(jìn)行的相關(guān)操作，要求后臺(tái)運(yùn)行人員必須通過(guò) Web 頁(yè)面進(jìn)行，并通過(guò)登錄瀏覽器實(shí)現(xiàn)授權(quán) [7]。在 B/S 架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)上分布著各類節(jié)點(diǎn)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以分為瀏覽器端、服務(wù)器端和中間件，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的交互成為完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能任務(wù)的關(guān)鍵。得益于 B/S 架構(gòu)的分布特征，其框架下的應(yīng)用程序具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且在共享性和維護(hù)性方面也具備一定優(yōu)勢(shì)。B/S 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)不僅于此，由于 B/S 架構(gòu)內(nèi)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)會(huì)存放于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，客戶端并不保存任務(wù)業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)安全方面也有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì) [8]。

2 測(cè)試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的主要硬件構(gòu)成是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)字協(xié)議轉(zhuǎn)換的電路板，將符合串口通信規(guī)范的數(shù)據(jù)字轉(zhuǎn)換成 ARINC429規(guī)范數(shù)據(jù)字。電路板可選擇 USB 接口或 TTL 串口，USB 接口在 PC 端的顯示為 CH340 串口，有 2 條通道，一路為發(fā)送通道，一路為接收通道。電路板指示燈有 3 個(gè)顏色，分別為藍(lán)、綠、紅，分別代指速率高低、發(fā)送狀態(tài)及接收狀態(tài)。USB 接口選用 TypeC 規(guī)范接口。圖 3 為硬件實(shí)物。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文的軟件設(shè)計(jì)主要包括 2 個(gè)部分，一是基于 B/S 架構(gòu)的航空總線測(cè)試儀的用戶頁(yè)面及航線可更換單元（LineReplaceable Unit, LRU）頁(yè)面部分，二是用來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的后臺(tái)通信接口程序 [9]。

2.2.1 用戶頁(yè)面及 LRU 頁(yè)面

用戶頁(yè)面的作用與傳統(tǒng)航空總線測(cè)試儀相同，為用戶提供操作數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的平臺(tái)。LRU 頁(yè)面主要用于模擬LRU 功能并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于 LRU 范圍很廣，并具備不同功能，因此 LRU 頁(yè)面也可對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)多套，本文以常用組件 ADF 為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

網(wǎng)頁(yè)版用戶頁(yè)面和 LRU 頁(yè)面通過(guò) HTML5 編寫(xiě)，利用HTML5 所編寫(xiě)的程序可以通過(guò)瀏覽器在移動(dòng)設(shè)備中隨時(shí)隨地打開(kāi)，并通過(guò) IP 地址訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)，也可以通過(guò)特定的 IP 和編寫(xiě)的后臺(tái)通信接口服務(wù)程序相互通信，發(fā)送或接收信息。此種方式可以達(dá)到分離儀器設(shè)備控制端與信號(hào)輸出端的效果，且無(wú)場(chǎng)地限制，可以適應(yīng)多種工作環(huán)境。同時(shí)，根據(jù)需要可以通過(guò)后臺(tái)通信接口程序?qū)W(wǎng)頁(yè)的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì) LRU 頁(yè)面發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試等。圖 4 為用戶頁(yè)面，圖 5 為 LRU 頁(yè)面。

2.2.2 后臺(tái)通信接口服務(wù)程序

后臺(tái)通信接口程序采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，主要功能是通過(guò)程序?qū)⒕W(wǎng)頁(yè)端數(shù)據(jù)字傳輸至數(shù)據(jù)字協(xié)議轉(zhuǎn)換電路板，并接收電路板數(shù)據(jù)，即起到底層通信的作用。用戶通過(guò)輸入端口序號(hào)和服務(wù)端口號(hào)進(jìn)行設(shè)備鏈接。后臺(tái)接口程序在接收到從網(wǎng)頁(yè)傳輸來(lái)的字符串后，首先將這些信息保存至本地，再將字符串依據(jù) 429 數(shù)據(jù)字格式進(jìn)行解碼，并計(jì)算出標(biāo)號(hào)位、奇偶校驗(yàn)位，狀態(tài)位、源 / 目的識(shí)別位等信息，有效數(shù)據(jù)按照 BCD或 BNR 的方式解碼。同樣，接口程序也可完成標(biāo)準(zhǔn) 429 數(shù)據(jù)字轉(zhuǎn)換為字符串的操作，并進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳遞。

3 測(cè)試與分析

3.1 測(cè)試方法

航空總線測(cè)試儀整體測(cè)試需要通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行。首先檢查網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面的結(jié)構(gòu)和按鈕功能性，然后測(cè)試移動(dòng)端和頁(yè)面之間的接口協(xié)議，檢查服務(wù)器端口連接，確定接口程序能否與端口相互連接。當(dāng)確認(rèn)所有軟件都能互相通信后，進(jìn)行硬件連接，選擇與后臺(tái)通信服務(wù)程序相對(duì)應(yīng)的端口，測(cè)試 429 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路板能否接收到數(shù)據(jù)或者發(fā)送給瀏覽器的數(shù)據(jù)是否可以正常顯示，接收到的數(shù)據(jù)以及發(fā)送的數(shù)據(jù)是否能夠按照后臺(tái)通信接口程序要求在對(duì)應(yīng)的窗口正常顯示。

3.2 通信測(cè)試

通信測(cè)試是檢查航空總線測(cè)試儀能否正常工作的核心內(nèi)容。將網(wǎng)頁(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送至 429 轉(zhuǎn)換電路板，建立與后臺(tái)通信接口程序之間的通信，即測(cè)試移動(dòng)端頁(yè)面與硬件之間的交互情況以及它們之間的數(shù)據(jù)通信。圖 6 為多行接收數(shù)據(jù)測(cè)試。圖中左側(cè)為有效發(fā)送數(shù)據(jù)，右側(cè)為有效接收數(shù)據(jù)，發(fā)送頻率為 200 ms/ 次。

測(cè)試表明，移動(dòng)端和后臺(tái)通信接口程序的通信正常，可以通過(guò)接口程序向 429 數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換電路板傳輸正確的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。圖 7 所示為硬件電路板發(fā)送數(shù)據(jù)測(cè)試，經(jīng)過(guò)后臺(tái)通信接口程序的轉(zhuǎn)換，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示在移動(dòng)端。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了 ARINC429 規(guī)范，并基于 C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種便攜式航空總線測(cè)試儀，通過(guò) HTML 搭建了用戶頁(yè)面和 LRU 頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)了航空總線測(cè)試儀控制端與信號(hào)輸出端的分離，將局限于固定空間的傳統(tǒng)測(cè)試儀改進(jìn)成可以在實(shí)驗(yàn)室、車間、內(nèi)場(chǎng)等不同工作環(huán)境使用的儀器，同時(shí)也可以通過(guò)開(kāi)發(fā)配套 LRU 頁(yè)面實(shí)現(xiàn)航空總線測(cè)試儀的通用 [10]。

審核編輯 ：李倩