ARINC 429 协议详解

ARINC 是美国航空无线电公司英文字头的缩写，该公司1977年7月21日出版了《ARINC 429规范》一书。429规范即飞机电子系统之间数字数据传输的标准格式，使用 ARINC 429 总线的设备应遵守这一规范，确保数据传输的标准化和通用性。

1. 总线连接方式

ARINC-429 总线标准采用串行传输方式，工作时使用差分输出的对称方式。它是一种面向接口的单向广播式传输总线。

• 总线上只允许一个发送器，最多支持 20 个接收器。
• 推荐使用双绞屏蔽线进行异步数据传输。

2. 总线电平特征

编码方式

• 双极性归零式信号：从高电平回归零电平表示逻辑状态 1，低电平回归零电平表示逻辑状态 0。

3. 数据传输协议

数据包传输 32 位数据，低位先传输，再传输高位。

标签（Label）

• 8 位二进制数，通常以八进制表示，用于标识数据类型或设备。
• 采用 小端（Small Endian） 排序，可能涉及逆序操作。

源/目的标记位（SDI）

• 用于标识数据来源或接收设备。多冗余设备的情况下，SDI 帮助区分发送方和接收方设备。

数据（Data）

• 数据字段，常使用 BCD 或二进制编码格式表示实际数据信息。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。

信号状态矩阵（SSM）

• 描述数据有效性和状态，通常使用值 3 表示数据有效。
• 对于不同的编码类型，SSM 的定义可能会有所不同。具体定义通常在接口控制文档（ICD）中进行说明。

校验位（Parity）

• 使用奇校验方式确保数据传输的正确性。

4. 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。

• 单发送器 - 多接收器：允许一个发送器通过总线与多个接收器通信。 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。
• 循环发送：发送器按照优先级或时间间隔循环发送数据。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。

5. 总线接口板

主要功能是在总线及上位机间起到桥梁作用，实现总线数据信息的接收和发送。当有数据从总线上传输时，接口电路能准确将其接收并把它送到中央处理器。经中央处理器处理后，向上位机发送。当上位机的下剖析传输到来时，由中央处理器进行实时处理后，控制收发模块将数据传送到总线上。

在每一架飞机上，都会配置相当多的电子设备和互联系统，如通信系统，导航系统和雷达系统等。 ARINC 429规范对这些电子设备进行了数字ID的定义和认证。航电设备对应设备号（Equipment ID）,如下表所示。

6. ARINC 429 协议芯片

HI-3585 是 HOLT 公司生产的 SPI 接口协议芯片，满足 ARINC 429 总线规范。

主要特征：

• 符合 ARINC 429 协议规范
• 支持 3.3V 和 5.0V 逻辑供电
• 内置模拟驱动器和接收器，直接连接 ARINC 429 总线
• 支持 256 个可编程标签识别
• 32 x 32 的接收和发送 FIFO 缓冲
• 支持高速四线 SPI 接口
• 提供标签位序控制、32 位传输位数据或奇偶校验、低功耗、工业级温度支持及自测试模式等功能。

7. 应用领域

ARINC 429 是航空领域最常用的数据总线协议，广泛应用于民用和军用飞机，尤其在以下领域：

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。

8. ARINC 429 局限性

尽管 ARINC 429 被广泛应用，但也有以下局限性：

• 单向通信：无法实现双向通信，通常需要两条独立的总线。
• 低数据速率：相比 ARINC 629 或 AFDX，ARINC 429 的数据速率较低。
• 扩展性差：不支持动态扩展设备，设备配置通常在设计时就已固定。

9．ARINC 429总线承载的业务

（1）飞行控制系统数据

• 业务类型：飞行控制、飞行状态数据传输
• 功能描述：ARINC 429 总线传输飞机飞行控制系统的相关数据，如副翼、方向舵、升降舵等控制指令。通过该总线，飞行控制计算机与飞机的各个控制表面设备之间进行数据交换，确保飞行器的稳定飞行。

（2）导航系统数据

• 业务类型：导航数据、定位数据
• 功能描述：ARINC 429 总线承载的导航数据包括 GPS 数据、惯性导航系统（INS）数据等，用于飞机位置、航向、速度、加速度等参数的传输。这些数据可以传送给飞行管理计算机（FMS）进行路径规划、自动飞行控制等。

（3）发动机监控与性能数据

• 业务类型：发动机状态监控、性能数据传输
• 功能描述：ARINC 429 总线用于传输发动机的实时性能数据，如转速、温度、压力、燃油流量等监测信息。这些数据帮助飞行员或地面控制人员实时监控发动机的健康状态，并提前预警故障。

（4）飞行仪表数据

• 业务类型：飞行仪表数据传输
• 功能描述：ARINC 429 总线用于传输飞行仪表数据，如高度计、速度表、航向指示器等仪表的数据，这些数据是飞行员判断飞机状态的重要依据。飞行仪表显示系统（EFIS）通过 ARINC 429 获取这些信息，提供给飞行员实时监控。

（5）机载雷达与气象数据

• 业务类型：雷达、气象数据传输
• 功能描述：ARINC 429 总线用于传输机载雷达系统、气象雷达系统的工作状态和采集到的气象数据，包括雷达图像、气象条件、风速等数据，帮助飞行员避开恶劣天气、避免雷暴等。

（6）机载通信系统数据

• 业务类型：通信数据传输
• 功能描述：ARINC 429 总线承载飞机通信系统的数据，包括与地面控制站的通信、航空公司与乘客通信、机内无线电设备数据传输等。

（7）座舱环境控制

• 业务类型：环境控制、座舱温度与压力监控
• 功能描述：ARINC 429 总线传输座舱内的环境控制数据，如温度、压力、湿度等信息。环境控制系统利用这些数据调节座舱内的气候条件，保证乘客和机组人员的舒适性。

（8）飞行数据记录器

• 业务类型：飞行数据记录与回放
• 功能描述：ARINC 429 总线用于连接飞行数据记录器（FDR）和数据存储设备，将飞行过程中记录的数据传输到飞行数据记录系统中。飞行数据记录器记录飞行期间的各种飞行参数和系统状态，以供事后分析或故障诊断使用。

（9）航空公司监控与维护系统

• 业务类型：系统健康监控与故障诊断
• 功能描述：ARINC 429 总线传输飞机的维护数据，如系统故障、维护需求、系统自诊断信息等。航空公司和地面维护人员通过这些数据对飞机进行日常检查与维修，确保飞机的安全运行。

（10）客舱娱乐与服务系统

• 业务类型：乘客娱乐、客舱服务数据
• 功能描述：ARINC 429 总线有时用于飞机的客舱娱乐系统与服务系统中，传输乘客娱乐内容、座位选择、餐饮服务等数据。它也可以传输与客舱环境相关的信息，如座椅调整、照明控制等。

10．ARINC 429总线承载的方式

（1）单向数据传输

ARINC 429 总线是一个 单向通信 协议，即数据从一个发送设备（如飞行管理计算机、传感器）传输到一个接收设备（如飞行仪表、控制系统）。这种单向通信简化了系统设计，提高了数据传输的可靠性。

（2）差分信号传输

ARINC 429 使用 差分信号 进行数据传输。这种差分信号传输方式具有较强的抗干扰能力，在高噪声的航空环境中能够保持较高的传输质量和稳定性。

（3）低速数据传输（最大 100 kbps）

ARINC 429 的最大传输速度为 100 kbps，适合于航空航天应用中的低速数据交换。这对于飞行控制、传感器数据和其他监控信息来说是足够的，因为这些数据的传输频率较低。

（4）32 位数据格式

ARINC 429 数据由 32 位的数据字 组成，每个数据字包括：

• 起始位：用于标识数据传输的开始。
• 数据字段：承载具体的数据，通常为 24 位，分为多个字段如数据值、标志位、校验位等。
• 校验位：确保数据的完整性和正确性。
• 停止位：用于标识数据字的结束。

（5）轮询与优先级

ARINC 429 总线支持 轮询 和 优先级 系统。虽然 ARINC 429 是单向通信，但多个设备可以共享同一总线，设备可以按轮询机制发送数据，或者通过优先级机制来控制数据的传输顺序，避免冲突。

（6）多设备支持

尽管 ARINC 429 是单向的，但它可以通过多路复用的方式支持多个设备的连接。每个设备的传输数据都通过总线传输，接收设备通过地址区分不同数据来源。

（7）冗余与容错设计

为了提高系统的可靠性，ARINC 429 总线通常采用冗余设计。例如，某些系统可能配备两个独立的 ARINC 429 总线，确保在一个总线出现故障时，另一个总线可以继续工作，从而避免系统的完全失效。

（8）数据同步

ARINC 429 使用 异步数据传输，数据发送端和接收端不需要共享时钟信号，而是通过一定的帧结构和校验位确保数据的同步性和完整性。

11．ARINC 429总线设备列表

ARINC 429 总线主要用于航空航天领域，接入的设备通常涉及飞机的各类电子系统，包括飞行控制、导航、机载仪表、发动机监控、气象雷达等设备。