ARINC 429. Ein Avionik Feldbus der zivilen Luftfahrt. Embedded Control Autor: Wittmer Jörg Betreuer: Felser Max

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1 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik ARINC 429 Ein Avionik Feldbus der zivilen Luftfahrt Embedded Control Autor: Wittmer Jörg Betreuer: Felser Max

2 Elektronik ARINC 429 Feldbus Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Geschichtlicher Hintergrund Über ARINC Was ist ARINC 429? Einsatzgebiete des ARINC ARINC 429 Elektrische Charakteristik Protokoll Bit Timing und Slew Rate 4 4 ARINC 429 Word Format Parität SSM Daten SDI Label 6 5 Installationstechnik 7 Jörg Wittmer II

3 1 Einleitung Embedded Control ARINC 429 ist ein in den 1970ern entwickelter und in den 1980ern eingeführter Datenbus- Standard für Verkehrsflugzeuge. Es ist der am weitesten verbreitete Datenbus für Passagier und Transportflugzeuge. Das ARINC 429 Protokoll definiert wie die Systeme und das flugtechnische Equipment an Bord eines Flugzeuges kommunizieren sollen. Das Protokoll wird von verschiedenen Flugzeugherstellern wie zum Beispiel Boing und Airbus genutzt. In diesem Dokument wird die Geschichte der ARINC Corporation, die Spezifikationen des Datenbusses und die Anwendungsbereiche des ARINC 429 Busses erläutert. Weiter werden die prinzipiellen elektronischen Spezifikationen zusammengefasst aufgeführt. Übersicht relevanter Leistungsmerkmale des ARINC 429 Busses: Jörg Wittmer Seite 1

4 Embedded Control 2 Geschichtlicher Hintergrund 2.1 Über ARINC Die Aeronautical Radio Incorporated (ARINC) ist eine führende Firma die Systeme zur Sicherstellung der Effizienz, Funktionalität und Performance der Zivilluftfahrt und Reiseindustrie entwickelt und betreibt. Die Firma wurde 1929 von 4 führenden Fluggesellschaften gegründet um die Koordination der Funkfrequenzen unabhängig der Regierung zu übernehmen. Aktien dieser Firma können nur von Airlines oder luftfahrtnahen Unternehmen gehalten werden. Jede Airline und jedes Flugzeug kann die Dienste von ARINC in Anspruch nehmen. Die Firma ist ca. 280Mio Dollar schwer und hat ihren Sitz in Annapolis in den USA. Die Firma hat zwei hauptsächliche Einsatzgebiete: - Kommunikations- und Informationsverarbeitungsdienste für die Luftfahrt- und Reiseindustrie. - Projektplanung, Entwicklung und Verflechtung von Regierung und Industrie. ARINC war federführend bei der Einführung und Entwicklung von verschiedenen Spezifikationen und Standards für Avionik Equipment. Eine dieser Spezifikationen wird in diesem Dokument genauer beschrieben. Die ARINC Spezifikation 429 wurde entwickelt und wird unterhalten vom Airlines Electronic Engineering Committee (AEEC) welches aus Personen besteht die Airlines, die Regierung und ARINC vertreten. 2.2 Was ist ARINC 429? ARINC 429 ist eine Spezifikation, die definiert wie verschiedene Systeme der Avionik miteinander kommunizieren sollten. Die Systeme sind mit Twisted-Pair Kabel verbunden. Die Spezifikation definiert die elektrischen Datencharakteristiken und Protokolle die gebraucht werden. ARINC 429 benutzt einen unidirektionalen Datenbus-Standart der bekannt ist als Mark 33 Digital Information Transfer System (DITS). Die Bitrate des Busses ist entweder 12.5 oder 100 kbit/s. Gesendet wird von einem Master zu verschiedenen Empfängern die alle immer mithören. 2.3 Einsatzgebiete des ARINC 429 ARINC 429 wird in den meisten heute bekannten zivilen Flugzeugen eingesetzt. Beispiele dazu sind: - Airbus A310, A320, A330, A340 - Bell Helikopter - Boing 727, 737, 747, 757, McDonell Douglas MD-11 Eine neuere Version des ARINC 429, der ARINC 629, wird im Boing 777 eingesetzt. Wenn bei einem Flugzeug Kabelgewicht gespart werden muss oder ein Bus mit höherer Geschwindigkeit gebraucht wird muss nach einer Alternative gesucht werden. Der unidirektionale ARINC 429 Bus hat eine sehr hohe Zuverlässigkeit auf Kosten von Kabelgewicht und Geschwindigkeitsbegrenzung. Jedes Flugzeug kann mit verschiedenem elektronischem Equipment und Systemen ausgestattet sein die untereinander verbunden werden können. Je nach Flugzeugtyp ist die Menge solcher Geräte und Systeme sehr gross. Die einzelnen Typen der Avionik haben im Protokoll definierte Adressbereiche. Jörg Wittmer Seite 2

5 Embedded Control 3 ARINC 429 Elektrische Charakteristik Der ARINC 429 Bus benötigt 2 Signalleitungen um 32bit Worte zu übertragen. Beim Senden von aufeinander folgenden Worten werden diese von mindestens vier bit - Zeiten NULL (0V) getrennt. Mit diesem System kann eine separate Clockleitung eingespart werden und das Signal als Selbsttaktend bezeichnet werden. Die Nennspanung beträgt 10±1 Volt zwischen den beiden Leitungen (differentiell), mit entweder positivem oder negativem Vorzeichen. Daraus ergeben sich einzelne Signalspannungen zwischen +5 und -5 Volt. Wenn die Spannung auf einer Leitung +5V beträgt, beträgt die Spannung auf der anderen Leitung -5V. Die eine Leitung wird A (oder + oder HI ) Leitung und die andere B (oder - oder LO ) Leitung genannt. Diese Modulation ist bekannt als Bipolar Return-to-Zero (BPRZ) Modulation. Das kombinierte Signal kann drei verschiedene Werte annehmen: - Bei einem HI Signal muss zwischen den beiden Leitungen A und B eine Spannung zwischen 7.25 und 11 Volt anliegen. - Bei einem NULL Signal zwischen 0.5 und -0.5 Volt (A nach B) - Bei einem LO Signal zwischen und 11 Volt (A nach B) Die Spannung am Empfänger hängt ab von der Leitungslänge und de Anzahl Empfänger die am Bus hängen. Es sollten nicht mehr als 20 Empfänger an einen Bus hängen. Weil jeder Bus unidirektional ist muss ein Empfänger der auch senden will seinen eigenen Bus zum senden Besitzen. Die Schaltungen müssen so entwickelt werden, dass sie zuverlässig die Nulldurchgänge zwischen HI und LO Zuständen senden und empfangen können. Beispiel eines Codierten Signals: Zusammenfassung der Elektrischen Charakteristiken: Jörg Wittmer Seite 3

6 3.1 Protokoll Embedded Control ARINC-429 ist ein sehr simples punkt zu punkt Protokoll. An jedem Leitungspaar kann es maximal ein sendendes Gerät haben. Der Sender ist immer am Senden von entweder einem 32 Bit Wort oder den NULL zustand. Es hat mindestens einen und maximal 20 Empfänger an jedem Leitungspaar. In den meisten Fällen besteht eine ARINC-429 Nachricht aus einem einzelnen Datenwort. Im Label-Feld ist die Art der Daten gespeichert die im Rest des Datenwortes gespeichert ist. 3.2 Bit Timing und Slew Rate Die Slew Rate beschreibt die Einschalt und Abfallzeit der ARINC Signalform. Sie beschreibt die Zeit zwischen 10% und 90% der Maximalamplitude. Tabelle Bitcharakteristiken: Bit Timing Diagramm: Jörg Wittmer Seite 4

7 Embedded Control 4 ARINC 429 Word Format ARINC Datenworte sind typischerweise wie unten dargestellt aufgebaut. Die Worte enthalten fünf Hauptfelder, namentlich Parität, SSM, Daten, SDI und Label. Die ARINC Konvention nummeriert die Bits von 1 (LSB) bis 32 (MSB). Allgemeines ARINC Wortformat: 4.1 Parität Das MSB ist immer das Paritätsbit im ARINC 429 Protokoll. Die Parität ist, ausser bei bestimmten Tests, auf ungerade gesetzt. Ungerade Parität bedeutet, dass es in einem 32 Bit Wort immer eine ungerade Anzahl HI Bits haben muss. Dies wird mit dem Setzen oder Löschen des Paritätsbit sichergestellt. 4.2 SSM Die Bits 31 und 30 enthalten die Sign/Status Matrix oder SSM. Diese Bits enthalten Daten über den Betriebszustand und Operationsmodus der Hardware oder Gültigkeit der Dateninhalte. Tabelle mit SSM Codes für BCD Daten: Tabelle mit SSM Codes für BNR Daten: 4.3 Daten In den Bits 11 bis 29 sind die Daten enthalten. Diese Daten können in verschiedenen Formaten vorliegen. Einige Hersteller setzen auch nicht-standartisierte Datenformate ein. In einigen wenigen Fällen werden die SDI Bits auch als Datenbits gebraucht. In diesen Fällen wird die SDI Information nicht verwendet. Jörg Wittmer Seite 5

8 4.4 SDI Embedded Control Die Bits 9 und 10 stellen einen Quelle/Ziel Identifikation (Source/Destination Identifier) zur Verfügung. Diese werden gebraucht wenn ein Empfänger von Daten entscheiden muss, ob die vorliegenden Daten für ihn bestimmt sind. In Systemen mit mehreren Bussen und Sendern können sie auch zur Identifikation des Senders gebraucht werden. Manchmal werden diese zwei Bits auch als Datenbits gebraucht. 4.5 Label Die Bits 1 bis 8 enthalten ein Label das den Datentyp und die dazugehörenden Parameter bestimmt. Somit ist es möglich, in einem Datenwort z.b. direkt Daten vom Reifendrucksensor an das Tire Pressure Monitoring System zu übertragen ohne für jedes Luftfahrzeug ein eigenes Protokoll zu definieren. Die Nutzdaten werden durch ein Label spezifiziert: 4.6 Übertragungsreihenfolge Die Übertragungsreihenfolge der Daten entsprich nicht der Bitreihenfolge. Zuerst wird das Label Byte mit dem MSB zuerst übertragen. Die restlichen Bits werden der Reihe nach gesendet. Reihenfolge der Bits auf dem ARINC Bus: 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, Jörg Wittmer Seite 6

9 Embedded Control 5 Installationstechnik Aufgrund der unidirektionalen Kommunikation müssen zur Realisierung von bidirektionalen Verbindungen sehr viele Kabel verlegt werden, welches ein hohes Volumen und Gewicht der Kabelbäume zur Folge haben. Dies erhöht allerdings die Zuverlässigkeit, da es nicht zu Datenkollisionen auf den Sendeleitungen kommen kann. Aus diesem Grund haben die meisten Geräte die am ARINC Bus angeschlossen werden mehrere Sende- und Empfangskanäle. Beispiel einer Einheit um Analoge Flugdaten wie Höhe, Temperatur und Geschwindigkeit auf dem ARINC 429 Bus auszugeben. Beispiel eines ARINC Kabels mit verschiedenen Steckern: Beispiel eines ARINC 429 Bus Testers: Jörg Wittmer Seite 7

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