CN110545275B - 一种航空设备间数据发送电路和接收电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种航空设备间数据发送电路，所述电路包括电平转换电路、隔离电路、阻抗匹配电路，其中：所述电平转换电路的一端与FPGA连接，另一端与隔离电路连接，用于接收FPGA发送的总线逻辑信号，并将所述总线逻辑信号转换为标准电平信号；隔离电路的一端与电平转换电路连接，另一端与阻抗匹配电路连接，用于将所述标准电平信号与所述阻抗匹配电路输出的线缆总线信号隔离；阻抗匹配电路的一端与隔离电路连接，另一端与外部航空设备连接，用于输出线缆总线信号，并实现所述航空设备间数据发送电路的阻抗匹配。

Description

一种航空设备间数据发送电路和接收电路
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种航空设备间数据发送电路和接收电路。
背景技术
在飞行器工作过程中，航空设备之间进行着频繁的数据与指令交互，以飞控计算机和作动器控制电子为例，在整个飞行器工作过程中，作动器控制电子接收和处理驾驶杆、驾驶盘、脚蹬、大气数据、航姿信息、襟翼位置以及航向阻尼等信号，并通过总线把这些数据发送给飞控计算机，飞控计算机接收到数据后，根据这些数据进行控制律解算，并把解算出的舵面控制指令通过总线发送给作动器控制电子，从而实现对飞机舵面的控制。假如航空设备之间的通信出现某种故障，就有可能威胁到飞行器的安全运行，因此航空设备之间的高可靠高安全通信是确保飞行器安全运行的基础。
目前的一些航空设备间的数据传输设计方案，没有考虑共模干扰的问题，在实际应用场景中，航空设备周围的电磁环境十分复杂，信号在航空设备之间传输时，电荷积累会导致航空设备之间存在较高的共模电压，这可能会对总线收发器造成损坏，进而影响系统安全。此外，一些数据传输方案在安全性和可靠性方面存在一定的缺陷，例如采用的校验方法过于简单，无法检验传输过程中产生的错误，这在一定程度上会对系统的安全性产生影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种航空设备间数据发送电路和接收电路，该方法定义了一套总线协议，该协议在物理层中引入隔离设计，解决了特定应用场景下数据传输的共模干扰问题，同时在链路层中规定了数据的传输方式和相应的校验方法，保证数据高可靠、高安全的传输。
第一方面，本发明提供一种航空设备间数据发送电路，所述电路包括电平转换电路、隔离电路、阻抗匹配电路，其中：
所述电平转换电路的一端与FPGA连接，另一端与隔离电路连接，用于接收FPGA发送的总线逻辑信号，并将所述总线逻辑信号转换为标准电平信号；
隔离电路的一端与电平转换电路连接，另一端与阻抗匹配电路，用于将所述标准电平信号与所述阻抗匹配电路输出的线缆总线信号隔离；
阻抗匹配电路的一端与隔离电路连接，另一端与外部航空设备连接，用于输出总线信号，并实现所述航空设备间数据发送电路的阻抗匹配。
优先的，所述隔离电路包括变压器、共模电感和中心抽头电容，其中：
变压器的输入端与电平转换电路连接，变压器的输出端与共模电感输入端连接，用于实现所述标准电平信号与所述线缆总线信号的隔离；
共模电感的输入端与变压器连接，共模电感的输出端与阻抗匹配电路连接，用于滤除变压器输出的所述线缆总线信号上的共模高频噪声；
中心抽头电容与变压器输入端的中心抽头连接，用于在变压器的输入端为所述共模高频噪声提供一个泄放通路，并为从变压器的输出端耦合过来的雷电信号提供一个泄放通路。
优先的，所述阻抗匹配电路包括第一电阻、第二电阻和电容，其中：
第一电阻的一端和第二电阻的一端分别与共模电感的输出端串联；
电容的一端与第一电阻连接，另一端与第二电阻连接；
第一电阻的另一端和第二电阻的另一端分别与外部线缆连接，以实现阻抗匹配。
优先的，所述电平转换电路包括总线收发器。
优先的，第一电阻的阻值和第二电阻的阻值均为49.9欧姆。
第二方面，本发明提供一种航空设备间数据接收电路，所述电路包括电平转换电路、隔离电路、阻抗匹配电路，其中：
所述电平转换电路的一端与FPGA连接，另一端与隔离电路连接，用于接收标准电平信号，并将所述标准电平信号转换为FPGA可识别的总线逻辑信号；
隔离电路的一端与电平转换电路连接，另一端与阻抗匹配电路，用于将所述阻抗匹配电路输入的线缆总线信号与所述标准电平信号隔离；
阻抗匹配电路的一端与隔离电路连接，另一端与外部航空设备连接，用于接收线缆总线信号，并实现所述航空设备间数据接收电路的阻抗匹配。
优先的，所述隔离电路包括变压器、共模电感和中心抽头电容，其中：
变压器的输出端与电平转换电路连接，变压器的输入端与共模电感输出端连接，用于实现所述线缆总线信号与所述标准电平信号的隔离；
共模电感的输出端与变压器连接，共模电感的输入端与连接，用于滤除阻抗匹配电路输出的所述线缆总线信号上的共模高频噪声；
中心抽头电容与变压器输入端的中心抽头连接，用于在变压器的输出端为所述共模高频噪声提供一个泄放通路，并为从变压器的输入端耦合过来的雷电信号提供一个泄放通路。
优先的，所述阻抗匹配电路包括第三电阻、第四电阻，其中：
第三电阻的一端和第四电阻的一端串联；
第三电阻的另一端和第四电阻的另一端分别与外部线缆连接，以实现阻抗匹配。
优先的，所述电平转换电路包括总线收发器。
优先的，第三电阻的阻值和第四电阻的阻值均为49.9欧姆。
本发明具有的优点和有益效果：本发明提出的航空设备间数据发送电路和接收电路，通过在物理层引入隔离设计，并在链路层使用包格式进行传输以及引入CRC校验，解决了目前航空设备间数据传输过程中的共模干扰问题，并可以保证数据高可靠、高安全的传输，同时本发明所提出的总线协议逻辑实现简单，节省了开发过程中的人力物力，并降低了系统的验证开发成本。
附图说明
图1本发明所提出的总线协议物理层发送电路框图；
图2本发明所提出的总线协议物理层接收电路框图；
图3本发明所提出的总线协议链路层数据包格式；
图4本发明所提出的总线协议链路层发送功能实现框图；
图5本发明所提出的总线协议链路层接收功能实现框图；
其中：1-电平转换设计、2-隔离设计、3-阻抗匹配设计、4-电平转换设计、5-隔离设计、6-阻抗匹配设计、10-数据管理模块、11-CRC校验器、12-数据缓存器、13-码型生成器、14-解码器、15-包数据分析器、16-数据缓存器、21-变压器、22-共模电感、23-中心抽头电容、31-第一电阻、32-第二电阻、51-变压器、52-共模电感、53-中心抽头电容、61-第三电阻、62-第四电阻。
具体实施方式
一种航空设备间数据发送电路和接收电路，所定义的总线协议包括物理层、链路层。所述的总线协议采用高度集成的设计实现方案，以FPGA和总线收发器为硬件架构，由总线收发器及相关电路实现物理层，完成总线逻辑信号与电平信号的转换，由FPGA实现协议的链路层，完成数据包的组包和解包过程。
物理层：主要实现总线逻辑信号与RS485标准电平信号的转换。物理层在实现时包括：电平转换设计、隔离设计、阻抗匹配设计，其中电平转换设计使用RS485收发器实现；隔离设计使用变压器实现总线收发器信号与线缆信号的隔离，以提高总线接口的抗共模干扰能力；阻抗匹配设计通过使用匹配电阻和引入滤波电路，提高信号传输质量。
链路层：规定采用数据包格式进行传输，数据包由前导码、标识符、长度域、数据域、CRC校验域、后导码共六部分组成，前导码用于识别一个数据包的开始；标识符定义了数据的类型；长度域定义了数据域16bit数据字的个数；数据域包含特定数目的16bit数据字；CRC校验域包含数据包的CRC校验值，校验范围为标识符、长度域和数据域；后导码用于识别数据包的结束。链路层的设计分为发送功能设计和接收功能设计。
发送功能设计：主要由数据管理模块、CRC校验器、发送缓存区、码型生成器组成。数据管理模块把需要输出的数据送入CRC校验器，CRC校验器生成校验结果并存入发送缓存区，并把需要输出的数据按照标识符、长度域、数据域的组成形式存入发送缓存区，当发送命令到来后，码型生成器按照包格式从发送缓存区中读取数据，组成完整的数据包向外输出，完成一次数据的发送。
接收功能设计：主要由解码器、包数据分析器、数据缓存器组成。接收逻辑开始工作后，解码器默认进入搜索前导码的状态，一旦识别到前导码，解码器认为总线上有一个数据包正在发送，然后解码器进入数据接收状态，解码器每识别16bit数据，就把数据写入包数据分析器，包数据分析器进行数据的识别以及CRC校验，并把识别出的数据存入缓存区，当包数据分析器接收到数据包的所有内容，并识别出标识符、长度域、数据域后，包数据分析器此时完成CRC校验，如果CRC校验通过，则包数据分析器把标识符、长度域、数据域写入数据缓存器，完成一次数据的接收。
下面参考附图并结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明所提出的总线协议物理层实现方案包括电平转换设计、隔离设计、阻抗匹配设计。
电平转换设计使用总线收发器实现总线逻辑信号与RS485标准电平的转换，RS485采用差分方式进行数据收发，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS485接收器的极限电压时，接收器会无法正常工作，严重时会导致半导体器件击穿，造成接收器永久性损坏，因此物理层在设计时必须考虑共模干扰问题。
隔离设计就是用于解决数据传输中的共模干扰问题。它由一个变压器和一个共模电感组成，其中变压器用于实现线缆传输信号与总线收发器信号的隔离，这样即使线缆上有较高的共模电压，由于变压器的隔离作用，并不会对总线收发器造成影响，此外，变压器初级中心抽头连接了一个0.022uF的电容，这个电容有两个作用，一是在变压器初级端为共模高频信号提供一个泄放通路，防止共模高频信号对总线输入输出造成干扰；二是为雷电信号提供一个泄放通路，由于变压器初级/次级线圈之间存在互绕电容，雷电信号有可能通过互绕电容耦合到变压器初级这一侧，耦合过来的雷电信号可以通过中心抽头的电容到地，从而保护总线收发器。共模电感用于滤除线缆上的共模高频噪声，防止对总线信号造成干扰。
阻抗匹配设计用于改善数据传输过程中出现的信号反射，提高信号传输的质量。如图1和图2所示，总线数据发送和接收所采用的阻抗匹配设计并不相同，这是因为，在总线数据发送过程中，总线驱动器的输出阻抗较小，通过变压器耦合到输出端的阻抗也较小，为了实现阻抗匹配，需要在信号通路上串接49.9欧姆的电阻。而在总线数据接收过程中，由于总线收发器的输入阻抗较大，通过变压器耦合到输入端的阻抗也较大，因此需要在信号通路上并接49.9欧姆的电阻，以实现阻抗匹配。
如图3所示，本发明所提出的总线协议链路层数据包格式包括：前导码、标识符、长度域、数据域、CRC校验域、后导码。数据在传输过程中采用曼彻斯特编码，它定义一个码元存在两种不同的极性，这里定义逻辑‘1’为前半码元高及后半码元低；定义逻辑‘0’为前半码元低及后半码元高。采用曼彻斯特编码便于接收端进行时钟恢复，同时由于不存在直流分量，在进行数据传输时，信号衰减较小，具有较好的抗干扰能力。下面介绍数据包格式的各个组成部分。
前导码用于识别一个数据包的开始，总线接收逻辑开始工作后，会默认进入搜索前导码的状态，一旦识别到前导码，接收逻辑认为总线上有一个数据包正在发送，开始进入数据包接收状态。
标识符定义了数据的类型，每一种数据类型使用一个唯一的标识符，接收逻辑依据标识符，把接收的数据存入不同的地址空间。标识符的长度固定为16bit。
长度域定义了数据域中含有的16bit数据字的个数，接收逻辑在接收时，依据长度域的数值来判断数据域的长度，这样逻辑就可以识别出数据域、CRC校验域。长度域的长度固定为16bit。
CRC校验域包含数据包的CRC校验码，CRC计算的内容依次是标识符、长度域和数据域。CRC校验使用的生成多项式如下：
CRC16＝X16+X12+X5+1(CRC-CCITT)
后导码用于表示一个数据包的结束，接收逻辑在接收过程一旦识别到后导码，则认为数据包已经接收完毕。
本发明所提出的总线协议链路层在实现时分为发送功能设计和接收功能设计。
如图4所示，发送功能实现框图主要由数据管理模块、CRC校验器、发送缓存区、码型生成器组成。发送过程包括以下步骤：
1)数据管理模块负责管理航空设备采集的各种数据。这些数据按照标识符、长度域和数据域的组成形式存储在特定的地址空间。当一个发送周期到来时，数据管理模块会从特定地址读取数据，然后把这些数据送入CRC校验器。
2)CRC校验器收到数据管理模块发来的数据后，会对这些数据进行CRC校验，并生成16位的CRC校验码，然后把生成的CRC校验码放入发送缓存区，并把需要发送的数据按照标识符、长度域、数据域的组成形式存入发送缓存区。
3)当发送命令到来后，码型生成器生成前导码、后导码，并从发送缓存区中分别读取标识符、长度域、数据域、CRC校验域，然后按照数据包格式，组成完整的数据包并向外输出，完成一次数据的发送。
如图5所示，接收功能实现框图主要由解码器、包数据分析器、数据缓存器组成。接收过程包括以下步骤：
1)接收逻辑开始工作后，解码器默认进入搜索前导码的状态，一旦识别到前导码，则解码器认为总线上有一个数据包正在发送，开始进入数据包接收状态。
2)在接收过程中，解码器每识别16bit数据，就把数据写入包数据分析器，由包数据分析器进行数据的识别以及CRC校验。当解码器识别后导码后，解码器认为数据包接收结束。
3)包数据分析器每接收到16bit数据，即对数据进行CRC校验，并对数据的类型进行识别，依据识别出的数据类型，把数据写入缓存区的相应地址。当包数据分析器接收到数据包的所有内容，并识别出标识符、长度域、数据域后，包数据分析器此时完成CRC校验，如果CRC校验通过，则包数据分析器把标识符、长度域、数据域写入数据缓存器，完成一次数据的接收。如果CRC校验不通过，则接收的数据包无效，包数据分析器等待接收下一包数据。
本发明提出了一种航空设备间数据发送电路和接收电路，该方法设计了一套总线协议，在协议的物理层引入隔离设计，解决了航空设备间数据传输过程中的共模干扰问题，同时在协议的链路层采用包格式进行传输，并使用CRC校验，保证了数据的高可靠、高安全的传输，本发明提出的总线协议逻辑实现简单，节省了开发过程中的人力物力，并降低了系统的开发验证成本。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种航空设备间数据发送电路，其特征在于，所述电路包括电平转换电路(1)、隔离电路(2)、阻抗匹配电路(3)，其中：
所述电平转换电路(1)的一端与FPGA连接，另一端与隔离电路(2)连接，用于接收FPGA发送的总线逻辑信号，并将所述总线逻辑信号转换为标准电平信号；
隔离电路(2)的一端与电平转换电路(1)连接，另一端与阻抗匹配电路(3)，用于将所述标准电平信号与所述阻抗匹配电路(3)输出的线缆总线信号隔离；
阻抗匹配电路(3)的一端与隔离电路(2)连接，另一端与外部航空设备连接，用于输出线缆总线信号，并实现所述航空设备间数据发送电路的阻抗匹配；
所述隔离电路(2)包括变压器(21)、共模电感(22)和中心抽头电容(23)，其中：
变压器(21)的输入端与电平转换电路(1)连接，变压器(21)的输出端与共模电感(22)输入端连接，用于实现所述标准电平信号与所述线缆总线信号的隔离；
共模电感(22)的输入端与变压器(21)连接，共模电感(22)的输出端与阻抗匹配电路(3)连接，用于滤除变压器(21)输出的所述线缆总线信号上的共模高频噪声；
中心抽头电容(23)与变压器(21)输入端的中心抽头连接，用于在变压器(21)的输入端为所述共模高频噪声提供一个泄放通路，并为从变压器(21)的输出端耦合过来的雷电信号提供一个泄放通路，中心抽头电容(23)为0.022uF；
所述阻抗匹配电路(3)包括第一电阻(31)、第二电阻(32)和电容(33)，其中：
第一电阻(31)的一端和第二电阻(32)的一端分别与共模电感(22)的输出端串联；
电容(33)的一端与第一电阻(31)连接，另一端与第二电阻(32)连接；
第一电阻(31)的另一端和第二电阻(32)的另一端分别与外部线缆连接，以实现阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电平转换电路(1)包括总线收发器。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第一电阻(31)的阻值和第二电阻(32)的阻值均为49.9欧姆。
4.一种航空设备间数据接收电路，其特征在于，所述电路包括电平转换电路(4)、隔离电路(5)、阻抗匹配电路(6)，其中：
所述电平转换电路(4)的一端与FPGA连接，另一端与隔离电路(5)连接，用于接收标准电平信号，并将所述标准电平信号转换为FPGA可识别的总线逻辑信号；
隔离电路(5)的一端与电平转换电路(4)连接，另一端与阻抗匹配电路(6)，用于将所述阻抗匹配电路(6)输入的线缆总线信号与所述标准电平信号隔离；
阻抗匹配电路(6)的一端与隔离电路(5)连接，另一端与外部航空设备连接，用于接收线缆总线信号，并实现所述航空设备间数据接收电路的阻抗匹配；
所述隔离电路(5)包括变压器(51)、共模电感(52)和中心抽头电容(53)，其中：
变压器(51)的输出端与电平转换电路(4)连接，变压器(51)的输入端与共模电感(52)输出端连接，用于实现所述线缆总线信号与所述标准电平信号的隔离；
共模电感(52)的输出端与变压器(51)连接，共模电感(52)的输入端与阻抗匹配电路(6)连接，用于滤除阻抗匹配电路(6)输出的所述线缆总线信号上的共模高频噪声；
中心抽头电容(53)与变压器(51)输出端的中心抽头连接，用于在变压器(51)的输出端为所述共模高频噪声提供一个泄放通路，并为从变压器(51)的输入端耦合过来的雷电信号提供一个泄放通路；中心抽头电容(53)为0.022uF；
所述阻抗匹配电路(6)包括第三电阻(61)、第四电阻(62)，其中：
第三电阻(61)的一端和第四电阻(62)的一端串联；
第三电阻(61)的另一端和第四电阻(62)的另一端分别与外部线缆连接，以实现阻抗匹配。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电平转换电路(4)包括总线收发器。
6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，第三电阻(61)的阻值和第四电阻(62)的阻值均为49.9欧姆。
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