Интерфейс ARINC429 является общепринятым стандартом передачи данных в сетевом авиационном оборудовании. Ни одна сеть не обходится без преобразователей физического уровня, в качестве которых используются шинные приемники и передатчики. Эти и некоторые другие высоконадежные изделия предлагает компания Device Engineering Incorporated (США), продукции которой и посвящена эта статья.
ВВЕДЕНИЕ
На рынке электронных компонентов присутствуют как крупные компании с широким ассортиментом продукции для различных сфер применения, так и небольшие, ориентированные на выпуск и поддержку определенного класса устройств. Device Engineering Incorporated (DEI) является достаточно узкоспециализированной компанией, деятельность которой направлена преимущественно на рынок авиационной электроники. Интегральные схемы для организации ARINC 429 и других авиационных коммуникационных интерфейсов составляют основную группу её продукции. Наряду с этим доступны аналого-цифровые компоненты общего назначения, позиционируемые для применения в военном и авиационном оборудовании, в частности преобразователи дискретных сигналов в цифровые, ИС управления питанием, LED драйверы и т.д. Номенклатура предлагаемой продукции не отличается большим числом наименований, но в то же время, выгодно характеризуется широким диапазоном рабочих напряжений, отличной помехозащищенностью и применением современных технологий изготовления. Еще одним немаловажным направлением работы является изготовление заказных интегральных схем и модулей по требованиям заказчиков для военных, авиационных и коммерческих применений с применением технологий КМОП, биполярной и совмещенной BiCMOS.
Прежде чем начать рассмотрение основной линейки продукции DEI, рассмотрим подробнее интерфейс ARINC 429 [1]. ARINC 429 (ГОСТ 18977-79) - стандарт авиационной промышленности, определяющий способы передачи цифровой информации между электронными авиационными системами. Этот стандарт, разработанный компанией ARINC, в настоящее время широко применяется в системах управления и навигации, приборах контроля, системах связи и обеспечения безопасности полетов. На бортах гражданских и военных летательных аппаратов до 75 % цифрового межсистемного обмена информацией приходится на каналы интерфейса ARINC 429, т.е. данный интерфейс является доминирующей авиационной шиной для большинства хорошо оснащенных самолётов.
Стандарт описывает основные функции и необходимые физические и электрические параметры для цифровой информационной системы самолета. Он определяет формат информационного слова, уровни напряжений, временные характеристики сигналов, протокол передачи данных и т.д. Форма сигнала по ARINC 429 дифференциальная двухполярная, логический уровень определяется как разница напряжений между двумя линиями передачи, в качестве физической среды распространения сигналов используются экранированные витые пары. Максимальная длина линии связи не стандартизирована, т.к. во многом зависит от количества устройств в сети. Обычно она не превышает 50 метров, но может быть увеличена до 100 и более метров при соблюдении определенных условий. Экран кабеля должен быть заземлен в каждом конечном узле сети.
Стандарт ARINC 429 предназначен для симплексной (односторонней) связи, для организации двунаправленного обмена информацией необходимо два физически разделенных канала для передачи и приёма. Сообщения транслируются на одной из двух скоростей: 12,5 или 100 кбит/с. Передатчик всегда активен, он выдаёт либо 32-битовые слова данных или «пустой» уровень. На шине допускается не более 20 приёмников, при этом передатчик должен быть один. Формат данных – биполярный, с возвратом к нулю (RZ - Return-to-Zero), как показано на рис. 1. У передатчика уровень логической единицы на шине данных соответствует повышению напряжения с 0 до +10 В в течение первой половины бита и снижением до 0 во второй. Логический ноль, наоборот, получается уменьшением напряжения линии до -10 В, а затем восстановлением его до нулевого значения. Таким образом, передача каждого бита заканчивается установкой нулевого напряжения, в результате передаваемый код получается самосинхронизирующимся (не требующим внешней синхронизации).
МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ШИННОГО ИНТЕРФЕЙСА ARINC 429
Компания DEI разработала полную линейку высокоэффективных ИС, необходимых для передачи данных по шине интерфейса ARINC 429. Применение данного семейства, включающего в себя приемники, передатчики (драйверы линии) и трансиверы, обеспечивает полное соответствие требованиям стандарта ARINC 429.
Шинные передатчики ARINC 429
Линейка шинных передатчиков ARINC 429, включающая в себя 43 модели (таблица 1), предназначена для преобразования входных сигналов уровня ТТЛ или КМОП в дифференциальную форму. На выходе микросхем формируются 3 уровня сигнала в соответствии со спецификацией системы ARINC 429: "1" (+10 В), "0" (-10 В) и "null" (0 В). Монолитные интегральные схемы, изготавливаемые преимущественно по технологии BiCMOS, также подходят для использования в подобных авиационных интерфейсах, таких как ARINC 571 и ARINC 575. Помимо этого, некоторые представители линейки отличаются поддержкой стандарта RS-422. Микросхемы поставляются в керамических и пластиковых корпусах для поверхностного монтажа либо монтажа в отверстия. Для обеспечения высокого уровня надежности выпускаемые изделия подвергаются 100% выходному контролю. Для питания большинства схем необходим источник с рабочим напряжением от ±9,5 до ±16,5 В.
Для примера рассмотрим внутреннюю структуру и принцип работы передатчика BD429, отличающегося наличием интерфейса RS-422 (рис. 2). Выбор режима работы у данной ИС осуществляется установкой определенного логического уровня на выводе 429/422 [2]. По умолчанию передатчик при помощи встроенного подтягивающего к +5 В резистора настроен на работу с сигналами интерфейса ARINC 429. Переход к режиму RS-422 осуществляется установкой на выводе логического нуля.
Функционально микросхема состоит из блока входной управляющей логики, схемы сдвига уровня и формирования длительности импульсов, блока опорного тока и выходных усилителей. Входные импульсы с логическими КМОП или ТТЛ уровнями поступают на блок управляющей логики. Два логических входа SYNC и CLOCK разрешают/запрещают активность на линиях данных. Далее, в схеме сдвига уровня формируются импульсы с амплитудой, соответствующей опорному напряжению, приходящему на вывод VREF. Формирование же фронтов сигналов, соответствующих стандарту ARINС 429, осуществляется в блоке формирования длительности импульсов. Опорный ток, необходимый для получения требуемой длительности импульса, поступает из блока опорного тока. Усиление сигнала осуществляется при помощи двух выходных усилителей. Дифференциальные выходы микросхемы независимо программируются на скорость передачи данных до 100 кбит/с путем использования двух внешних времязадающих емкостей Ca и Cb. Типовые значения конденсаторов: 75 пФ для скорости 100 кбит/с и 500 пФ для 12,5 кбит/с. Встроенные резисторы Rout1 и Rout2 с сопротивлением 37,5 Ом обеспечивают согласование импедансов микросхемы и используемой витой пары с типовым волновым сопротивлением 75 Ом. Выходы также снабжены предохранителями для защиты от коротких замыканий и гарантии длительной безотказной работы.
Микросхемы серии DEI107xA представляют собой усовершенствованные передатчики популярной линейки DEI107x [3]. Они выгодно отличаются меньшим энергопотреблением, превосходной стабильностью формы сигналов и повышенной устойчивостью к переходным процессам. Эти преимущества упрощают процесс проектирования высоконадежных устройств, предназначенных для работы в сложных электромагнитных условиях. В отличие от BD429 передатчики данной серии не требуют применения внешних конденсаторов, скорость обмена информацией регулируется при помощи входного логического сигнала HI/LO. Высокому логическому уровню на данном выводе соответствует скорость 100 кбит/с, низкому - 12,5 кбит/с. Компоненты полностью совместимы по выводам с популярными микросхемами HI8585 и HI8586 компании Holt. Выходное сопротивление в зависимости от конкретной модели линейки принимает значения 0, 10 или 37,5 Ом. При этом, в первых двух случаях с целью получения полного импеданса выхода в 37,5 Ом необходимо использовать внешние резисторы, являющиеся, кроме того, частью внешней цепи защиты от переходных процессов. Выходы с тремя состояниями, полезные в нестандартных сетях с несколькими драйверами линии, имеются у ИС DEI1073/4/5.
Новинки из серии DEI507x выпускаются в малогабаритных планарных корпусах и отличаются низким напряжением питания ±5 В [4]. Компоненты не требуют применения внешних времязадающих конденсаторов. Выходное сопротивление варьируется в зависимости от модели и составляет 7,5 Ом для драйвера линии DEI5070, 27,5 Ом для DEI5071 и 37,5 Ом для DEI5072. У двухканального передатчика DEI5270 у каждого канала существует возможность выбора между тремя этими сопротивлениями.
Защита от переходных процессов на примере устройств серии DEI107xA.
Переходные процессы и импульсные помехи, возникающие в авиационном оборудовании при грозовых разрядах, способствуют полному либо частичному выходу устройств из строя, а также приводят к искажению передаваемой информации. Поэтому при применении передатчиков DEI производителем настойчиво рекомендуется подключать внешние защитные компоненты (рис. 3). Согласно проводимым испытаниям, схема защиты, в общем случае состоящая из встроенных диодов, внешних TVS супрессоров и токоограничивающих резисторов, гарантирует полное соответствие требованиям стандарта DO-160D (раздел 22), описывающего способность устройств обеспечивать грозозащиту.
При напряжении питания ±15 В внутренние диоды без повреждения выдерживают импульсы тока с амплитудой ±0,5 A и длительностью 175 мкс. В этом случае напряжение ограничивается на уровне примерно 1 В выше (ниже) положительного (отрицательного) напряжения шины питания. При выбросах с параметрами, превышающими 1 A / 175 мкс, выходы уже могут быть повреждены, поэтому применяется внешняя цепь защиты, которая должна ограничивать импульсы на выводах OUTA/B на уровне не более 0,5 A / 175 мкс. Выбор номиналов и типов применяемых компонентов, изображенных на рис.3, сводится к следующим пунктам:
• Выбор номиналов резисторов.
Сопротивление выхода Rout: 0, 10 или 37,5 Ом в зависимости от конкретной модели DEI1070A - DEI1075A. Суммарное сопротивление Rout + R1 + R2 должно быть 37,5 Ом в соответствии с требованием шины ARINC:
1. Выбираем Rout = 0, R1 = 37,5 и R2 = 0 при использовании малогабаритных TVS диодов с низким номинальным током.
2. Выбираем R1 = 0, Rout + R2 = 37,5 при применении мощных TVS диодов с высоким значением напряжения ограничения.
• Выбор TVS супрессоров.
1. Супрессоры должны удовлетворять требованиям определенного приложения по мощности/току.
2. Для минимизации нагрузки линии необходимо использовать TVS устройства с низким значением собственной емкости (например, компоненты серий LC и HSMBJSA компании Microsemi). Это приоритетное требование для высокоскоростных ARINC применений, в которых малая емкость важна для получения оптимальной достоверности передачи сигналов и снижения потребления энергии. Отметим, что максимальная общая емкость ARINC шины не должна превышать 30нФ.
Для обратного преобразования сигналов шины ARINC 429 в стандартные сигналы ТТЛ/КМОП в радиоэлектронной аппаратуре специального назначения применяются шинные приемники. В состав любой микросхемы данной серии входят от одного (DEI1041) до восьми (DEI1048) независимых приемников, каждый из которых связан со своим каналом (таблица 2).
Питание большей части микросхем осуществляется от источников с рабочим напряжением 5 В ± 10% или 3,3 В ± 10%, при этом максимальный потребляемый ток не превышает значения 5 мА для одноканальной версии и 20 мА для восьмиканальной [5]. Приемники разработаны с учетом дальнейшей эксплуатации в условиях сложной электромагнитной обстановки. Все линии данных и тестовых сигналов обладают встроенной защитой от помех, вызванных переходными процессами, согласно стандарту DO-160D. Практически каждый приемник имеет свой аналог среди известных производителей, например ИС DEI1041 может выступать в качестве полноценной замены изделий HI-8588, HI-8588-10 компании Holt. Упрощенная схема с указанием основных функциональных блоков представлена на рис. 4.
Сигналы с каналов А и В шины ARINC поступают на входные резистивные цепи, обеспечивающие согласование приемника с волновыми сопротивлениями линий. Далее преобразованные сигналы поступают на компараторы, которые сравнивают текущие значения со стандартизованными уровнями ARINC 429, и вырабатывают дискретные сигналы состояния линии. Два тестовых входа TEST1 и TEST2 логически не связаны с выходами компараторов и принудительно устанавливают схему в одно из трех заданных состояний. Эта опция полезна для организации самотестирования системы, при этом сигналы на входных линиях игнорируются.
Приемопередатчики стандарта ARINC 429
Данные устройства необходимы для организации интерфейса связи между стандартной параллельной 16-разрядной шиной и последовательным каналом передачи данных ARINC. В общем случае микросхемы данного семейства применяются совместно с драйверами линий серий DEI107хA или DEI5х7х. Структурная схема включает в себя цепь передатчика, два одинаковых независимых приемника, блок контроля параллельной шины данных, FIFO буфер передатчика с размером 8*32бит и программируемый регистр контроля и управления режимами работы (рис.5). Входные цепи приемников преобразуют дифференциальные сигналы ARINC с размахом ±10В в 5В логические уровни. Они рассчитаны на максимальное входное напряжение до ±40В и обеспечивают подавление синфазной помехи [6].
Помимо основного протокола приемопередатчики компании DEI также поддерживают авиационные стандарты ARINC 571, 575 и 706. Для разработчиков доступен широкий спектр моделей преимущественно в низкопрофильных корпусах для поверхностного монтажа (таблица 3). Диапазон рабочих температур зависит от исполнения: от -55°C до +85°C для промышленного применения и от -55°C до +125°C для военного. Почти все компоненты повыводно совместимы с аналогичной продукцией от компаний Harris, Holt и Raytheon.
Микросхемы характеризуются малым током собственного потребления, для питания применяются источники с рабочим напряжением 3,3 или 5 В. При помощи записи специальных 16-битных команд в регистр контроля и управления можно сконфигурировать параметры различных узлов. Запись возможна при появлении низкого логического уровня на выводе LDCW. Так, программируется скорость передачи и приема данных для каждого из каналов (12,5 кбит/с или 100 кбит/с), устанавливаются разрядность данных (25 или 32 бита), контроль четности, включаются/отключаются блоки шифраторов/дешифраторов, запускается режим тестовых сигналов и т.д. В режиме самодиагностики данные вместо выхода передающего тракта поступают в цепи приемника.
ПРОЧИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Помимо основной обширной группы продукции компания DEI предлагает несколько серий сопутствующих компонентов, расширяющих функциональные возможности устройств авиационного назначения. Перечислим эти модели и кратко обозначим их основные особенности.
Управление питанием
В этом разделе стоит отметить DEI1028 - схему контроля напряжения на силовой шине 28 В [7]. Она спроектирована с целью защиты шины питания от переходных процессов (импульсов с амплитудой до 100 В и длительностью до 100 мс) и может применяться совместно с операционными усилителями, импульсными и линейными преобразователями напряжения. Отличается широким диапазоном входных напряжений, возможностью дистанционного отключения и плавного запуска, а также стабильностью характеристик во всем диапазоне рабочих температур. Функция программируемой блокировки при пониженном входном напряжении обеспечивает управление затвором силового p-канального полевого транзистора. Дополнительный выход с открытым коллектором может быть использован в качестве источника прерывания в микропроцессорных системах для сигнализации аварийного состояния.
Преобразователи дискретных сигналов в цифровые
Серия преобразователей типовой дискретной информации, часто встречаемой в авиационных системах, в цифровые сигналы уровней ТТЛ/КМОП представляет собой многоканальные устройства, выпускаемые в планарных 16- и 24-выводных корпусах типа SOIC. Микросхемы имеют от шести до восьми открытых/заземленных измерительных каналов, входные цепи состоят из диодного ключа и резисторов в последовательном и параллельном включении (рис. 6). Параллельный резистор соединяется либо с шиной питания, либо с общим выводом. Все ИС обеспечивают защиту от помех в линиях передачи при грозовых разрядах по стандарту DO-160C/D, вследствие чего могут использоваться для защиты цифровых цепей от быстрых переходных процессов в качестве альтернативы TVS супрессорам. Работа осуществляется от единого источника питания с напряжением +5 В, а многоканальная структура способствует сокращению требуемого пространства на печатной плате. Преобразователи имеют несколько диапазонов рабочих температур, в том числе и от -55°C до +125°C [8].
Основные характеристики преобразователей:
• Использование отдельных логических сигналов разрешения OE и CE;
• Тристабильные выходы;
• Наличие пороговой и гистерезисной схем для получения повышенной помехозащищенности;
• Технология изготовления - BiCMOS;
• Применение термоэлектротренировки для повышения надежности.
Управление освещением
Компания DEI выпускает две интегральные схемы DEI1090 и DEI1030, предназначенные для работы со светодиодами или другими источниками света. DEI1090 представляет собой LED драйвер, который может быть полезен при светодиодной замене ламп накаливания и ламп приборных панелей авиационного оборудования, а также при организации подсветки дисплеев и клавиатур. Для получения кривой освещенности, соответствующей характеристике ламп накаливания, ИС DEI1090 использует ШИМ регулировку яркости с частотой от 50 до 200 Гц. Средний ток, получаемый на всех восьми выводах подключения светодиодов, пропорционален квадрату входного напряжения и регулируется в пределах от 10 до 20 мА. Для управления дополнительными группами светодиодов LED драйверы могут использовать каскадное включение.
DEI1030 - универсальная схема управления и контроля шины питания ламп накаливания, выпускаемая в малогабаритном корпусе SOIC-8. Микросхема работает с входными напряжениями 5 В переменного тока и 5, 14 и 28 В постоянного тока, рабочие характеристики не зависят от изменения температур. На выходе ИС генерируется сигнал 0-5 В постоянного тока, который может быть использован для аналогового управления лампами накаливания или в качестве входного сигнала МК для получения ШИМ регулировки. Напряжение шины выбирается при помощи двух открытых/заземленных дискретных входов, разрешающих автоматическую адаптацию устройства под определенное системное напряжение. Все входы микросхемы защищены от грозовых разрядов согласно DO-160C/D (категория A3).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Высокопроизводительная серия шинных приемопередатчиков от компании DEI позволяет получить готовую реализацию авиационных систем межсетевого обмена информацией стандартов ARINC. Дополнительная группа ИС обеспечивает управление электропитанием и освещением, а также необходимое преобразование дискретных данных, что способствует расширению функциональных возможностей конечного устройства. Отличная стабильность рабочих характеристик, наличие встроенных схем защиты, использование современных материалов и технологий изготовления гарантируют высокое качество изделий. Все микросхемы сертифицированы на соответствие требованиям авиационных стандартов, а высокая надежность подтверждается многолетним опытом эксплуатации. Все это позволяет рекомендовать микросхемы DEI для своих применений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) ARINC 429. Specification Tutorial. // July 2001 ver. 1.1 // www.aim-online.com
2) BD429/BD429A/BD429B ARINC 429/RS-422 Line Driver Integrated Circuit. // Datasheet, March 2004 // www.deiaz.com.
3) DEI1070A-DEI1075A ARINC 429 Line Driver Family. // Datasheet, April 2012 // www.deiaz.com.
4) DEI5070, 5071, 5072, 5270 ARINC 429 ±5V Line Driver Family. // Datasheet, September 2011 // www.deiaz.com.
5) DEI1046, DEI1047, DEI1148 OCTAL ARINC 429 Line Receiver. // Datasheet, September 2013 // www.deiaz.com.
6) DEI1016/DEI1016A/DEI1016B ARINC 429 Transceiver Family. // Datasheet, December 2010 // www.deiaz.com.
7) DEI1028 Voltage Clamping Circuit. // Datasheet, December 2011 // www.deiaz.com.
8) DEI1026A Six Channel Discrete-to-Digital Interface Sensing Open/Ground Signals // Datasheet, November 2010 // www.deiaz.com.
