Мезонинный модуль ввода-вывода сигналов по стандартам ARINC 429 и ARINC 825

Полезная модель относится к области испытательного оборудования техники и предназначена для приема и выдачи двух типов дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825.
При разработке и испытаниях самолётного оборудования на комплексах полунатурного моделирования возникает необходимость интеграции данных с широкой номенклатурой авиационных интерфейсов, состав и количество авиационных интерфейсов может меняться, соответственно, требуется многоуровневая система, в которой физические интерфейсы выполнены в виде мезонинов с внешними выводами, а вычислительный модуль имеет унифицированный способ их подключения.
Предлагаемая полезная модель позволяет принимать и выдавать дифференциальные сигналы по стандартам ARINC 429 и ARINC 825 (CAN) путем установки данного устройства на вычислительный модуль типа Raspberry Pi или на аналогичные ему вычислительные модули по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов в режиме Slave (режим ведомого), и в режиме Master (режим ведущего). В режиме Master предлагаемая полезная модель может управлять другим устройством или работать без вычислительного модуля, при таком режиме достаточно подать напряжение питания и подключить внешнее оборудование. Однако такой режим работы менее функционален и может применяться для решения узкоспециализированных задач в отдельных случаях.
Из уровня техники известен аналог - мезонинный модуль цифровых интерфейсов ARINC429, MIL1553, CAN-PMC фирмы «Научно-конструкторское бюро вычислительных систем» (АО НКБ ВС) (http://www.nkbvs.ru). Устройство конструктивно выполнено в виде мезонина типа PMC (PCI Mezzanine Card) для платы носителя модуля с форм-фактором (типоразмером) 3U. Управление и обмен данными осуществляется по системной шине PCI 2.1 через соединители PMC. Для реализации основных функций используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) FPGA (Field-Programmable Gate Array). Также аналог содержит передатчик интерфейса ARINC 429, приёмник интерфейса ARINC 429, приёмопередатчик интерфейса ARINC 825 (CAN), интерфейсный разъём для приёма и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825, разъём JTAG.
К недостаткам указанного устройства можно отнести:
невозможность установки на вычислительный модуль типа Raspberry Pi и его аналог ввиду несовместимости соединителей, поскольку в аналоге используются соединители PMC в соответствии со стандартами VITA (64 контакта), а в модуле Raspberry Pi - штыревые соединители серии PLD (40 контактов). Помимо этого,  невозможность установки на вычислительный модуль типа Raspberry Pi обусловлено тем, что в аналоге используется интерфейсная шина PCI 2.1, отличная от интерфейсных шин вычислительного модуля Raspberry Pi (SPI, I2C, UART).
модуль работает только совместно с модулем носителем, при этом аналог не может функционировать как самостоятельное изделие;
подключение соединителей PMC (содержащих большое число контактов) и реализация более ресурсоемкой шины PCI 2.1 в аналоге требует применения ПЛИС в корпусе BGA, что приводит к усложнению и удорожанию печатной платы т.к. это увеличивает количество слоёв, повышает класс точности, усложняет контроль качества пайки, а также ухудшает ремонтопригодность.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании мезонинного модуля, способного работать с дифференциальными сигналами ARINC 429 и ARINC 825 под управлением вычислительного модуля типа Raspberry Pi или аналогичного ему, в режимах Slave (ведомого), Master (ведущего) и без вычислительного модуля для решения задач, возникающих при разработке и проведении испытаний самолётных систем на комплексах полунатурного моделирования.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей в части обеспечения взаимодействия с вычислительным модулем типа Raspberry Pi при реализации функционирования полезной модели в режимах Slave (ведомый) и Master (ведущий).
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемый мезонинный модуль ввода-вывода сигналов по стандартам ARINC 429 и ARINC 825 состоит из печатной платы, которая содержит интерфейсный разъём для приема и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825, разъём JTAG, приёмопередатчики интерфейса ARINC 825, приемник интерфейса ARINC 429, передатчики интерфейса ARINC 429, отличающийся тем, что содержит микроконтроллер, функционирующий в режимах Slave или Master, и разъём серии PBD для подключения вычислительного модуля, при этом упомянутый микроконтроллер соединен линией связи с разъёмом серии PBD для подключения вычислительного модуля, передатчиками интерфейса ARINC 429, приемником интерфейса ARINC 429, приёмопередатчиками ARINC 825, разъемом JTAG, при этом интерфейсный разъём для приема и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825 подключен к передатчикам интерфейса ARINC 429, приемнику интерфейса ARINC 429 и приёмопередатчикам интерфейса ARINC 825.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели печатная плата дополнительно содержит приемопередатчик интерфейса RS-232 и разъём интерфейса RS-232, последовательно связанные двусторонней линией связи с микроконтроллером, функционирующем в режимах Slave или Master.
Полезная модель поясняется следующим чертежами:
Фиг. - Структурная схема мезонинного модуля приёма и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825. На фигуре представлены:
1 - микроконтроллер (МК), функционирующий в режимах Slave или Master;
2 - передатчики интерфейса ARINC 429;
3 - приёмник интерфейса ARINC 429;
4 - приёмопередатчики интерфейса ARINC 825;
5 - приёмопередатчик интерфейса RS-232;
6 - разъём серии PBD для подключения вычислительного модуля;
7 - интерфейсный разъём для приёма и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825;
8 - разъём JTAG;
9 - разъём интерфейса RS-232.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
Мезонинный модуль ввода-вывода сигналов по стандартам ARINC 429 и ARINC 825 поддерживает два режима работы Master и Slave. Основным режимом работы мезонинного модуля является режим Slave, когда упомянутый модуль работает под управлением вычислительного модуля. Режим Master предусмотрен для узкоспециализированных задач. Режим работы определяется конфигурационной последовательностью, которая загружается в МК 1 через разъём JTAG 8 (фиг.).
Полезная модель разработана, содержит разъём серии PBD, что дает возможность подключения к вычислительным модулям типа Raspberry Pi, у которого имеется соединитель серии PLD (ответный разъем) с интерфейсом SPI и служебными сигналами, тип и расположение которых соответствует расположению сигналов и интерфейсов на разъеме расширения PLD-40 модуля Raspberry Pi.
В режиме Slave на МК 1 подается напряжение питания +5В и +3В с вычислительного модуля (на фигуре не показан) через разъём для подключения вычислительного модуля 6. После подачи питания на МК 1 вычислительный модуль направляет в МК 1 сигналы с запросом режима работы и устанавливает протокол обмена данными по последовательному периферийному интерфейсу SPI.
От самолётного оборудования на интерфейсный разъём для приёма и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825 7 подаются сигналы ARINC 429 и ARINC 825.
Приём дифференциальных входных сигналов ARINC 429 реализуется в приёмнике интерфейса ARINC 429 3, который может быть реализован на базе микросхемы HI-8444PSI. Приёмник интерфейса ARINC 429 3 преобразует входные двухполярные дифференциальные сигналы в однополярные сигналы для дальнейшей обработки в МК 1.
Выдача дифференциальных выходных сигналов ARINC 429 реализуется в передатчиках интерфейса ARINC 429 2. В качестве таких передатчиков могут быть использованы микросхемы HI-8596PSI. Преобразованные при помощи передатчиков интерфейса ARINC 429 однополярные сигналы от МК 1 в двухполярные дифференциальные сигналы ARINC 429 поступают на внешнее самолётное оборудование через интерфейсный разъём для приёма и выдачи дифференциальных сигналов ARINC 429 и ARINC 825 7.
Прием и выдача дифференциальных сигналов ARINC 825 реализуется в приёмопередатчике интерфейса ARINC 825 4, который, в данном примере, реализован на базе микросхем К5559ИН14ASI, преобразующих входные дифференциальные сигналы для дальнейшей обработки их в МК 1 и преобразующих входной однополярный сигнал от МК 1 в дифференциальный сигнал для дальнейшей выдачи через интерфейсный разъём 7.
Прием и выдача последовательного кода RS-232 реализуется в приемопередатчике интерфейса RS-232 5, который в данном примере реализован на базе микросхемы ILX232, преобразующей принятый двухполярный последовательный код через разъём 9 в однополярный сигнал для дальнейшей передачи в МК 1 и преобразующей принятый однополярный сигнал от МК 1 в двухполярный последовательный код для дальнейшей выдачи через разъём 9.
В режиме Master полезная модель может работать без вычислительного модуля и выполнять функции управления. Возможность реализации такого режима обусловлена тем, что в основе предлагаемой полезной модели лежит 32-х разрядный МК 1 фирмы «Миландр» MDR32F1QI (K1986BE1QI), что обеспечивает вариантность функционирования изделия в зависимости от запрограммированного кода конфигурации (встроенного программного обеспечения), с учетом аппаратных возможностей полезной модели. Программирование осуществляется с помощью JTAG-интерфейса. На разъём JTAG 9 с помощью ПК (на рисунке не показан) в МК 1 загружается код конфигурации, позволяющий в данной реализации осуществлять обработку дифференциальных сигналов и принимать, передавать их через разъём 7.