摘要：介紹了一種基于ARM微處理器的ARINC429航空總線通訊卡的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)兩發(fā)四收的信息控制。該設(shè)計(jì)以LPC3250作為嵌入式微處理器，采用DEI106/BD429芯片組構(gòu)建ARINC429總線通訊系統(tǒng)，為航空電子系統(tǒng)提供了高效可靠的通信平臺(tái)。

ARINC429總線廣泛用于航空電子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間大量數(shù)據(jù)信息的傳輸。傳統(tǒng)的ARINC429通訊卡依賴通信平臺(tái)處理機(jī)來完成控制與處理工作，增加了平臺(tái)處理機(jī)的負(fù)擔(dān)，降低了數(shù)據(jù)傳輸速率，系統(tǒng)可靠性及效率不高。為了解決這一工程難題，本文做了深入研究，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，致力于設(shè)計(jì)一種新的通訊卡，提高通信板卡智能化水平，減輕系統(tǒng)通訊負(fù)擔(dān)，降低協(xié)議通信的控制難度，為航空電子系統(tǒng)構(gòu)筑一個(gè)可靠高效的ARINC429總線通信平臺(tái)。

1 ARINC429通訊卡設(shè)計(jì)

通訊卡主要完成以下任務(wù)：完成兩路ARINC429接收數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換;實(shí)現(xiàn)兩路ARINC429發(fā)送數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換;支持中斷方式、查詢方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

根據(jù)通訊卡所要完成的功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前常用的ARINC429收發(fā)器主要有DEI1016/BD429和HS3282/3182兩種芯片組，本次設(shè)計(jì)采用DEI1016/BD429構(gòu)建ARINC429總線通訊系統(tǒng)。DEI1016是美國(guó)DDC公司生產(chǎn)的ARINC429總線接口芯片，提供有標(biāo)準(zhǔn)航空串行數(shù)據(jù)和16bit寬數(shù)據(jù)總線接口。

DEI1016在發(fā)送時(shí)按協(xié)議完成發(fā)送數(shù)據(jù)的并-串轉(zhuǎn)換并發(fā)送;接收時(shí)完成電平轉(zhuǎn)換并按協(xié)議完成接收數(shù)據(jù)的串-并轉(zhuǎn)換;在初始化時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式、波特率、奇偶校驗(yàn)等設(shè)置。一塊DEI1016芯片可實(shí)現(xiàn)一路ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送及兩路ARINC429數(shù)據(jù)接收功能。

1.1 DEI1016的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

DEI1016的發(fā)送器電路包括一個(gè)發(fā)送緩存器和一個(gè)控制邏輯。發(fā)送緩存器是一個(gè)8*32 bit的FIFO，數(shù)據(jù)的載入由LD1和LD2兩個(gè)信號(hào)控制。LD1有效時(shí)載入第一個(gè)16位，LD2有效時(shí)載入第二個(gè)16位，而且在每個(gè)數(shù)據(jù)字載入過程中LD1必須在LD2之前到來。另外，數(shù)據(jù)載入時(shí)發(fā)送器是處于禁止?fàn)顟B(tài)的。而控制邏輯則允許ARM微處理器給發(fā)送器寫數(shù)據(jù)塊，并通過ARM微處理器使能發(fā)送器，即置ENTX信號(hào)有效來使該數(shù)據(jù)塊自動(dòng)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)在TTL電平格式下，經(jīng)過BD429電平轉(zhuǎn)換然后發(fā)送出去。值得注意的是每8個(gè)數(shù)據(jù)字間的發(fā)送并不是連續(xù)的，而是具有由DEI1016自動(dòng)產(chǎn)生的4個(gè)字時(shí)鐘間隔時(shí)間。

ARINC429信號(hào)的接收通過接收字間隔時(shí)序電路采樣產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)字。接收采樣頻率是正常數(shù)據(jù)速率的10倍，以保證不會(huì)出現(xiàn)含混的數(shù)據(jù)字。采樣得到的數(shù)據(jù)被存進(jìn)一個(gè)32位的移位寄存器中，并由控制寄存器內(nèi)容決定是否接收該字。數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度由控制寄存器的“WLSEL”確定。保持寄存器中的數(shù)據(jù)以2個(gè)16位字的形式放在數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)讀出，以避免新的數(shù)據(jù)將原來的數(shù)據(jù)覆蓋。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先將接收選擇線SEL拉低，且使能OE讀出低字，再將SEL拉高并使能OE時(shí)讀取高字。

1.2 DEI1016/BD429外圍電路設(shè)計(jì)

BD429芯片為ARINC429的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，與DEI1016配套使用。發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的作用是將ARINC429協(xié)議芯片送出的TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換為符合ARINC429協(xié)議信號(hào)電平要求的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。設(shè)計(jì)應(yīng)用電路如圖2所示。

該應(yīng)用電路中的兩個(gè)68 pF的電容很重要，會(huì)影響到ARINC429信號(hào)上升和下降的斜率，容值過大會(huì)使斜率變小，反之容值過小會(huì)使斜率變大。

在設(shè)計(jì)中采用DEI1016輸出的429信號(hào)作為其輸入信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)速率通DEI1016確定，而不采用SYNC、CLOCK和DATA信號(hào)相與的方法調(diào)整，因此直接把SYNC和CLOCK信號(hào)拉高。1MCK由16M晶振經(jīng)CPLD分頻給出，在CPLD邏輯中分頻系數(shù)可調(diào)，因而數(shù)據(jù)速率在12.5～100k之間可調(diào)。SEL信號(hào)直接連至微處理器的最低地址位A0，由地址的變化控制數(shù)據(jù)讀取時(shí)的高低16位選擇。MR信號(hào)控制由阻容復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)。其余發(fā)送與接收控制信號(hào)如OE、LD等均與CPLD相連，由CPLD譯碼控制。

2 DEI1016/BD429與CPLD的接口設(shè)計(jì)

2.1 DEI1016/BD429與CPLD的接口電路設(shè)計(jì)

為了靈活實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，采用一片CPLD芯片進(jìn)行控制。在CPLD邏輯中應(yīng)實(shí)現(xiàn)地址譯碼和時(shí)鐘分頻功能，完成對(duì)某路發(fā)送或接收及ARINC429協(xié)議時(shí)鐘的設(shè)定;通過設(shè)置ARINC429協(xié)議控制字進(jìn)行自檢;對(duì)中斷屏蔽或使能等。CPLD器件采用ALTERA公司的EPM3064A實(shí)現(xiàn)，該芯片具有3.3VI/O特性，可容忍5V，適合應(yīng)用于5V、3.3V多電壓應(yīng)用的場(chǎng)合。由于LPC3250為3.3 V I/O特性，而所選用的ARINC 429接口芯片DEI1016為單一5 V供電，所以需要對(duì)微處理器與ARINC429數(shù)據(jù)和地址總線進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。這里選用四片SN74LVC4245DBL驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)16 bit數(shù)據(jù)總線和地址總線的電壓轉(zhuǎn)換。由于地址總線是單向的，即只能由處理器到ARINC429接口芯片，故負(fù)責(zé)地址總線電壓轉(zhuǎn)換的兩片SN74LVC4245-DBL芯片DIR引腳可以接死;而負(fù)責(zé)雙向數(shù)據(jù)總線電壓轉(zhuǎn)換的兩片SN74LVC4245-DBL芯片DIR腳則需要通過CPLD進(jìn)行邏輯控制。

2.2 DEI1016/BD429與CPLD的接口邏輯設(shè)計(jì)

ARINC429通訊卡片選由LPC3250的CS1和地址BA11～BA4共同控制，即當(dāng)CS1有效且BA(11 to 4)=“00000000”時(shí)選通，全譯碼，地址空間為E100 0000-E100000F

1)數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯設(shè)計(jì)

DEI1016是16位數(shù)據(jù)線，所以32位數(shù)據(jù)字必須分成兩個(gè)16位寫入，而控制字只需一次寫入即可。以下VHDL代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)429數(shù)據(jù)發(fā)送的控制：

LD_1(0)<=‘0’WHEN WR=‘0’AND A=X“4”ELSE‘1’;--第1片429發(fā)送低字

LD_1(1)<=‘0’WHEN WR=‘0’AND A=X“5”ELSE‘1’;--第1片429發(fā)送高字

LDCW_1<=‘0’WHEN WR=‘0’AND A=X“6”ELSE‘1’;--裝載控制字

ENTX_1<=‘0’WHEN WR=‘0’AND (A=X“0”O(jiān)R A=X“1”)ELSE‘1’;--置使能發(fā)送有效

2)數(shù)據(jù)接收邏輯設(shè)計(jì)

本通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩發(fā)四收，4個(gè)接收通道接收到的數(shù)據(jù)放在各自獨(dú)立的FIFO中。數(shù)據(jù)接收采用中斷-查詢方式實(shí)現(xiàn)，即由接口芯片DEI1016的DR信號(hào)有效產(chǎn)生中斷，通知處理器有新的有效數(shù)據(jù)到達(dá)。由于四路接收通道共用一個(gè)中斷，所以必須在CPLD邏輯中實(shí)現(xiàn)中斷屏蔽，并在中斷有效時(shí)可查詢是哪一路接收通道引發(fā)的中斷，對(duì)于中斷的處理邏輯為

INT<=RDY_429_1(0)AND RDY_429_1(1)AND RDY_429_2(0)AND RDY_429_2(1);--中斷信號(hào)處理

以上邏輯表明，4個(gè)接收通道中任一路有數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)引發(fā)中斷，此時(shí)查詢數(shù)據(jù)線，即可得出是哪一路接收引發(fā)的中斷。

3 ARM固件程序設(shè)計(jì)

同件程序擔(dān)任著通訊系統(tǒng)最基礎(chǔ)最底層的工作，是硬件設(shè)備的靈魂，且由于硬件設(shè)備除了固件以外沒有其它軟件組成，所以固件也就決定著硬件設(shè)備的功能及性能。本系統(tǒng)中ARM固件中斷源為一個(gè)六位的寄存器，高位到低位分別標(biāo)志：第一路發(fā)送、第二路發(fā)送、第一片兩路接收、第二片兩路接收路接收。

在本系統(tǒng)中，ARM固件程序需循環(huán)裝載控制字，然后檢查中斷控制寄存器(PORT_CPLD_INT_SOURCE)的值，根據(jù)該值做具體的發(fā)送和接收操作。中斷控制寄存器的取值及其對(duì)應(yīng)的操作在表1中給出。

根據(jù)以上的分析闡述，給出程序的偽代碼如圖3所示。

4 結(jié)束語

ARINC429是航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的通信標(biāo)準(zhǔn)，而ARM微處理器在目前的測(cè)控領(lǐng)域也占有相當(dāng)重要的位置，因此基于ARM微處理器的ARINC429通信系統(tǒng)無疑有著很好的適用范圍和實(shí)用意義。同時(shí)，上述設(shè)計(jì)的接口通信板在多個(gè)不同的航空電子系統(tǒng)中成功的應(yīng)用，證明了其正確性和高效性。