一種智能化ARINC429通訊卡設(shè)計與實現(xiàn)

陳 磊，苗克堅，王毅航

（西北工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072）

一種智能化ARINC429通訊卡設(shè)計與實現(xiàn)

陳 磊，苗克堅，王毅航

（西北工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072）

介紹了一種基于ARM微處理器的ARINC429航空總線通訊卡的設(shè)計方法，以實現(xiàn)兩發(fā)四收的信息控制。該設(shè)計以LPC3250作為嵌入式微處理器，采用DEI1016/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。

ARM; ARINC429; LPC3250; DEI1016/BD429

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[1]。傳統(tǒng)的ARINC429通訊卡依賴通信平臺處理機(jī)來完成控制與處理工作[2-3]，增加了平臺處理機(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[4-5]，致力于設(shè)計一種新的通訊卡，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)筑一個可靠高效的ARINC429總線通信平臺。

1 ARINC429通訊卡設(shè)計

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)。

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)計采用DEI1016/BD429構(gòu)建ARINC429總線通訊系統(tǒng)。DEI1016是美國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16 bit寬數(shù)據(jù)總線接口。

DEI1016在發(fā)送時按協(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；在初始化時進(jìn)行數(shù)據(jù)格式、波特率、奇偶校驗等設(shè)置。一塊DEI1016芯片可實現(xiàn)一路ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送及兩路ARINC429數(shù)據(jù)接收功能。

圖1 通訊卡整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the communication card

1.1 DEI1016的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

DEI1016的發(fā)送器電路包括一個發(fā)送緩存器和一個控制邏輯。發(fā)送緩存器是一個8*32 bit的FIFO，數(shù)據(jù)的載入由LD1和LD2 兩個信號控制。LD1有效時載入第一個16位，LD2有效時載入第二個16位，而且在每個數(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信號有效來使該數(shù)據(jù)塊自動發(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自動產(chǎn)生的4個字時鐘間隔時間。

ARINC429信號的接收通過接收字間隔時序電路采樣產(chǎn)生一個數(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16位字的形式放在數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)應(yīng)及時讀出，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，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時讀取高字。

1.2 DEI1016/BD429外圍電路設(shè)計

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

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

圖2 DEI1016/BD429芯片組應(yīng)用電路Fig. 2 Application circuit of DEI1016/BD429 chipset

在設(shè)計中采用DEI1016輸出的429信號作為其輸入信號,輸出數(shù)據(jù)速率通DEI1016確定,而不采用SYNC、CLOCK和DATA信號相與的方法調(diào)整,因此直接把SYNC和CLOCK信號拉高。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)讀取時的高低16位選擇。MR信號控制由阻容復(fù)位電路實現(xiàn)。其余發(fā)送與接收控制信號如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

2.1 DEI1016/BD429與CPLD的接口電路設(shè)計

為了靈活實現(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)實現(xiàn)地址譯碼和時鐘分頻功能，完成對某路發(fā)送或接收及ARINC429協(xié)議時鐘的設(shè)定；通過設(shè)置ARINC429協(xié)議控制字進(jìn)行自檢；對中斷屏蔽或使能等。CPLD器件采用ALTERA公司的EPM3064A實現(xiàn)，該芯片具有3.3 V I/O特性，可容忍5 V，適合應(yīng)用于5 V、3.3 V多電壓應(yīng)用的場合。由于LPC3250為3.3 V I/O特性，而所選用的ARINC429接口芯片DEI1016為單一5 V供電，所以需要對微處理器與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)動器來實現(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。

慢病毒介導(dǎo)的三種神經(jīng)元譜系相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子腦內(nèi)轉(zhuǎn)移治療帕金森病的實驗研究 ……………………………………………………………… 陳品，于波，羅雨，等 215

2.2 DEI1016/BD429與CPLD的接口邏輯設(shè)計

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”時選通，全譯碼，地址空間為E100 0000-E100 000F

1）數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯設(shè)計

DEI1016是16位數(shù)據(jù)線,所以32位數(shù)據(jù)字必須分成兩個16位寫入, 而控制字只需一次寫入即可。以下VHDL代碼實現(xiàn)了對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＂ OR 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

本通信系統(tǒng)實現(xiàn)兩發(fā)四收，4個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—查詢方式實現(xiàn)，即由接口芯片DEI1016的DR信號有效產(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中斷，所以必須在CPLD邏輯中實現(xiàn)中斷屏蔽，并在中斷有效時可查詢是哪一路接收通道引發(fā)的中斷，對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);--中斷信號處理

以上邏輯表明，4個接收通道中任一路有數(shù)據(jù)時都會引發(fā)中斷，此時查詢數(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

固件程序擔(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應(yīng)的操作在表1中給出。

表1 中斷控制寄存器值及其對應(yīng)的操作Tab.1 Interrupt control register value and its corresponding action

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用意義。同時，上述設(shè)計的接口通信板在多個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。

圖3 ARM固件核心程序偽代碼Fig. 3 Pseudo code of the ARM firmware kernel

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Design and implementation of ARINC429 card based on LPC3250

CHEN Lei, MIAO Ke-jian, WANG Yi-hang
（College of Computer Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China）

A method of ARINC 429 aero bus communication card based on ARM is introduced, in order to meet the information control of 2-Transmitter and 4-Receiver.The LPC3250 is used as embedded microprocessor in this design,at the same time DEI1016 and BD429 are used to construct an ARINC429 communication system which provides a communication platform with high efficiency and reliable to the avionics system.

ARM; ARINC429; LPC3250; DEI1016/BD429

TN918

A

1674-6236(2014)03-0171-03

2013–06–13 稿件編號：201306082

陳 磊(1986—)，女，安徽淮北人，碩士研究生。研究方向：計算機(jī)測控與嵌入式計算。