USB的便攜式ARINC429總線通信設(shè)備設(shè)計(jì)

摘要：基于Actel公司的ProASIC3系列FPGA和Silicon Labs公司的C8051F340單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種便攜式ARINC429總線通信設(shè)備，著重介紹了整體設(shè)計(jì)思想以及軟硬件設(shè)計(jì)方法。該設(shè)備具有性能可靠、攜帶方便、成本低廉等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于對各種以ARINC429總線作為通信方式的機(jī)載設(shè)備的通信測試及地面檢測維護(hù)。
關(guān)鍵詞：FPGA；USB；ARINC429；通信測試；C8051F340；ProASIC3

在航空電子綜合化系統(tǒng)中，快速、有效的數(shù)據(jù)傳輸對整個(gè)航空電子系統(tǒng)的性能有很大影響，因此數(shù)據(jù)總線被稱為現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的“骨架”。ARINC429是航空電子系統(tǒng)之間最常用的通信總線之一。要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)與機(jī)載設(shè)備的ARINC429總線數(shù)據(jù)通信，必須實(shí)現(xiàn)429總線與計(jì)算機(jī)總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計(jì)了基于USB總線的便攜式ARINC429總線通信設(shè)備，并通過實(shí)際運(yùn)行測試，對該設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)功能分析
該系統(tǒng)主要分為3大功能單元：中央控制單元、429數(shù)據(jù)收發(fā)單元、429電平轉(zhuǎn)換單元。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。中央控制單元與PC機(jī)進(jìn)行USB通信，將USB總線轉(zhuǎn)換為自定義總線，并根據(jù)PC機(jī)發(fā)來的任務(wù)指 令，通過自定義總線(數(shù)據(jù)線、地址線、控制線)控制429數(shù)據(jù)收發(fā)單元完成相應(yīng)的429總線數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。

1．2 主要器件選擇
1．2．1 中央控制單元
中央控制單元負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行USB通信，并控制429數(shù)據(jù)收發(fā)單元完成通信工作。該單元采用SiliconLabs公司推出的C8051F340單片機(jī)。它是完全集成的混合信號SoC級MCU芯片，片內(nèi)集成有1個(gè)采樣率為200Ksps的10位ADC、1個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)電壓比較器、1個(gè)電壓基準(zhǔn)、1個(gè)具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列(PCA)、5個(gè)通用的16位定時(shí)器、40個(gè)通用數(shù)字I／O端口，以及1個(gè)片上64 KB的Flash存儲(chǔ)器和4 KB的RAM，支持多種總線通信接口(I2C／SMBus、SPI、UART、USB)。C8051F340的最大指令處理速度為48 MIPS，具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、WDT和時(shí)鐘振蕩器，能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)。
C8051F340最大的優(yōu)勢是在片內(nèi)集成了一個(gè)USB總線控制器，與USB2．O完全兼容，支持低速和全速兩種模式。這樣，在硬件上只需一片C28051F340就能與PC機(jī)直接進(jìn)行USB通信，無需外加USB接口芯片。
1．2．2 429數(shù)據(jù)收發(fā)單元
目前市面上的429通信專用芯片(如HS-3282、DEI1016、HI-8585)只能實(shí)現(xiàn)1路發(fā)送或接收，要滿足本設(shè)計(jì)需求就需要8組429通信專用芯片(共計(jì)16片)。無論從成本上，還是從設(shè)計(jì)本身的可行性、可靠性來考慮，都是難以實(shí)現(xiàn)的。本文采用Actel公司的ProASIC3型FPGA，將設(shè)備的核心部分――429通信協(xié)議模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)。這樣使整體設(shè)計(jì)更加簡潔，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)和SoC設(shè)計(jì)思想，同時(shí)大大降低了設(shè)計(jì)成本。
Actel公司的ProASIC3型FPGA采用獨(dú)一無二的Flash架構(gòu)。與基于SRAM架構(gòu)的FPGA不同，它掉電后數(shù)據(jù)不易失，無需配置芯片，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的單芯片設(shè)計(jì)思想。同時(shí)，它支持FlashLock、AES加密技術(shù)，安全性強(qiáng)；最高支持350 MHz單端翻轉(zhuǎn)率和700 MHz的差分信號；支持19種I／O電平標(biāo)準(zhǔn)。