基于USB的ARINC429航空總線接口模塊設計

　　引言

　　ARINC429總線由美國航天無線電設備公司所資助，是廣泛應用于當前航空電子設備中的一種數(shù)據(jù)總線傳輸標準。

　　與傳統(tǒng)的航空電子設備間的模擬傳輸相比，ARINC429總線具有抗干擾能力強、傳輸精度高、傳輸線路少以及成本低等優(yōu)點。ARINC數(shù)據(jù)總線協(xié)議規(guī)定一個數(shù)據(jù)由32位組成，采用雙極性歸零碼，以12.5Kb/s或100Kb/s碼速率傳輸。本設計利用USB即插即用、FPGA可靈活配置等特點，設計了基于USB總線的ARINC429總線接口模塊。

　　接口模塊總體設計結(jié)構(gòu)

　　接口模塊總體設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計由USB接口芯片，F(xiàn)PGA和調(diào)制/解調(diào)電路三部分組成。硬件設計整體框圖如圖1所示。USB接口芯片采用CYPRESS公司的USB2.0接口芯片CY68013，主要完成PC機和FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸，起到接口模塊的橋梁作用。FPGA采用ALTERA公司的CyclONeⅡ系列EP2C5Q208，主要負責將32位429數(shù)據(jù)字按照ARINC429數(shù)據(jù)總線協(xié)議串行輸出，當檢測到ARINC429總線上的數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)組裝成32位429數(shù)據(jù)字發(fā)送給PC機。調(diào)制/解調(diào)電路主要負責將FPGA輸出的LVTTL電平調(diào)制為滿足ARINC429總線電氣特性的電平(即高電平為+10V，低電平為-10V，0V為自身時鐘脈沖)，并將輸入的ARINC429電平解調(diào)為FPGA可接收的LVTTL電平。

　　軟件設計主要包括USB-ARINC儀器驅(qū)動程序，USB設備驅(qū)動程序以及底層USB固件程序的設計。軟件設計整體框圖如圖2所示。USB-ARINC儀器驅(qū)動程序主要將應用程序與驅(qū)動程序之間的通信協(xié)議以及接口模塊的硬件控制進行再次封裝，并為應用程序提供接口，即API函數(shù)。USB設備驅(qū)動程序主要負責PC機與接口模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。USB固件程序主要負責發(fā)送接口模塊的控制命令，32位429總線數(shù)據(jù)字以及接收到32位429數(shù)據(jù)字后的中斷處理。

　　接口模塊硬件設計

　　接口模塊硬件部分由USB接口芯片，F(xiàn)PGA和調(diào)制/解調(diào)電路三部分組成。下面以一路429設備為例來介紹接口模塊的發(fā)送和接收部分的硬件設計。

　　發(fā)送部分硬件設計

　　發(fā)送部分硬件設計框圖如圖3所示。發(fā)送部分主要負責將ARINC429數(shù)據(jù)字按照設置的發(fā)送模式傳輸給ARINC429總線。

　　USB接口芯片CY68013負責接收PC機傳來的32位429數(shù)據(jù)字，并傳輸給PC機所指定的429總線設備。由于要傳輸給多路429總線設備，所以PC機還必須給每一個429數(shù)據(jù)字加上一個設備通道號。圖3中接口芯片內(nèi)的Buffer用來存儲要發(fā)送的429數(shù)據(jù)字。當8051處理器檢測到Buffer中有數(shù)據(jù)后，先將設備通道號寫給FPGA中發(fā)送控制模塊，然后再將429數(shù)據(jù)字寫到FPGA的RAM中。

　　由于在測試ARINC429電子設備中，時常要求多路ARINC429總線同時傳輸數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)接口模塊多路ARINC429總線同時工作，本設計采用了一個全局start/stop信號。當PC機傳下start信號后，F(xiàn)PGA中各路的發(fā)送控制模塊開始將RAM中數(shù)據(jù)取出并傳輸給移位寄存器。移位寄存器再將并行輸入的32位429數(shù)據(jù)字串行輸出給外圍的發(fā)送調(diào)制電路。FPGA中時鐘控制模塊用來控制發(fā)送ARINC429數(shù)據(jù)字的速率。

　　因為FPGA輸出信號是LVTTL電平，并不滿足ARINC429數(shù)據(jù)總線的電氣特性，所以必須加上發(fā)送調(diào)制電路對FPGA輸出的LVTTL A和LVTTL B兩路信號進行調(diào)制，以滿足ARINC429數(shù)據(jù)總線的電氣特性。

　　接收部分硬件設計

　　接收部分硬件設計框圖如圖4所示。接收部分主要作用是檢測ARINC429總線上是否有數(shù)據(jù)，并當有數(shù)據(jù)時將并行的32位429數(shù)據(jù)字組裝成并行的4個字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。

　　首先，PC機設置接收部分的傳輸速率，即設置FPGA中時鐘控制模塊輸出的讀控制時鐘信號r_clk，它以16倍于傳輸速率進行采樣。當LVTTL A和LVTTL B任一路為高電平，即為有效數(shù)據(jù)的開始。在FPGA中，同步字頭接收模塊負責這部分工作。當有效數(shù)據(jù)開始后，接收32個串行輸入數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收數(shù)據(jù)檢測模塊，同時data_en信號有效。接收數(shù)據(jù)檢測模塊檢測到data_en信號，鎖存32位429數(shù)據(jù)字。在對數(shù)據(jù)進行奇校驗無誤后，向USB接口芯片發(fā)送一個中斷信號。

　　當USB接口芯片響應中斷信號后，先判斷是哪一路ARINC429總線數(shù)據(jù)，并將此路總線的通道號寫入芯片的Buffer中。USB接口芯片再發(fā)送讀信號讀取FPGA中寄存器的429數(shù)據(jù)字，共4個字節(jié)。本設計采用雙緩沖Buffer方式來存儲接收到的429數(shù)據(jù)字。這種設計方式能有效提高接口模塊傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性。

　　接收解調(diào)電路主要負責將ARINC429總線輸入的電平解調(diào)為FPGA可接收的LVTTL電平。

　　接口模塊軟件設計

　　接口模塊軟件由USB-ARINC429儀器驅(qū)動程序、USB驅(qū)動程序和USB固件程序等三部分組成。USB-ARINC429儀器驅(qū)動程序主要將應用程序與驅(qū)動程序之間的通訊協(xié)議以及應用程序與硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸命令進行封裝。儀器驅(qū)動程序在Visual C++6.0下開發(fā)，可以提供給應用程序顯式或隱式調(diào)用。在本文中不詳細介紹儀器驅(qū)動程序的開發(fā)過程。下面將介紹USB固件程序及驅(qū)動程序的設計。

　　USB固件程序設計

　　USB接口芯片是底層硬件的基礎，是接口模塊與PC機通信的硬件橋梁，良好的USB固件程序設計是接口模塊能夠穩(wěn)定可靠工作的保證。USB固件程序設計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　USB固件程序設計由主程序(Main.c)，寫數(shù)據(jù)程序(Function.c)，讀數(shù)據(jù)中斷服務子程序(Isq)以及控制傳輸(Vendor)等四部分組成。

　　主程序Main.c主要負責USB接口芯片的初始化工作。主要有端口的初始化、中斷的初始化、USB設備的列舉和重列舉等工作。Main.c的設計結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　寫數(shù)據(jù)程序Function.c采用了USB接口芯片CY68013數(shù)據(jù)總線操作方式，將圖3 Buffer中的ARINC429數(shù)據(jù)字寫到FPGA的RAM中。

　　讀數(shù)據(jù)中斷服務子程序(Isq)主要負責接口模塊讀取ARINC429總線數(shù)據(jù)，并根據(jù)USB接口芯片的中斷引腳來標記429數(shù)據(jù)字的通道號。

　　控制傳輸(Vendor)主要是靈活地控制接口模塊的發(fā)送模式。接口模塊共有單次發(fā)送、多次發(fā)送以及循環(huán)發(fā)送等三種發(fā)送模式。三種發(fā)送模式可以滿足多種ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送需要。其中，多次發(fā)送模式和循環(huán)發(fā)送模式可以設定ARINC429數(shù)據(jù)字與數(shù)據(jù)字之間的字間隔，并可以設定一組ARINC429數(shù)據(jù)字的循環(huán)周期。這種設計方式體現(xiàn)了接口模塊的靈活方便特性。

　　USB設備驅(qū)動程序設計

　　USB設備驅(qū)動程序是利用Compuware公司的DriverStudio 3.2開發(fā)的。DriverStudio 3.2主要用來開發(fā)Windows 2000和Windows XP的驅(qū)動程序。利用這個工具的開發(fā)向?qū)?，可以生成一個USB驅(qū)動程序框架。USB驅(qū)動程序設計簡化結(jié)構(gòu)如圖7所示。