2021年04月15日 | 一种智能化ARINC429通讯卡设计与实现

摘要：介绍了一种基于ARM微处理器的ARINC429航空总线通讯卡的设计方法，以实现两发四收的信息控制。该设计以LPC3250作为嵌入式微处理器，采用DEI106/BD429芯片组构建ARINC429总线通讯系统，为航空电子系统提供了高效可靠的通信平台。

ARINC429总线广泛用于航空电子系统内各设备间大量数据信息的传输。传统的ARINC429通讯卡依赖通信平台处理机来完成控制与处理工作，增加了平台处理机的负担，降低了数据传输速率，系统可靠性及效率不高。为了解决这一工程难题，本文做了深入研究，结合现有研究成果，致力于设计一种新的通讯卡，提高通信板卡智能化水平，减轻系统通讯负担，降低协议通信的控制难度，为航空电子系统构筑一个可靠高效的ARINC429总线通信平台。

1 ARINC429通讯卡设计

通讯卡主要完成以下任务：完成两路ARINC429接收数据的串并转换;实现两路ARINC429发送数据的并串转换;支持中断方式、查询方式接收和发送数据。

根据通讯卡所要完成的功能设计系统整体结构如图1所示。

目前常用的ARINC429收发器主要有DEI1016/BD429和HS3282/3182两种芯片组，本次设计采用DEI1016/BD429构建ARINC429总线通讯系统。DEI1016是美国DDC公司生产的ARINC429总线接口芯片，提供有标准航空串行数据和16bit宽数据总线接口。

DEI1016在发送时按协议完成发送数据的并-串转换并发送;接收时完成电平转换并按协议完成接收数据的串-并转换;在初始化时进行数据格式、波特率、奇偶校验等设置。一块DEI1016芯片可实现一路ARINC429数据发送及两路ARINC429数据接收功能。

1.1 DEI1016的数据发送与接收

DEI1016的发送器电路包括一个发送缓存器和一个控制逻辑。发送缓存器是一个8*32 bit的FIFO，数据的载入由LD1和LD2两个信号控制。LD1有效时载入第一个16位，LD2有效时载入第二个16位，而且在每个数据字载入过程中LD1必须在LD2之前到来。另外，数据载入时发送器是处于禁止状态的。而控制逻辑则允许ARM微处理器给发送器写数据块，并通过ARM微处理器使能发送器，即置ENTX信号有效来使该数据块自动发送出去。数据在TTL电平格式下，经过BD429电平转换然后发送出去。值得注意的是每8个数据字间的发送并不是连续的，而是具有由DEI1016自动产生的4个字时钟间隔时间。

ARINC429信号的接收通过接收字间隔时序电路采样产生一个数据字。接收采样频率是正常数据速率的10倍，以保证不会出现含混的数据字。采样得到的数据被存进一个32位的移位寄存器中，并由控制寄存器内容决定是否接收该字。数据字长度由控制寄存器的“WLSEL”确定。保持寄存器中的数据以2个16位字的形式放在数据总线上。数据应及时读出，以避免新的数据将原来的数据覆盖。读取数据时，先将接收选择线SEL拉低，且使能OE读出低字，再将SEL拉高并使能OE时读取高字。

1.2 DEI1016/BD429外围电路设计

BD429芯片为ARINC429的发送驱动器，与DEI1016配套使用。发送驱动器的作用是将ARINC429协议芯片送出的TTL逻辑电平转换为符合ARINC429协议信号电平要求的信号进行发送。设计应用电路如图2所示。

该应用电路中的两个68 pF的电容很重要，会影响到ARINC429信号上升和下降的斜率，容值过大会使斜率变小，反之容值过小会使斜率变大。

在设计中采用DEI1016输出的429信号作为其输入信号，输出数据速率通DEI1016确定，而不采用SYNC、CLOCK和DATA信号相与的方法调整，因此直接把SYNC和CLOCK信号拉高。1MCK由16M晶振经CPLD分频给出，在CPLD逻辑中分频系数可调，因而数据速率在12.5～100k之间可调。SEL信号直接连至微处理器的最低地址位A0，由地址的变化控制数据读取时的高低16位选择。MR信号控制由阻容复位电路实现。其余发送与接收控制信号如OE、LD等均与CPLD相连，由CPLD译码控制。

2 DEI1016/BD429与CPLD的接口设计

2.1 DEI1016/BD429与CPLD的接口电路设计

为了灵活实现ARINC429数据的发送与接收，采用一片CPLD芯片进行控制。在CPLD逻辑中应实现地址译码和时钟分频功能，完成对某路发送或接收及ARINC429协议时钟的设定;通过设置ARINC429协议控制字进行自检;对中断屏蔽或使能等。CPLD器件采用ALTERA公司的EPM3064A实现，该芯片具有3.3VI/O特性，可容忍5V，适合应用于5V、3.3V多电压应用的场合。由于LPC3250为3.3 V I/O特性，而所选用的ARINC 429接口芯片DEI1016为单一5 V供电，所以需要对微处理器与ARINC429数据和地址总线进行电压转换。这里选用四片SN74LVC4245DBL驱动器来实现16 bit数据总线和地址总线的电压转换。由于地址总线是单向的，即只能由处理器到ARINC429接口芯片，故负责地址总线电压转换的两片SN74LVC4245-DBL芯片DIR引脚可以接死;而负责双向数据总线电压转换的两片SN74LVC4245-DBL芯片DIR脚则需要通过CPLD进行逻辑控制。

2.2 DEI1016/BD429与CPLD的接口逻辑设计

ARINC429通讯卡片选由LPC3250的CS1和地址BA11～BA4共同控制，即当CS1有效且BA(11 to 4)=“00000000”时选通，全译码，地址空间为E100 0000-E100000F

1)数据发送逻辑设计

DEI1016是16位数据线，所以32位数据字必须分成两个16位写入，而控制字只需一次写入即可。以下VHDL代码实现了对429数据发送的控制：

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

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

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

ENTX_1<=‘0’WHEN WR=‘0’AND (A=X“0”OR A=X“1”)ELSE‘1’;--置使能发送有效

2)数据接收逻辑设计

本通信系统实现两发四收，4个接收通道接收到的数据放在各自独立的FIFO中。数据接收采用中断-查询方式实现，即由接口芯片DEI1016的DR信号有效产生中断，通知处理器有新的有效数据到达。由于四路接收通道共用一个中断，所以必须在CPLD逻辑中实现中断屏蔽，并在中断有效时可查询是哪一路接收通道引发的中断，对于中断的处理逻辑为

INT<=RDY_429_1(0)AND RDY_429_1(1)AND RDY_429_2(0)AND RDY_429_2(1);--中断信号处理

以上逻辑表明，4个接收通道中任一路有数据时都会引发中断，此时查询数据线，即可得出是哪一路接收引发的中断。

3 ARM固件程序设计

同件程序担任着通讯系统最基础最底层的工作，是硬件设备的灵魂，且由于硬件设备除了固件以外没有其它软件组成，所以固件也就决定着硬件设备的功能及性能。本系统中ARM固件中断源为一个六位的寄存器，高位到低位分别标志：第一路发送、第二路发送、第一片两路接收、第二片两路接收路接收。

在本系统中，ARM固件程序需循环装载控制字，然后检查中断控制寄存器(PORT_CPLD_INT_SOURCE)的值，根据该值做具体的发送和接收操作。中断控制寄存器的取值及其对应的操作在表1中给出。

根据以上的分析阐述，给出程序的伪代码如图3所示。

4 结束语

ARINC429是航空电子系统中应用广泛的通信标准，而ARM微处理器在目前的测控领域也占有相当重要的位置，因此基于ARM微处理器的ARINC429通信系统无疑有着很好的适用范围和实用意义。同时，上述设计的接口通信板在多个不同的航空电子系统中成功的应用，证明了其正确性和高效性。