USB的便攜式ARINC429總線(xiàn)通信設備設計

摘要：基于A(yíng)ctel公司的ProASIC3系列FPGA和Silicon Labs公司的C8051F340單片機設計了一種便攜式ARINC429總線(xiàn)通信設備，著(zhù)重介紹了整體設計思想以及軟硬件設計方法。該設備具有性能可靠、攜帶方便、成本低廉等特點(diǎn)，可廣泛應用于對各種以ARINC429總線(xiàn)作為通信方式的機載設備的通信測試及地面檢測維護。
關(guān)鍵詞：FPGA；USB；ARINC429；通信測試；C8051F340；ProASIC3

在航空電子綜合化系統中，快速、有效的數據傳輸對整個(gè)航空電子系統的性能有很大影響，因此數據總線(xiàn)被稱(chēng)為現代航空電子系統的“骨架”。ARINC429是航空電子系統之間最常用的通信總線(xiàn)之一。要在計算機上實(shí)現與機載設備的ARINC429總線(xiàn)數據通信，必須實(shí)現429總線(xiàn)與計算機總線(xiàn)之間的數據傳輸。本文設計了基于USB總線(xiàn)的便攜式ARINC429總線(xiàn)通信設備，并通過(guò)實(shí)際運行測試，對該設備的可靠性和穩定性進(jìn)行了驗證。

1 系統總體設計
1．1 系統功能分析
該系統主要分為3大功能單元：中央控制單元、429數據收發(fā)單元、429電平轉換單元。系統的功能結構框圖如圖1所示。中央控制單元與PC機進(jìn)行USB通信，將USB總線(xiàn)轉換為自定義總線(xiàn)，并根據PC機發(fā)來(lái)的任務(wù)指 令，通過(guò)自定義總線(xiàn)(數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn))控制429數據收發(fā)單元完成相應的429總線(xiàn)數據收發(fā)任務(wù)。

1．2 主要器件選擇
1．2．1 中央控制單元
中央控制單元負責與PC機進(jìn)行USB通信，并控制429數據收發(fā)單元完成通信工作。該單元采用SiliconLabs公司推出的C8051F340單片機。它是完全集成的混合信號SoC級MCU芯片，片內集成有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、1個(gè)具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時(shí)器陣列(PCA)、5個(gè)通用的16位定時(shí)器、40個(gè)通用數字I／O端口，以及1個(gè)片上64 KB的Flash存儲器和4 KB的RAM，支持多種總線(xiàn)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VDD監視器、WDT和時(shí)鐘振蕩器，能有效地管理模擬和數字外設。
C8051F340最大的優(yōu)勢是在片內集成了一個(gè)USB總線(xiàn)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機直接進(jìn)行USB通信，無(wú)需外加USB接口芯片。
1．2．2 429數據收發(fā)單元
目前市面上的429通信專(zhuān)用芯片(如HS-3282、DEI1016、HI-8585)只能實(shí)現1路發(fā)送或接收，要滿(mǎn)足本設計需求就需要8組429通信專(zhuān)用芯片(共計16片)。無(wú)論從成本上，還是從設計本身的可行性、可靠性來(lái)考慮，都是難以實(shí)現的。本文采用Actel公司的ProASIC3型FPGA，將設備的核心部分――429通信協(xié)議模塊在FPGA中實(shí)現。這樣使整體設計更加簡(jiǎn)潔，充分體現了模塊化設計和SoC設計思想，同時(shí)大大降低了設計成本。
Actel公司的ProASIC3型FPGA采用獨一無(wú)二的Flash架構。與基于SRAM架構的FPGA不同，它掉電后數據不易失，無(wú)需配置芯片，從而實(shí)現了真正意義上的單芯片設計思想。同時(shí)，它支持FlashLock、AES加密技術(shù)，安全性強；最高支持350 MHz單端翻轉率和700 MHz的差分信號；支持19種I／O電平標準。