USB的便攜式ARINC429總線(xiàn)通信設備技術(shù)

USB的便攜式ARINC429總線(xiàn)通信設備技術(shù)

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。

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”。

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。

2 硬件設計

2．1 C8051F340接口設計

C8051F340作為設備的中央控制單元，其外圍接口主要分為兩部分：與PC機的USB通信接口和與ProASIC3的自定義總線(xiàn)接口。C8051F340的外圍接口電路如圖2所示。



由于C8051F340片內集成了一個(gè)USB總線(xiàn)控制器，因此它與上位機的USB通信直接通過(guò)D+和D-兩個(gè)差分信號引腳完成的，接口非常簡(jiǎn)單。C-8051F340與Pr0ASIC3之間的通信通過(guò)C8051F340的8位數據線(xiàn)、16位地址線(xiàn)，以及讀()、寫(xiě)()、復位(RESET)3個(gè)控制信號來(lái)完成。

C8051F340與ProASIC3均采用USB總線(xiàn)供電，C8051F340采用3．3 V供電，而ProASIC3采用3．3 V和1．5 V供電。由于USB總線(xiàn)提供的是5 V電源，因此在本設計中采用了美國NS公司的電源穩壓芯片LMlll7。該芯片根據電壓輸出的不同分為不同的型號，這里選用了1．5 V和3．3 V兩種型號。

2．2 429電平轉換電路設計

2．2．1 429發(fā)送通道電平轉換電路

429發(fā)送通道電平轉換電路的功能是將ProASIC3產(chǎn)生的CMOS電平信號轉換為429電平信號。目前有幾家公司專(zhuān)門(mén)從事429通信芯片的生產(chǎn)，其中也包括429發(fā)送通道電平轉換芯片。采用這種專(zhuān)用芯片的優(yōu)點(diǎn)是接口電路設計簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是芯片價(jià)格昂貴。本設計的需求為8路發(fā)送通道，從成本上考慮，不易采用專(zhuān)用芯片，而是利用集成運放設計發(fā)送通道的電平轉換電路。圖3為429發(fā)送通道電平轉換電路。圖中的A和B是由ProASIC3產(chǎn)生的信號，TXA和TXB是經(jīng)電平轉換電路調理后形成的ARINC429信號。表1為429發(fā)送通道電平轉換電路的功能表。





該電路設計采用了Linear公司的雙運放集成芯片LTl497。該芯片的最大特點(diǎn)為輸出功率大，最大輸出電流為±125 mA，完全滿(mǎn)足ARIN-C429通信標準的功率要求。采用NI公司的MultisimlO進(jìn)行電路仿真，并實(shí)際運行測試。測試表明，仿真結果與實(shí)際運行結果一致，完全符合ARINC429通信標準要求。

2．2．2 429接收通道電平轉換電路

429接收通道電平轉換電路的功能與429發(fā)送通道電平轉換電路的功能完全相反，它是將429電平信號轉換為CMOS電平信號，以便讓ProA-SIC3對其進(jìn)行處理。接收通道的電平轉換采用HOLT公司的HI-8448實(shí)現。HI-8448為8路429接收芯片，可負責8路429接收通道的電平轉換。

3 軟件設計

系統軟件程序主要由ProASIC3內核、C8051F340固件程序和上位機控制界面程序3部分組成。

3．1 ProASIC3內核設計

ProASIC3內核開(kāi)發(fā)是在A(yíng)mel公司提供的LiberoIDE 8．5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的。該環(huán)境集成了目前業(yè)界最權威的幾大FPGA開(kāi)發(fā)軟件，其中綜合工具采用了Synplify公司的Synthesis 9．6A工具，仿真工具采用MentorGraphic公司的Modelsim 6．4A軟件。整個(gè)設計采用Verilog語(yǔ)言編程。ProASIC3內核的總體框架設計如圖4所示。ProASIC3內核設計包括收發(fā)控制器、發(fā)送FIFO、接收FIFO、發(fā)送邏輯轉換模塊、接收邏輯轉換模塊、時(shí)鐘發(fā)生器模塊。收發(fā)控制器負責與C8051F340進(jìn)行總線(xiàn)通信，協(xié)調ProASIC3內部各個(gè)模塊之間的工作；發(fā)送FIFO用于緩存待發(fā)送的429數據；接收FIFO用于緩存待讀取的429數據；發(fā)送邏輯轉換模塊是將發(fā)送FIFO送來(lái)的并行數據組合為429串行數據，然后通過(guò)端口TXA、TXB發(fā)送出去；接收邏輯轉換模塊是將收到的429串行數據轉換為并行數據，然后通過(guò)8位數據線(xiàn)傳給接收FIFO；時(shí)鐘發(fā)生器是用于產(chǎn)生各個(gè)模塊所需的工作時(shí)鐘。