基于NIOS II的ARINC429總線接口板設(shè)計

1引言

    隨著數(shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的航空電子設(shè)備采用了數(shù)字化技術(shù)，從而使數(shù)字傳輸成為信息傳輸?shù)闹饕緩健?strong>ARINC429是航空電子系統(tǒng)中最常見的通訊總線之一，廣泛用于波音(Boeing)系列、歐洲空中客車(Airbus)等機種。目前國內(nèi)機載電子大多采用專用測試設(shè)備，系統(tǒng)通用性不高，增加了檢測成本。本文介紹的ARINC429接口板設(shè)計靈活、工作可靠、有效地節(jié)約了成本，可以緩解當前ARINC429設(shè)備檢測難的窘境，有廣闊的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

    Altera公司在2004年發(fā)布了支持CycloneⅡFPGA系列的NIOSⅡ嵌入式微處理器。它是一款通用的RISC結(jié)構(gòu)32位CPU，在軟件SoPC的基礎(chǔ)上添加NIOSⅡ軟核和相應(yīng)的外圍接口。對設(shè)計進行綜合，下載到FPGA中就可以設(shè)計一個具有特定功能的嵌入式處理器。本設(shè)計采用Altera公司的FPGA—EP2C35，引人嵌入式軟核處理器NIOSⅡ作為系統(tǒng)的主控制器，結(jié)合ARINC429專用器件和其他外圍設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

    ARINC429接口板由數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲器擴展、監(jiān)控、PCI總線接口等模塊組成。NIOSⅡ控制協(xié)議器件HS3282完成發(fā)送數(shù)據(jù)緩存和串并轉(zhuǎn)換(接收時串行轉(zhuǎn)換為并行，發(fā)送時并行轉(zhuǎn)換為串行)，HS3182作為3282的驅(qū)動器完成差分信號轉(zhuǎn)換及傳輸速率調(diào)節(jié)。PC機通過PCI總線與接口板通信，實現(xiàn)對發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的處理和顯示。NIOSⅡ自帶的定時器可以設(shè)置為Watchdog。系統(tǒng)上電后啟動運行，當主程序因外界干擾產(chǎn)生跑飛時對系統(tǒng)進行軟件復(fù)位，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3．1 ARINC429總線規(guī)范

    ARINC429總線規(guī)范又稱MARK33數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)(DITS：Digital Information Transfer System)，它是專用于航空電子系統(tǒng)的航空工業(yè)標準，數(shù)據(jù)通過一對單向、差分耦合、雙絞屏蔽線傳輸，本質(zhì)屬于串行通訊范疇?？偩€上只允許有一個發(fā)送器，但最多允許有20個接收器。數(shù)據(jù)字有25 bits和32 bits兩種，以雙極歸零碼的形式發(fā)送。數(shù)據(jù)脈沖有三種電平，即高電平，邏輯1(6．5 V～13 V)；中電平(-2．5 V～2．5 V)；低電平，邏輯O(-13 V～6．5 V)。中電平為發(fā)送自身時鐘脈沖。字與字之間以一定間隔(4位)分開，此間隔作為字同步。ARINC429的傳輸速率為12．5 kb／s(低速)或者100 kb／s(高速)，傳輸協(xié)議比較簡單，屬于點對點的傳輸協(xié)議。

3．2 HS3282與HS3182接口電路

    HS3282和HS3182是美國Harris公司推出的高性能CMOS總線接口電路，能夠滿足ARINC429總線的規(guī)范要求及類似的編碼定時多路串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。目前，絕大多數(shù)ARINC429總線接口電路都由它們來實現(xiàn)。HS3282是由兩個接收器和一個發(fā)送器組成，接收器和發(fā)送器分別獨立工作。兩個獨立的接收器直接與ARINC429總線相連，當接收到一個數(shù)據(jù)字后產(chǎn)生相應(yīng)的讀請求信號，等待外部命令對數(shù)據(jù)的讀取。發(fā)送器主要由先進先出(FIFO)存儲器和定時電路組成，F(xiàn)IFO存儲器可以保存8個32位數(shù)據(jù)字，定時電路按照ARINC規(guī)范的要求分隔每個Arinc字，并自動產(chǎn)生奇偶校驗位。外部提供的工作時鐘一般為1 MHz，通過軟件控制可以使HS3282的接收和發(fā)送模塊工作在不同的速率(100kb／s或者12．5 kb／s)，從而使器件的通用性更強。需要注意的是波特率不同時，驅(qū)動器HS2182的CA、CB端的外接電容也應(yīng)該不同，高速傳輸(100 kb／s)時，CA、CB端應(yīng)該外接75 pF的電容，低速傳輸(12．5 kb／s)時，CA、CB端則應(yīng)外接300 pF的電容。HS3282和HS3182的連接示意圖如圖2所示。

3．3 PCI總線接口設(shè)計

    PCI總線是Intel公司推出的一種高性能局部總線，其數(shù)據(jù)總線為32位，且可擴展成64位，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為128 Mb／s～256 Mb／s，遠遠大于ISA總線5 Mb／s的傳輸速度，是目前微機系統(tǒng)廣泛使用的一種總線。PCI總線協(xié)議比較復(fù)雜，一般采用兩種方式：

    (1)采用可編程邏輯器件來設(shè)計控制接口。它的優(yōu)點是比較靈活，用戶可以根據(jù)自身的需要開發(fā)出適合于特定功能的電路，而不必實現(xiàn)PCI的全部功能。但是控制接口設(shè)計難度較大，開發(fā)周期長，成本高。

    (2)采用專用PCI接口電路，例如AMCC公司的AMCCS5920,PLX公司的PCI9054等。通過專用電路可以實現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標模塊的功能。將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的用戶接口。用戶只要設(shè)計轉(zhuǎn)換后的總線接口即可。專用接口電路具有較低的成本和通用性，能夠有效降低接口設(shè)計的難度，縮短開發(fā)時間，并能獲得較好的數(shù)據(jù)傳輸性能。

    雖然Altera公司也為NIOSⅡ處理器提供了方便使用的PCI核，但是價格昂貴。本設(shè)計中采用PLX公司的專用接口電路PCI9054，使其工作在C模式下。為了降低開發(fā)難度，采用一種較為簡便的通信方式：在NIOSⅡ與PCI橋間插入雙口RAM，一端地址數(shù)據(jù)線接NIOSⅡ。另一端接PCI9054。通過雙口RAM轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)．將雙口RAM分為上下兩個半?yún)^(qū)，PCI橋與NIOSⅡ?qū)﹄p口RAM交叉訪問，可以大大削弱PCI的時序要求。只需少量的信號通過FPGA來實現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)換．而無需總線仲裁，這種方式具有時序簡單、控制信號較少、編程簡單，應(yīng)用方便等特點。

3．4 NIOSⅡ及外圍接口電路設(shè)計

    ALtera公司的QuartusⅡ軟件是一個完整的多平臺設(shè)計環(huán)境。具有分析、綜合、布線、功耗估計等功能，能滿足各種特定設(shè)計的需要，為可編程片上系統(tǒng)(SoPC)提供全面的設(shè)計環(huán)境。采用其中的SoPC Builder可在圖形化界面內(nèi)定制一個NIOSⅡ嵌入式系統(tǒng)．配合NIOSⅡ的軟件開發(fā)工具NIOSⅡIDE，可以方便地開發(fā)從硬件到軟件的完整系統(tǒng)，大大提高了設(shè)計效率。

    硬件設(shè)計步驟如下：

    1)在SoPC Builder軟件中定制CPU軟核。配置CPU硬件選項，如指令緩存等；增加外圍設(shè)備接口，如數(shù)據(jù)存儲器RAM接口、程序存儲器Flash接口、JTAG調(diào)試口、HS3282接口模塊等，添加外設(shè)如PCI總線接口、Watchdog等。

    2)定義處理器上電復(fù)位地址。這里指定復(fù)位地址為外部Flash。系統(tǒng)在復(fù)位后會自動從外部Flash將用戶指令讀取到片內(nèi)RAM中執(zhí)行。

    3)添加用戶自定義指令，NIOSⅡ允許用戶定制多達256個自定義指令。采用自定義指令可以用硬件來實現(xiàn)計算量較大的指令。對于頻繁調(diào)用的指令可以有效地節(jié)省運算時間。本設(shè)計中將ARINC429數(shù)據(jù)的拼接和拆分用自定義指令來實現(xiàn)。

    4)在FPGA內(nèi)完成NIOSⅡ與HS3282接口模塊、NIOSⅡ與PCI總線的接口模塊及復(fù)位電路等。

    5)系統(tǒng)編譯完成后使用QuartusⅡ 5．0軟件和ByteBlasterⅡ下載電纜通過PC機在線配置FPGA，軟件設(shè)計完成后若調(diào)試通過就可以將FPGA的配置數(shù)據(jù)下載到FPGA的配置器件中。

    硬件框圖如圖3所示。

4 軟件設(shè)計

4．1 ARINC429數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送

    系統(tǒng)上電后應(yīng)該先初始化HS3282。外部工作時鐘為1MHz，內(nèi)部接收和發(fā)送速率可設(shè)置為外部時鐘的1／10或1／80，即100 kb／s或12．5 kb／s。設(shè)置ARINC429數(shù)據(jù)字格式為32位或者25位。采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)，HS3282有兩個接收器，當有一個數(shù)據(jù)字到來后。相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)有效標志DR變?yōu)榈碗娖剑蛑骺刂破靼l(fā)送讀數(shù)據(jù)請求。讀取接收數(shù)據(jù)時，將SEL置為0，然后給相應(yīng)的EN引腳送入一定寬度的負脈沖信號，接收第一個16位字。此后把SEL置1，再給EN引腳送入一個負脈沖信號，接收第二個16位字。如果處理器忽略了該請求，則下一個接收數(shù)據(jù)會覆蓋前一個數(shù)據(jù)。HS3282的數(shù)據(jù)字為16位．因此一個ARINC數(shù)據(jù)字(32位)要分兩次才能讀出。發(fā)送數(shù)據(jù)時要先將數(shù)據(jù)寫入HS3282的內(nèi)部FIFO中，向FIFO寫操作過程中，當PL1由低電平跳變到高電平時．低16位數(shù)據(jù)寫入FIFO的輸入寄存器的低16位；當PL2由低電平跳變到高電平時．高16位數(shù)據(jù)寫入FIFO輸入寄存器的高16位，同時將輸入寄存器的內(nèi)容寫入FIFO單元，連續(xù)操作8次便可將FIFO寫滿。第一個數(shù)據(jù)字寫入后TX／R由高變低。FIFO寫滿后，通過啟動發(fā)送使能信號ENTX．HS-3282便可將這8個數(shù)據(jù)字串行發(fā)送。當然也可以根據(jù)實際需要每次發(fā)送小于8個數(shù)據(jù)字。當FIFO為空時，TX／R由低變高，禁止發(fā)送使能信號。向FIFO重新寫入數(shù)據(jù)。

4．2 NIOSⅡ軟件開發(fā)

    NIOSⅡ的軟件開發(fā)是在HAL (hardware abstraction layer)的基礎(chǔ)上進行的。HAL系統(tǒng)庫是一個輕量級的運行環(huán)境．提供了與硬件通訊的簡單設(shè)備驅(qū)動程序。它還集成了ANSIC標準庫，這些API允許設(shè)計者用標準C函數(shù)(例如：printf，fopen，fwrite等)去存取設(shè)備。HAL類似于ARM系統(tǒng)中的BSP(board—support package)，提供了一個一致的設(shè)備存取界面。SoPC Builder和NIOSII IDE緊密集成，在SoPC Builder生成硬件系統(tǒng)以后．NIOSⅡIDE能夠自動生成對應(yīng)的客戶HAL系統(tǒng)庫。更新硬件系統(tǒng)設(shè)置以后．NIOSⅡIDE能自動更新HAL的驅(qū)動設(shè)置。

    軟件設(shè)計步驟如下：

    1)在NIOSⅡIDE中創(chuàng)建軟件項目，NIOSⅡIDE會根據(jù)用戶在SoPC Builder中的硬件配置自動生成用戶HAL系統(tǒng)庫．如系統(tǒng)頭文件和初始化文件等。

    2)利用用戶HAL系統(tǒng)庫在NIOSⅡIDE開發(fā)環(huán)境下編寫程序源代碼C／C++程序，編譯調(diào)試代碼，調(diào)試完畢后用NIOSⅡIDE提供的Flash軟件Flash Programmer將生成的可執(zhí)行文件燒寫到Flash中。

    在FPGA產(chǎn)品開發(fā)中嵌入NIOSⅡ軟核微處理器具有高度集成的特點。本設(shè)計不僅在FPGA內(nèi)集成了一個CPU，而且集成了CPU周邊的硬件邏輯和外部設(shè)備接口，以及整個系統(tǒng)設(shè)計的邏輯譯碼電路。達到高度集成的目的。本系統(tǒng)的特點是：

    1)NIOSⅡ嵌入式微處理器成本低。開發(fā)周期短，提高了產(chǎn)品的性價比和研發(fā)速度。

    2)采用可編程邏輯器件使系統(tǒng)具有可升級和可擴展性，不僅可以更改FPGA的內(nèi)部設(shè)計．還可以對NIOSⅡ的軟件進行更新升級，靈活地滿足不同的需求。

5 結(jié)束語

    采用SoPC開發(fā)產(chǎn)品可縮短開發(fā)時間，增加系統(tǒng)的靈活性，減小PCB板的體積和布線難度，其設(shè)計方式正在受到越來越多設(shè)計者的重視。本文介紹的系統(tǒng)達到了預(yù)期目的，完成了基于NIOSⅡ軟核微處理器的應(yīng)用設(shè)計，可以很方便的應(yīng)用于PCI總線微處理器中。隨著新一代NIOS軟核處理器的推出。嵌入式系統(tǒng)的性能將更加強大，基于NIOSⅡ的開發(fā)將繼續(xù)推進系統(tǒng)在各個技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和技術(shù)的創(chuàng)新。