基于USB的ARINC429總線接口模塊設(shè)計(jì)

ARINC429總線由美國(guó)航天無(wú)線電設(shè)備公司所資助，是廣泛應(yīng)用于當(dāng)前航空電子設(shè)備中的一種數(shù)據(jù)總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的航空電子設(shè)備間的模擬傳輸相比，ARINC429總線具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸精度高、傳輸線路少以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。ARINC數(shù)據(jù)總線協(xié)議規(guī)定一個(gè)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(shè)計(jì)利用USB即插即用、FPGA可靈活配置等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于USB總線的ARINC429總線接口模塊。

接口模塊總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

接口模塊總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)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(fù)責(zé)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(dāng)檢測(cè)到ARINC429總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)組裝成32位429數(shù)據(jù)字發(fā)送給PC機(jī)。調(diào)制/解調(diào)電路主要負(fù)責(zé)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(shí)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(shè)計(jì)主要包括USB-ARINC儀器驅(qū)動(dòng)程序，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及底層USB固件程序的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)整體框圖如圖2所示。USB-ARINC儀器驅(qū)動(dòng)程序主要將應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序之間的通信協(xié)議以及接口模塊的硬件控制進(jìn)行再次封裝，并為應(yīng)用程序提供接口，即API函數(shù)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要負(fù)責(zé)PC機(jī)與接口模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。USB固件程序主要負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)

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(shè)備為例來(lái)介紹接口模塊的發(fā)送和接收部分的硬件設(shè)計(jì)。

發(fā)送部分硬件設(shè)計(jì)

發(fā)送部分硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。發(fā)送部分主要負(fù)責(zé)將ARINC429數(shù)據(jù)字按照設(shè)置的發(fā)送模式傳輸給ARINC429總線。

USB接口芯片CY68013負(fù)責(zé)接收PC機(jī)傳來(lái)的32位429數(shù)據(jù)字，并傳輸給PC機(jī)所指定的429總線設(shè)備。由于要傳輸給多路429總線設(shè)備，所以PC機(jī)還必須給每一個(gè)429數(shù)據(jù)字加上一個(gè)設(shè)備通道號(hào)。圖3中接口芯片內(nèi)的Buffer用來(lái)存儲(chǔ)要發(fā)送的429數(shù)據(jù)字。當(dāng)8051處理器檢測(cè)到Buffer中有數(shù)據(jù)后，先將設(shè)備通道號(hào)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(cè)試ARINC429電子設(shè)備中，時(shí)常要求多路ARINC429總線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)接口模塊多路ARINC429總線同時(shí)工作，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)全局start/stop信號(hào)。當(dāng)PC機(jī)傳下start信號(hào)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(shí)鐘控制模塊用來(lái)控制發(fā)送ARINC429數(shù)據(jù)字的速率。

因?yàn)镕PGA輸出信號(hào)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(duì)FPGA輸出的LVTTL A和LVTTL B兩路信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)

接收部分硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。接收部分主要作用是檢測(cè)ARINC429總線上是否有數(shù)據(jù)，并當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)將并行的32位429數(shù)據(jù)字組裝成并行的4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。

首先，PC機(jī)設(shè)置接收部分的傳輸速率，即設(shè)置FPGA中時(shí)鐘控制模塊輸出的讀控制時(shí)鐘信號(hào)r_clk，它以16倍于傳輸速率進(jìn)行采樣。當(dāng)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(fù)責(zé)這部分工作。當(dāng)有效數(shù)據(jù)開始后，接收32個(gè)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(cè)模塊，同時(shí)data_en信號(hào)有效。接收數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊檢測(cè)到data_en信號(hào)，鎖存32位429數(shù)據(jù)字。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行奇校驗(yàn)無(wú)誤后，向USB接口芯片發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。

當(dāng)USB接口芯片響應(yīng)中斷信號(hào)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(hào)寫入芯片的Buffer中。USB接口芯片再發(fā)送讀信號(hào)讀取FPGA中寄存器的429數(shù)據(jù)字，共4個(gè)字節(jié)。本設(shè)計(jì)采用雙緩沖Buffer方式來(lái)存儲(chǔ)接收到的429數(shù)據(jù)字。這種設(shè)計(jì)方式能有效提高接口模塊傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

接收解調(diào)電路主要負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)

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

USB固件程序設(shè)計(jì)

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

USB固件程序設(shè)計(jì)由主程序(Main.c)，寫數(shù)據(jù)程序(Function.c)，讀數(shù)據(jù)中斷服務(wù)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(fù)責(zé)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(shè)備的列舉和重列舉等工作。Main.c的設(shè)計(jì)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(wù)子程序(Isq)主要負(fù)責(zé)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(lái)標(biāo)記429數(shù)據(jù)字的通道號(hào)。

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(shè)定ARINC429數(shù)據(jù)字與數(shù)據(jù)字之間的字間隔，并可以設(shè)定一組ARINC429數(shù)據(jù)字的循環(huán)周期。這種設(shè)計(jì)方式體現(xiàn)了接口模塊的靈活方便特性。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是利用Compuware公司的DriverStudio 3.2開發(fā)的。DriverStudio 3.2主要用來(lái)開發(fā)Windows 2000和Windows XP的驅(qū)動(dòng)程序。利用這個(gè)工具的開發(fā)向?qū)?，可以生成一個(gè)USB驅(qū)動(dòng)程序框架。USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖7所示。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基本由五部分組成，圖4中顯示了四部分。入口例程(DriverEntry Routine)、即插即用例程(PnP Routine)和卸載例程(Unload Routine)主要負(fù)責(zé)接口模塊的內(nèi)存資源分配和釋放等工作。下面將詳細(xì)介紹與接口模塊數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系緊密的分發(fā)例程(Distribute Routine)。

分發(fā)例程主要由Create，Read，Write，IOCTL以及Close等五部分函數(shù)組成。Close函數(shù)主要負(fù)責(zé)關(guān)閉設(shè)備句柄，調(diào)用卸載例程，并釋放設(shè)備內(nèi)存資源(這個(gè)函數(shù)在圖中并未列出)。其它四部分與上層應(yīng)用程序的接口函數(shù)分別為CreateFile，ReadFile，WriteFile和DeviceIoControl。

Create函數(shù)主要負(fù)責(zé)獲取對(duì)接口模塊進(jìn)行操作的程序句柄，該句柄在即插即用例程中指定。

Read函數(shù)負(fù)責(zé)讀ARINC429數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用程序通過調(diào)用ReadFile發(fā)一個(gè)IRP到驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先檢測(cè)讀取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否大于已設(shè)定的端點(diǎn)傳輸最大字節(jié)。如大于，則僅分配長(zhǎng)度為最大字節(jié)的內(nèi)存空間；如小于或等于，則按該數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分配內(nèi)存區(qū)。然后USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序再將此IRP向下傳遞給下層驅(qū)動(dòng)程序，最后由底層驅(qū)動(dòng)程序?qū)RINC429數(shù)據(jù)寫到已分配的內(nèi)存空間供應(yīng)用程序讀取，并返回一個(gè)函數(shù)值和已讀取多少字節(jié)的變量給應(yīng)用程序判斷。Write函數(shù)操作與Read函數(shù)類似，只是傳輸方向相反。

IOCTL函數(shù)負(fù)責(zé)接口模塊的控制命令傳輸。當(dāng)需要指定接口模塊發(fā)送模式或循環(huán)發(fā)送時(shí)的字間隔和幀周期時(shí)，應(yīng)用程序通過調(diào)用DeviceIoControl發(fā)一個(gè)IRP給驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序收到此IRP時(shí)，將通過USB控制管道把接口模塊控制命令傳輸給USB接口芯片。

結(jié)論

經(jīng)測(cè)試表明，接口模塊與現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的多種429總線接口設(shè)備進(jìn)行了多路429總線數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)利用USB即插即用、FPGA可配置性等特點(diǎn)，方便了ARINC429總線與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并提高了接口模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性，這在對(duì)ARINC429電子設(shè)備的測(cè)試中有較高的實(shí)用價(jià)值。