基于USB的ARINC429總線接口模塊設(shè)計
引言
ARINC429總線由美國航天無線電設(shè)備公司所資助，是廣泛應(yīng)用于當前航空電子設(shè)備中的一種數(shù)據(jù)總線傳輸標準。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、傳輸精度高、傳輸線路少以及成本低等優(yōu)點。ARINC數(shù)據(jù)總線協(xié)議規(guī)定一個數(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)計利用USB即插即用、FPGA可靈活配置等特點，設(shè)計了基于USB總線的ARINC429總線接口模塊。
接口模塊總體設(shè)計結(jié)構(gòu)
接口模塊總體設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計由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，主要負責將32位429數(shù)據(jù)字按照ARINC429數(shù)據(jù)總線協(xié)議串行輸出，當檢測到ARINC429總線上的數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)組裝成32位429數(shù)據(jù)字發(fā)送給PC機。調(diào)制/解調(diào)電路主要負責將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為自身時鐘脈沖），并將輸入的ARINC429電平解調(diào)為FPGA可接收的LVTTL電平。
接口模塊硬件設(shè)計
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)備為例來介紹接口模塊的發(fā)送和接收部分的硬件設(shè)計。
發(fā)送部分硬件設(shè)計
發(fā)送部分硬件設(shè)計框圖如圖3所示。發(fā)送部分主要負責將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負責接收PC機傳來的32位429數(shù)據(jù)字，并傳輸給PC機所指定的429總線設(shè)備。由于要傳輸給多路429總線設(shè)備，所以PC機還必須給每一個429數(shù)據(jù)字加上一個設(shè)備通道號。圖3中接口芯片內(nèi)的Buffer用來存儲要發(fā)送的429數(shù)據(jù)字。當8051處理器檢測到Buffer中有數(shù)據(jù)后，先將設(shè)備通道號寫給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。
由于在測試ARINC429電子設(shè)備中，時常要求多路ARINC429總線同時傳輸數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)接口模塊多路ARINC429總線同時工作，本設(shè)計采用了一個全局start/stop信號。當PC機傳下start信號后，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中時鐘控制模塊用來控制發(fā)送ARINC429數(shù)據(jù)字的速率。
因為FPGA輸出信號是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FPGA輸出的LVTTL A和LVTTL B兩路信號進行調(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
接收部分硬件設(shè)計框圖如圖4所示。接收部分主要作用是檢測ARINC429總線上是否有數(shù)據(jù)，并當有數(shù)據(jù)時將并行的32位429數(shù)據(jù)字組裝成并行的4個字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。
首先，PC機設(shè)置接收部分的傳輸速率，即設(shè)置FPGA中時鐘控制模塊輸出的讀控制時鐘信號r_clk，它以16倍于傳輸速率進行采樣。當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責這部分工作。當有效數(shù)據(jù)開始后，接收32個串行輸入數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收數(shù)據(jù)檢測模塊，同時data_en信號有效。接收數(shù)據(jù)檢測模塊檢測到data_en信號，鎖存32位429數(shù)據(jù)字。在對數(shù)據(jù)進行奇校驗無誤后，向USB接口芯片發(fā)送一個中斷信號。
當USB接口芯片響應(yīng)中斷信號后，先判斷是哪一路ARINC429總線數(shù)據(jù)，并將此路總線的通道號寫入芯片的Buffer中。USB接口芯片再發(fā)送讀信號讀取FPGA中寄存器的429數(shù)據(jù)字，共4個字節(jié)。本設(shè)計采用雙緩沖Buffer方式來存儲接收到的429數(shù)據(jù)字。這種設(shè)計方式能有效提高接口模塊傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性。
接收解調(diào)電路主要負責將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
接口模塊軟件由USB-ARINC429儀器驅(qū)動程序、USB驅(qū)動程序和USB固件程序等三部分組成。USB-ARINC429儀器驅(qū)動程序主要將應(yīng)用程序與驅(qū)動程序之間的通訊協(xié)議以及應(yīng)用程序與硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸命令進行封裝。儀器驅(qū)動程序在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。在本文中不詳細介紹儀器驅(qū)動程序的開發(fā)過程。下面將介紹USB固件程序及驅(qū)動程序的設(shè)計。
USB固件程序設(shè)計
USB接口芯片是底層硬件的基礎(chǔ)，是接口模塊與PC機通信的硬件橋梁，良好的USB固件程序設(shè)計是接口模塊能夠穩(wěn)定可靠工作的保證。USB固件程序設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。
USB固件程序設(shè)計由主程序(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主要負責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)主要負責接口模塊讀取ARINC429總線數(shù)據(jù)，并根據(jù)USB接口芯片的中斷引腳來標記429數(shù)據(jù)字的通道號。
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)計方式體現(xiàn)了接口模塊的靈活方便特性。
USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計
USB設(shè)備驅(qū)動程序是利用Compuware公司的DriverStudio 3.2開發(fā)的。DriverStudio 3.2主要用來開發(fā)Windows 2000和Windows XP的驅(qū)動程序。利用這個工具的開發(fā)向?qū)?，可以生成一個USB驅(qū)動程序框架。USB驅(qū)動程序設(shè)計簡化結(jié)構(gòu)如圖7所示。
USB設(shè)備驅(qū)動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)主要負責接口模塊的內(nèi)存資源分配和釋放等工作。下面將詳細介紹與接口模塊數(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)主要負責關(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)主要負責獲取對接口模塊進行操作的程序句柄，該句柄在即插即用例程中指定。
Read函數(shù)負責讀ARINC429數(shù)據(jù)。當應(yīng)用程序通過調(diào)用ReadFile發(fā)一個IRP到驅(qū)動程序時，驅(qū)動程序先檢測讀取數(shù)據(jù)長度是否大于已設(shè)定的端點傳輸最大字節(jié)。如大于，則僅分配長度為最大字節(jié)的內(nèi)存空間；如小于或等于，則按該數(shù)據(jù)長度分配內(nèi)存區(qū)。然后USB設(shè)備驅(qū)動程序再將此IRP向下傳遞給下層驅(qū)動程序，最后由底層驅(qū)動程序?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)負責接口模塊的控制命令傳輸。當需要指定接口模塊發(fā)送模式或循環(huán)發(fā)送時的字間隔和幀周期時，應(yīng)用程序通過調(diào)用DeviceIoControl發(fā)一個IRP給驅(qū)動程序。驅(qū)動程序收到此IRP時，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)測試表明，接口模塊與現(xiàn)在市場上出售的多種429總線接口設(shè)備進行了多路429總線數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計利用USB即插即用、FPGA可配置性等特點，方便了ARINC429總線與計算機之間的數(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ARINC429電子設(shè)備的測試中有較高的實用價值。
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