基于FPGA的ARINC429總線接口卡設計

引言

ARINC429總線廣泛應用于商務運輸航空領(lǐng)域，如空中客車A310/A320、A330/A340飛機，波音公司727、737、747、757和767飛機，麥道公司MD-11飛機等。它采用異步雙極性歸零碼進行數(shù)據(jù)的編碼，并通過雙絞線傳輸，具有很強的抗干擾性能。目前市場上的ARINC429總線接口設計一般都采用專用接口芯片，如Device Engineering公司的DEI-1016，INTERSIL公司的HS-3282等，這些專用芯片價格昂貴，且路數(shù)有限，使用非常不靈活。本設計將ALTERA公司的FPGA芯片應用于ARINC429標準數(shù)據(jù)傳輸，并完成了與計算機USB接口的通信，有效縮小了系統(tǒng)體積并降低了成本，同時也增加了系統(tǒng)配置的靈活度。

ARINC429總線數(shù)據(jù)

ARINC429數(shù)據(jù)總線協(xié)議規(guī)定一個數(shù)據(jù)字由32位組成，以脈沖形式發(fā)送，采用雙極性歸零碼，碼速率為12.5kb/s或100kb/s。電氣特性為：高電平(+10V)為邏輯1；低電平(-10V)為邏輯0；0電平(0V)發(fā)送自身時鐘脈沖，字與字之間以一定間隔(不少于4位)分開，以此間隔作為字同步。一個32位的數(shù)據(jù)字由五部分組成：標志位(LABEL)，用于標識傳輸數(shù)據(jù)的信息類型；源/目的標識碼(S/D)，用于判斷在一個多系統(tǒng)中的源系統(tǒng)；數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)；符號/狀態(tài)位(SSM)，用于標識數(shù)據(jù)字的特征或數(shù)據(jù)發(fā)生器的狀態(tài)；奇偶校驗位(PARITY)，ARINC429數(shù)字信息傳輸使用奇校驗。

FPGA內(nèi)部邏輯設計

根據(jù)ARINC429總線協(xié)議，要完成數(shù)據(jù)的收發(fā)以及對USB總線接口的邏輯控制， FPGA 芯片應完成的邏輯功能框圖如圖1所示，其中虛線框中是FPGA實現(xiàn)的部分。

發(fā)送器

發(fā)送器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由緩沖存儲器、信號發(fā)生器和發(fā)送控制邏輯三部分構(gòu)成，用于將來自總線接口通信模塊的32位429格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成調(diào)制前的兩路串行數(shù)據(jù)，即圖2中TTL0和TTL1。其中使用緩存是為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，用戶向緩存寫進想要發(fā)送的多個32位數(shù)據(jù)字后，就可以通過entx信號控制數(shù)據(jù)從緩存連續(xù)不斷地讀出，并經(jīng)過信號發(fā)生器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后送給總線驅(qū)動電路。在這里，緩存是直接調(diào)用ALTERA提供的LPM_FIFO+宏功能模塊來實現(xiàn)的。

信號發(fā)生器由位計數(shù)器、字間隔計數(shù)器、碼元調(diào)制、移位寄存器以及相應的控制邏輯組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，位數(shù)計數(shù)器用來控制429數(shù)字字的位數(shù)，字間隔計數(shù)器用于產(chǎn)生字間隔。在本設計中，采用狀態(tài)機來實現(xiàn)信號發(fā)生器的功能，共分3個狀態(tài)：

a）IDLE：初始狀態(tài)，當復位或是發(fā)送完一個32位數(shù)后進入該狀態(tài)，在該狀態(tài)完成字間隔的產(chǎn)生，并用移位寄存器的load信號來鎖存待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并在至少四位字間隔后進入TRANS狀態(tài)，否則等到直到有新數(shù)據(jù)載入。

b）TRANS：進行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，同時進行奇偶校驗，即每產(chǎn)生一位串行數(shù)據(jù)就進行一次異或運算，并由位數(shù)計數(shù)器控制計到31時就進入PARITY狀態(tài)。

c）PARITY：輸出奇偶校驗位并回到IDLE狀態(tài)。

碼元調(diào)制是在信號busy的有效區(qū)間內(nèi)，將串行輸出數(shù)據(jù)serial_data與時鐘做邏輯運算得到的TTL0和TTL1（如圖4）送至外部調(diào)制電路，并轉(zhuǎn)換為429總線規(guī)范要求的雙極性歸零信號。其verilog語言描述如下：

always @(busy，clk_tx，serial_data)

begin

if (busy)

begin

TTL1<=serial_data&clk_tx;

TTL0<=~serial_data&clk_tx;

end

else begin

TTL1<=0;

TTL0<=0;

end

end

endmodule

發(fā)送控制邏輯用于協(xié)調(diào)緩存和信號發(fā)生器之間的數(shù)據(jù)傳遞。在緩存非空、busy無效（信號發(fā)生器狀態(tài)機處于TRANS狀態(tài)下busy有效）的條件下，一旦允許轉(zhuǎn)換信號entx有效，便開啟緩存的讀使能rden，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的裝載信號load，以完成緩存數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)換和發(fā)送。

接收器

雙極性的ARINC429 信號通過解調(diào)電路轉(zhuǎn)換為兩路TTL 信號，TTL1和TTL0。后經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成32位并行數(shù)據(jù)供主機讀取。接收器結(jié)構(gòu)如圖5所示。為使數(shù)據(jù)接收具有一定的抗干擾能力，本設計采用一個16倍于碼速率的高速時鐘對數(shù)據(jù)進行檢測。同步字頭檢測模塊對高速時鐘進行計數(shù)，當計數(shù)值計滿64（對應4位字間隔），即產(chǎn)生一個位接收允許信號rec_en，該信號啟動位檢測模塊。位檢測模塊對TTL0和TTL1信號進行監(jiān)控，一旦兩路串行數(shù)據(jù)中任一路為高，則標志有效數(shù)據(jù)開始發(fā)送。位檢測模塊對每一位數(shù)據(jù)進行三次檢測，在碼元的前半周期檢測兩次，后半周期檢測一次，只有這三次檢測都符合429信號標準才能被視為有效數(shù)據(jù)，否則報錯并自動丟棄。字檢測模塊將正確檢出的位轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)并做奇偶校驗和SDI校驗，校驗正確后數(shù)據(jù)被鎖存，并產(chǎn)生接收完成信號rec_done向主機發(fā)出中斷請求。

時鐘發(fā)生器

時鐘發(fā)生器對外部晶振（本設計采用的是12.8MHz的時鐘頻率）分頻產(chǎn)生100kHz和12.5kHz高低速率兩個發(fā)送時鐘，以及16倍于發(fā)送時鐘頻率的接收時鐘，高低速率可通過控制寄存器中相應位來選擇。在本設計中遵循同步設計原則，不是將分頻時鐘直接當時鐘用，而是采用了時鐘使能的方法，將分頻時鐘作為觸發(fā)器的使能控制。本設計的關(guān)鍵部分都采用了狀態(tài)機的方式，將分頻時鐘用做狀態(tài)機狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換的先決條件，從而實現(xiàn)了在整個設計中只有一個全局時鐘，避免了時鐘“滿天飛”的問題。

USB總線接口通信模塊

USB接口控制邏輯完成以下任務：通過對USB協(xié)議處理芯片本地端的地址譯碼完成429總線接口的各種操作，如配置控制寄存器、寫數(shù)據(jù)發(fā)送緩存以及讀接收數(shù)據(jù)等。當主機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，接口通信模塊將收到的8位數(shù)據(jù)按照429數(shù)字字的編碼格式組裝成32位數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生控制信號。將組裝好的32位數(shù)據(jù)寫入發(fā)送器的緩存中，之后根據(jù)總線譯碼，產(chǎn)生自動發(fā)送控制信號，通知發(fā)送器進行自動轉(zhuǎn)換和發(fā)送。同樣地，當接收完一個32位數(shù)據(jù)時，將這個32位數(shù)拆分成4個8位寄存器供主機讀取，它們中的一個對應標志位(LABEL)，另外有兩個對應數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)，最后一個包含了數(shù)據(jù)字中剩余部分的信息。

仿真與驗證

本設計采用ModelSim SE 6.1b，對經(jīng)過quartus6.0綜合布局布線后的設計進行時序仿真驗證。圖6和圖7分別為發(fā)送模塊和接收模塊在ModelSim中的時序仿真圖。

圖6中data為要發(fā)送的并行32位ARINC429數(shù)據(jù)0x5a5a5a5a，mclk為全局時鐘信號，clk_tx和clk_tx_en分別是發(fā)送時鐘(占空比為50％)和同頻的發(fā)送時鐘使能信號，aout、bout即上文中發(fā)送器的輸出TTL1、TTL0，busy表示正在進行轉(zhuǎn)換。圖7中mclk為全局時鐘信號，ckl_rx_en是接收時鐘使能信號，_429ain、_429bin為接收器的輸入TTL1、TTL0，dout為收到的ARINC429數(shù)據(jù)0x75555555，以并行32位數(shù)據(jù)格式存入寄存器中，rec_done為接收完一個429數(shù)據(jù)發(fā)出的中斷信號。由時序仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)PGA可以正確實現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

在后期板級調(diào)試中，將自制板卡與現(xiàn)在市場上出售的429總線接口卡進行對接通信的方法來驗證，證明了本設計的FPGA協(xié)議處理和驅(qū)動電路工作無誤，可以正確進行429數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成429總線的數(shù)據(jù)通訊。

結(jié)束語

本設計采用了ALTERA公司的FPGA芯片EP2C5Q208和CYPRESS公司的USB協(xié)議處理芯片CY7C68013以及外圍的調(diào)制解調(diào)電路，實現(xiàn)了4路收發(fā)的429總線數(shù)據(jù)傳輸接口，并完成了與上位計算機的通信。該系統(tǒng)大部分功能都是在同一FPGA芯片內(nèi)部實現(xiàn)的，發(fā)揮了FPGA的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、集成度，并增強了抗干擾能力。利用FPGA的可重配置性，可以實現(xiàn)更多路ARINC429信號的接收與發(fā)送，可以大大降低重量、體積及成本，這在機載航空總線數(shù)據(jù)處理中具有較大的實用價值。