作為機載電子設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N標準，ARINC429總線以其特有的優(yōu)點在現(xiàn)代軍用與民用飛機上得到了廣泛的應用。它是美國航空無線電公司(ARINC)制定的航空數(shù)字總線傳輸標準，定義了航空電子設備和系統(tǒng)之間相互通信的一種規(guī)范，因此對于ARINC429總線通信的研究是有重要的現(xiàn)實意義和應用前景。為了使系統(tǒng)能夠對ARINC429數(shù)據(jù)進行處理并將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，文中提出了一種基于DSP和ARINC429專用協(xié)議芯片HS-3282的總線數(shù)據(jù)設計方法。
1 ARINC429數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范
ARINC429總線采用雙絞屏蔽線傳輸信息，通過一對雙絞線反向傳輸，具有很強的抗干擾能力。其調制方式采用雙極歸零制的三態(tài)碼方式，即信息由“高”、“零”和“低”3種狀態(tài)組成。ARINC429總線的1個數(shù)據(jù)字有32位，32位數(shù)據(jù)字以脈沖形式發(fā)送，采用了雙極歸零調制，發(fā)送出去的脈沖有3個電平，即高電平(+10V)、中電平(0V)、低電平(-10V)。高電平為邏輯1，低電平為邏輯0，中電平為發(fā)送自身時鐘脈沖。429數(shù)據(jù)的兩個數(shù)據(jù)字之間有4位間隔，這4位間隔作為字同步。一般ARINC429發(fā)送速度有2種：一種為高速，100kbit／s；一種為低速，12．5 kbit／s。通常高速用于軍用飛機上，低速用于民用飛機上。ARINC429數(shù)據(jù)格式如表1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)ARINC429總線數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送。本系統(tǒng)中采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812為控制核心和CPLD芯片作譯碼電路控制429數(shù)據(jù)收發(fā)芯片時序邏輯，配合1片高性能ARINC429數(shù)據(jù)收發(fā)芯片HS-3282和1片ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送驅動芯片HS-3182，形成1個數(shù)據(jù)接收通道和1個數(shù)據(jù)發(fā)送通道，由它們構成數(shù)據(jù)收發(fā)、串／并、并／串轉換的主體，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
2．1 TMS320F2812
在整個系統(tǒng)中，TI公司的DSP芯片是整個接口系統(tǒng)的核心，采用TMS320F2812，主要用來控制各個部分協(xié)調工作，完成對接收／發(fā)送數(shù)據(jù)的處理和與CPLD配合產生收發(fā)模塊所需要的控制信號。作為TI公司首推的TMS320F2812具有很高的性價比，廣泛應用于工業(yè)控制，特別是應用于處理速度、處理精度等方面要求較高的領域，在電子控制領域發(fā)揮著重要的作用，推動了電子信息化的進程。由于TMS320F2812采用了先進的改進型哈佛結構，流水線技術，指令執(zhí)行速度快，具有可高達150 MIPS的處理能力，完全能夠滿足ARINC429信號的處理。并且片內具有128 k Flash存儲器，使得電路的設計比較簡單。
2．2 HS-3282簡介
HS-3282是美國Harris公司生產的專門面對ARINC429總線的一種高性能CMOS總線接口芯片，能滿足ARINCA29協(xié)議的譯碼、時分復用、串行數(shù)據(jù)協(xié)議等標準的要求。當它與驅動芯片HS-3182配合使用時，能正確收發(fā)ARINCA29規(guī)范數(shù)據(jù)，且抗干擾性能好。因而采用其來設計ARIN-C429總線接口電路既簡單、有效，又能保證可靠性。
HS-3282包含兩路接收器和一路發(fā)送器，接收器和發(fā)送器分別獨立工作。兩個分別獨立的接收器直接與ARINC429總線相連，并以十倍于接收數(shù)據(jù)速率的頻率工作，發(fā)送器的數(shù)據(jù)速率可以與接收器速率相同或不同。盡管兩個接收器工作在同一個頻率下，但是它們獨立工作并異步接收串行數(shù)據(jù)。ARINC總線接口芯片發(fā)送器主要包括FIFO存儲器和時鐘電路。FIFO存儲器能夠為發(fā)送器連續(xù)保存8個ARlNC數(shù)據(jù)。時鐘電路用來正確分隔每個ARINC數(shù)據(jù)字以滿足ARINC429規(guī)范。盡管ARINC429規(guī)范指定為包含校驗位的32位字，通過編程，HS-3282的數(shù)據(jù)字長度也可以為25位。HS-3282接收器是將串行429數(shù)據(jù)轉換為2個并行的16位數(shù)據(jù)，而發(fā)送器則是將2個并行的16位數(shù)據(jù)轉化為串行429數(shù)據(jù)。
2．3 ARINC數(shù)據(jù)收發(fā)模塊
該模塊主要完成ARINC429數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和速率轉換等功能，利用1片高性能的ARINC429數(shù)據(jù)收發(fā)芯片HS-3282和1片ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送驅動芯片HS-3182完成一路接收和一路發(fā)送通道，由它們完成數(shù)據(jù)緩存，串／并、并／串轉換和系統(tǒng)內部邏輯信號與ARINC429差分信號的轉換。
HS-3182為正式差分輸出，用來把要發(fā)送的信息轉變?yōu)榉螦RINC429傳輸規(guī)范的電平，與驅動芯片HS-3182相連的電容用來改善輸出數(shù)據(jù)的上升沿和下降沿，這里對于不同的數(shù)據(jù)傳輸速率選擇不同的電容，75 pF電容對應ARINC429總線高速工作狀態(tài)，300 pF電容對應低速作狀態(tài)，這兩個電容極其重要，為了提高穩(wěn)定性、降低干擾，最好采用軍品電容。
數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要完成把并行的信息轉化為串行信息，再把串行信息轉變?yōu)殡p極性歸零碼，發(fā)送至ARINC429總線。數(shù)據(jù)接收單元主要把ARINC429總線上來的雙極性歸零串行信息轉變?yōu)橐话愕拇行畔?，再經過移位寄存器轉換為并行信息。ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送／接收單元的原理圖如圖2所示。
HS-3282中D／R1接F2812的外部中斷，使429數(shù)據(jù)接收為中斷接收；CWSTR、ENTX、TX／R、MR等經電平轉換連接到F2812的I／O口；429DI(A)和429DI(B)直接連接429總線，接收來自429總線的數(shù)據(jù)；429D0及／429D0和HS-3182的DATA(A)、DATA(B)連接，將HS-3282發(fā)送器的數(shù)據(jù)經HS-3182驅動后發(fā)送至429總線。
2．4 CPLD邏輯控制
對于F2812，每個區(qū)域的讀、寫操作時序都可以單獨配置，且每個區(qū)域都有片選信號，當片選信號被置低(置0)，那么當前用戶將訪問相應的存儲空間(讀、寫操作)。在本系統(tǒng)中，選用Zone0空間，Zone0占用的外部總線地址為0x2000～0x3FFF，當XA[13]為高電平，XA[14]為低電平時選擇ZoneO空間，Zone0片選使能邏輯如圖3所示。
CPLD集成了系統(tǒng)地址選擇模塊，實現(xiàn)對外部器件的訪問。CPLD的邏輯功能決定了HS-3282的功能地址，通過地址譯碼產生HS-3282所需要的控制信號PL1、PL2、EN1和CWSTR所需要的控制信號。系統(tǒng)中譯碼模塊的邏輯如圖4所示。由片選使能和CPLD譯碼邏輯可得PL1、PL2、EN1和CWSTR的選通地址。
3 系統(tǒng)軟件設計
此系統(tǒng)的軟件部分主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)的發(fā)送／接收子程序模塊。
1)初始化模塊系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，初始化模塊包括上電芯片復位和寫控制字到HS-3282控制字寄存器。該控制字主要有字長、接收速率、發(fā)送速率、源目的解碼和自測試設置。初始化流程圖如圖5(a)所示。
2)ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是首先向FIFO寫入數(shù)據(jù)，然后經HS-3182驅動發(fā)送到總線。在向FIFO寫操作過程中，PL1先于PL2有效，多次的寫PL1將會使先前的數(shù)據(jù)被覆蓋，PL1有效時，低16位數(shù)據(jù)被發(fā)送到FIFO中。當PL2有效時，高16位數(shù)據(jù)被傳送到FIFO中。第1個數(shù)據(jù)字寫入后TX／R由高變低，然后通過置發(fā)送使能信號ENTX，HS-3282將數(shù)據(jù)字串行發(fā)送出去，并自動在相鄰兩個字之間插入4bit間隔。當FIFO為空時，TX／R由低變高，此時應當禁止發(fā)送使能信號ENTX，以便向FIFO重新寫入數(shù)據(jù)。當HS-3282處于發(fā)送狀態(tài)時，不能向FIFO寫入數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊流程圖如圖5(b)所示。
3)ARINC429數(shù)據(jù)接收模塊 數(shù)據(jù)接收模塊被設計為中斷接收，由HS-3282的D／R1提供中斷信號。當D／R1為0時，進入中斷，并表明ARIN-C429總線上有數(shù)據(jù)到來，此時選通EN1地址，再置SEL為0，接收低16位數(shù)據(jù)；接著置SEL為1，再選通EN1地址，接收高16位數(shù)據(jù)。接收模塊流程圖如圖5(c)所示。
4 結束語
針對ARINC429總線的應用，提出了TMS320F2812與ARINC429總線通信的軟硬件設計和實現(xiàn)方案。該設計硬件電路簡單，數(shù)據(jù)通信程序可讀性好，編寫容易，數(shù)據(jù)傳輸準確可靠。在設計TMS320F2812數(shù)據(jù)總線讀寫的邏輯控制時，XRD和XWE信號必須參與邏輯控制，保證順利讀寫總線數(shù)據(jù)。經驗證該系統(tǒng)能夠有效地完成2個16位并行數(shù)據(jù)到32位串行數(shù)據(jù)的轉換，實現(xiàn)了TMS320F2812 DSP與ARINC429總線之間的數(shù)據(jù)通信，且傳輸速率為100 kb，達到了系統(tǒng)的設計要求。該系統(tǒng)可廣泛借鑒并應用于ARINC429總線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及ARINC429接口卡設計中。