基于NIOSII的ARINC429总线接口板研究

随着数字技术和计算机技术的不断发展,越来越多的航空电子设备采用了数字化技术,从而使数字传输成为信息传输的主要途径。ARINC429是航空电子系统中最常见的通讯总线之一,广泛用于波音(Boeing)系列、欧洲空中客车(Airbus)等机种。目前国内机载电子大多采用专用测试设备,系统通用性不高,增加了检测成本。本文介绍的ARINC429接口板设计灵活、工作可靠、有效地节约了成本,可以缓解当前ARINC429设备检测难的窘境,有广阔的应用前景。

2 系统总体设计

Altera公司在2004年发布了支持CycloneⅡFPGA系列的NIOSⅡ嵌入式微处理器。它是一款通用的RISC结构32位CPU,在软件SoPC的基础上添加NIOSⅡ软核和相应的外围接口。对设计进行综合,下载到FPGA中就可以设计一个具有特定功能的嵌入式处理器。本设计采用Altera公司的FPGA—EP2C35,引人嵌入式软核处理器NIOSⅡ作为系统的主控制器,结合ARINC429专用器件和其他外围设备实现数据的收发功能。

ARINC429接口板由数据收发、存储器扩展、监控、PCI总线接口等模块组成。NIOSⅡ控制协议器件HS3282完成发送数据缓存和串并转换(接收时串行转换为并行,发送时并行转换为串行),HS3182作为3282的驱动器完成差分信号转换及传输速率调节。PC机通过PCI总线与接口板通信,实现对发送、接收数据的处理和显示。NIOSⅡ自带的定时器可以设置为Watchdog。系统上电后启动运行,当主程序因外界干扰产生跑飞时对系统进行软件复位,增强了系统的抗干扰能力。系统整体结构图如图1所示。

3 硬件设计

3.1 ARINC429总线规范

ARINC429总线规范又称MARK33数字式信息传输系统(DITS：Digital Information Transfer System),它是专用于航空电子系统的航空工业标准,数据通过一对单向、差分耦合、双绞屏蔽线传输,本质属于串行通讯范畴。总线上只允许有一个发送器,但最多允许有20个接收器。数据字有25 bits和32 bits两种,以双极归零码的形式发送。数据脉冲有三种电平,即高电平,逻辑1(6.5 V～13 V);中电平(-2.5 V～2.5 V);低电平,逻辑O(-13 V～6.5 V)。中电平为发送自身时钟脉冲。字与字之间以一定间隔(4位)分开,此间隔作为字同步。ARINC429的传输速率为12.5 kb/s(低速)或者100 kb/s(高速),传输协议比较简单,属于点对点的传输协议。

3.2 HS3282与HS3182接口电路

HS3282和HS3182是美国Harris公司推出的高性能CMOS总线接口电路,能够满足ARINC429总线的规范要求及类似的编码定时多路串行数据传输协议。目前,绝大多数ARINC429总线接口电路都由它们来实现。HS3282是由两个接收器和一个发送器组成,接收器和发送器分别独立工作。两个独立的接收器直接与ARINC429总线相连,当接收到一个数据字后产生相应的读请求信号,等待外部命令对数据的读取。发送器主要由先进先出(FIFO)存储器和定时电路组成,FIFO存储器可以保存8个32位数据字,定时电路按照ARINC规范的要求分隔每个Arinc字,并自动产生奇偶校验位。外部提供的工作时钟一般为1 MHz,通过软件控制可以使HS3282的接收和发送模块工作在不同的速率(100kb/s或者12.5 kb/s),从而使器件的通用性更强。需要注意的是波特率不同时,驱动器HS2182的CA、CB端的外接电容也应该不同,高速传输(100 kb/s)时,CA、CB端应该外接75 pF的电容,低速传输(12.5 kb/s)时,CA、CB端则应外接300 pF的电容。HS3282和HS3182的连接示意图如图2所示。

3.3 PCI总线接口设计

PCI总线是Intel公司推出的一种高性能局部总线,其数据总线为32位,且可扩展成64位,最大数据传输速率为128 Mb/s～256 Mb/s,远远大于ISA总线5 Mb/s的传输速度,是目前微机系统广泛使用的一种总线。PCI总线协议比较复杂,一般采用两种方式：

(1)采用可编程逻辑器件来设计控制接口。它的优点是比较灵活,用户可以根据自身的需要开发出适合于特定功能的电路,而不必实现PCI的全部功能。但是控制接口设计难度较大,开发周期长,成本高。

(2)采用专用PCI接口电路,例如AMCC公司的AMCCS5920,PLX公司的PCI9054等。通过专用电路可以实现完整的PCI主控模块和目标模块的功能。将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。用户只要设计转换后的总线接口即可。专用接口电路具有较低的成本和通用性,能够有效降低接口设计的难度,缩短开发时间,并能获得较好的数据传输性能。

虽然Altera公司也为NIOSⅡ处理器提供了方便使用的PCI核,但是价格昂贵。本设计中采用PLX公司的专用接口电路PCI9054,使其工作在C模式下。为了降低开发难度,采用一种较为简便的通信方式：在NIOSⅡ与PCI桥间插入双口RAM,一端地址数据线接NIOSⅡ。另一端接P