基于USB的ARINC429总线接口设计与实现

第Z 8卷!第Z 期Z O O 5年6月电!子!器!件
C h i n e s e J o u r n a l o f e l e c t r o nd e v i c e s
V o l .Z 8!N
o .Z J u n .Z O O 5
D e s i g n a n d I m p
l e m e n t a t i o n o f aU S B -B a s e dA R I N C 429I n t e r f a c e Z h O Ud e -s i n 9F a n Z h i -$o n g
(A e r o n a u t i c a \e c h a n i c a 8A u i o n i c s e n g i n e e r i n g C o e g e 9C A U C 9T i a n j
i n 3O O 3O O 9C h i n a )A b s t r a c t :W i t hm o d u l a rm e t h o d 9t h i s d e s i g n i n t e g r a t e s t h e t r a n s m i t a n d r e c e i v e f u n c t i o n o f A R I N C 4Z 9s i g
-n a l a n dt h ec o n t r o l l o g i ct o U S B b u si no n eF P G A c h i p 9W h i c ha c t u a l i z e st h es i g n a lc o n v e r s i o no f A R I N C 4Z 9t oU S Ba n d i m p r o v e s t h e r e l i a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t y
i n d a t a t r a n s f e r .K e y w o r d s :A R I N C 4Z 99U S B 9F P G A 9b u s i n t e r f a c e E E A C C :1265B
基于U S B 的A R I N C 429总线接口设计与实现
周德新!樊智勇
(中国民用航空学院机电工程学院9天津3O O 3O O
)收稿日期!Z O O 4-11-1Z
摘!要!A R I N C 4Z 9总线是美国航空无线电公司(A R I N C
)制定的民用航空数字总线传输标准9广泛应用于航空电子系统的数据传输D 本设计采用模块化的设计方法9将A R I N C 4Z 9信号的接收与发送功能以及对U S B 总线的控制逻辑集成于一块F P G A 中9实现了A R I N C 4Z 9信号与U S B 信号的转换9
提高了数据传输的可靠性和灵活性D 关键词!A R I N C 4Z 99U S B 9F P G A 9总线接口中图分类号!T E 832.2"T P 331.1!!
文献标识码!A !!文章编号!1005-9490#2005$02-0432-03
!!在实际的航空电子设备的测试过程中9
首先要解决的就是测试系统(计算机)和A R I N C 4Z 9总线间的接口问题D 目前9U S B (U n i v e r s a l S e r i a lB u s 9通用串行总线)已成为P C 机上的标准接口9具有即插即用~热插拔~接口体积小巧~节省系统资源~传输可靠~
提供电源和低成本等优点D 本设计主要作为A 3Z 1飞机音频系统综合校验测试仪的信号转换部分而开发的D 采用F P G A 实现A R I N C 4Z 9总线与U S B 总线间的接口电路9有效地缩小了系统的体积9增加了系统配置的灵活度的提高了4Z 9总线设备的检测效率D
1!A
R I N C 429总线简介A R I N C 4Z 9总线是一种单向广播式数据总线9
数据采用双极性归零码开环传输9调制信号由 高 ~
零 和 低 三种状态组成D 传输的标准速率为:高速传输位速率1O O k b /s 9低速传输位速率1Z .5k b /s D 通信设备间双向传输时9需要在两个方向上各用一
根独立的传输总线 1
I D
A R I N C 4Z 9数据字由3Zb i t 组成9
每个数据字分为5组:1。

8b i t 为标志码(l a b e l )99。

1Ob i t 为源/目的识别位(S d I )911。

Z 9b i t 为数据区(d a t a )93O 。

31b i t 为符号状态位(S S M )9第3Z 位作为奇偶校验位(p a r i t y
)D A R I N C 4Z 9总线采用双绞屏蔽电缆9
传输介质固有的完整性保证了几乎没有信息漏失D 传输时9数据低位在前9一对双绞线上的波形互为反相9分别称为4Z 9A 线和4Z 9B 线D 图1为4Z 9A 线上传输数字信息 11O 1
'时的波形D 在连续传输的字与字之间至少有4b i t 的字间隔9紧跟该字间隔后要发送的第一位起点即为新字的起点D 接收器可接收的电压范围为:高电平为
图1!A R I N C4Z9编码格式
+6。

+13V9零电平为+O.5。

-O.5V9低电平为-6.5。

-13V
实际上9A R I N C4Z9提供了一种数据载体9对数据位的使用在很大程度上可以由系统设计者自己定义9在3Zb i t串行传输的基本特征下9只要收发双方使用相同的约定即可9而没有必要拘泥于A R I N C4Z9的规定
2!接口的功能和组成
该接口板主要作为A3Z1飞机音频系统综合校验测试仪的信号转换部分而开发9硬件设计主要由三部分构成:A R I N C4Z9信号的极性解调和差动放大单元~基于F P G A的主控制单元以及U S B控制芯片组9如图Z主要提供以下功能:
t支持1路发送与Z路接收9各通道独立工作9并可升级为多路收发
o收发频率可控9同时支持A R I N C4Z9标准与俄罗斯＠o cc18977-79标准
％内置含通道信息的接收F I F O9自动接收数据9无须主机干预9F I F O深度可编程
＠中断及屏蔽功能
图Z!总线接口框图
极性解调单元将来自双绞线4Z9A与4Z9B的双极性归零信号通过电压比较器转化为F P G A可处理的标准T T L电平信号A R I N C1与A R I N C O9差动放大单元将F P G A输出的两路3Zb i t串行数据转化为标准的A R I N C4Z9双极性归零码
由于U S B协议的复杂性9U S B总线接口单元采用F T d I公司的U S B专用芯片F T Z45B M实现F T Z45B M集成U S B1.1通信协议9数据传输速率可达1ZM b/s9内部含有1Z8b y t e的接收F I F O和384b y t e的发送F I F O F T Z45B M具有外设接口
的典型接口包括8b i t数据总线和4条通信握手信号:R d＃(外设读数据信号输入)~W R(外设写数据信号输入)~T X e＃(发送F I F O空标志输出)~R X F ＃(接收F I F O非空标志输出)U S B总线的自供电方式最大可驱动5O Om A电流9完全满足本系统一发两收的要求9不过考虑到系统的可扩展性9以实现更多的收发路数9允许外接电源方式(F T Z45B M 的详细使用方法与具体外围电路设计详见参考文献[Z])由于A R I N C4Z9总线传输速率最大为1O O
k/s9而U S B1.1的通信能力可达1Z M b/s9考虑到协议的额外开销9一路U S B总线可同时完成Z路
A R I N C4Z9总线的发送和4路接收
考虑到信号收发的实时性~设备的小型化~抗干扰等多方面的要求9选用F P G A实现系统的主控单元在总线配置的灵活性方面9F P G A的优势更是传统芯片无法比拟的另外9系统设计之初便为未来预留了很大的升级空间9F P G A的可重配置性为实现这一设计思路提供了理想的平台以F P G A 作为主控芯片9U S B主机可实时发送数据到
A R I N C4Z9总线设备9并实时接收设备返回的数据9以供主机中测试软件进行记录和检测9从而满足设备故障的诊断和定位之需纯硬件的实现方式可以使整个系统的接口和通信环节的延时达到最小
F P
G A使用1Z个I O口连接F T Z45B M9分别对应于d[7..O]~T X e＃~R X F＃~R d＃~W R9使用
6个I O口连接极性解调与差动放大单元9其余I O 口引出供升级使用F P G A工作时钟为5O MH z9内部分频
3!控制芯片各模块的设计
控制单元选用A l t e r a公司的大容量F P G A芯片e P F1K3O T C144-3实现9使用V H d L语言设计9通过C u a r t u s I I编译~综合~适配及仿真9由四个模块组成:接收模块~发送模块~U S B控制模块和时钟模块
3.1!接收模块
接收模块完成4Z9数据向3Z并行数据的转换9由字头检测~串并转换与状态控制几部分构成如图3
接收模块的输入信号为来自外部极性解调单元的两路T T L电平A R I N C1和A R I N C O A R I N C1含有双极性归零码中的高电平信号9A R I N C O含低电平信号9两路信号经异或运算即得到信号的同步时钟脉冲(R C P)在该同步时钟的上升沿锁存
3
3
4
第Z期周德新!樊智勇等基于U S B的A R I N C4Z9总线接口设计与实现
图3!接收模块逻辑功能框图
状态查询及中断产生部分对解调出的同步时钟脉冲进行计数9记满3Zb i t后发出脉冲信号d a-t a r e a d y9同时锁存该信号供主机采用查询方式时使用每个字的通道信息也随d a t a r e a d y信号同时输出
两个3Zb i t数据字之间的4位字间隔检测的方法是对6MH z的标准时钟计数到某一预定值9若在此期间没有A R I N C4Z9的数据脉冲到达9则认为此部分就是两个数据间的间隔A R I N C4Z9信号时检测出3Zb i t数字间的间隔9并对3Zb i t脉冲计数器清零9以便对即将到来的下一个3Zb i t数据进行计数
3.2!发送模块
发送模块包括奇偶校验\间隔控制\并串转换与码元调制几个主要部分如图4
图4!发送模块逻辑功能框图
间隔控制部分对来自时钟模块的脉冲计数9产生占空比为3Z:4的方波信号T c t r l(3Zb i t数据与4 b i t间隔)该信号有以下三个作用:控制并串转换逻辑的移位操作;参与码元调制;作为发送完毕的中断申请信号
奇偶校验部分自动生成数据字中第3Zb i t即奇偶校验位(p a r i t y)码元调制是将并串转换输出的数据(S d)与时钟(C P)及间隔控制信号(T c t r l)进行逻辑运算9得到差动运算放大器的输入A R I N C A与A R I N C B逻辑关系为:
A R I N C A n o t(C Pa n d S D)
A R I N C
B n o t(
C Pa n d(n o t S D))
可得差动放大器的输出
A R I N C4Z9
B A R I N
C A-A R I N C B
该信号可直接驱动A R I N C4Z9总线上的负载双极性归零码的接收与发送逻辑相关波形见图5
图5!双极性归零码收发逻辑波形图
3.3!U S B控制模块
U S B控制模块主要完成三项任务:在收到d a-t a r e a d y信号后将3Zb i t并行数据字转换为8b i t数据字9并与通道信息一起写入F P G A内部接收F I F O9等待向F T Z45B M发送;将来自F T Z45B M的8b i t数据字重组为3Zb i t数据字9在控制逻辑下写入发送模块;从F T Z45B M的接收F I F O中读取数据和向发送F I F O中写入数据逻辑框图如图6
图6!U S B控制块逻辑功能图
当F P G A从F T Z45B M中读取U S B主机数据时9如果R X F＃为高电平9则表明F T Z45B M没有接收到数据只有当F P G A检测到R X F＃为低电平9表明F T Z45B M的接收F I F O中有U S B主机发送的数据时9F P G A才可通过发出读取信号R d＃从外设数据总线读出数据
如果F P G A要通过F T Z45B M写数据到U S B 主机9首先要检测T X e＃信号如果T X e＃为高电平9表明F T Z45B M内部正在忙9F P G A不能向F T Z45B M的发送F I F O中写数据;而当F P G A检测到＃T X F为低电平时9表明F T Z45B M的发送
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4电!子!器!件Z8卷
令及话音的处理上类似于上级联网系统中的集群系统0以省\地市\县为例的三级联网系统的组网结构如图6:
图6!省#地市#县三级联网组网结构图
该三级联网系统采用了分级结构,每个集群系统在接收到手机发起的呼叫后,先判断是否在本地完成呼叫,如果本地无法完成则通过T C P/I P网络将呼叫转向上一级中心,若被叫手机在该级中心登记,则由该级中心系统向被叫系统发起呼叫,并控制该级中心交换机完成话音交换,否则,通过T C P/I P 将呼叫信令转向上一级,同时控制该级中心交换机将主叫话音交换至上一级,此时该级中心类似于上级中心的一个集群系统,这样在整个三级联网系统中就形成了信令与话音的路由0该三级联网系统不
仅能实现在省\地市\县范围内侨航集群系统的联网,而且通过侨航异型联网网关可以与其他厂家的集群系统互联0使得在全省范围内联网集群系统按照行政地域划分,不仅实现分级管理,而且使相互独立的集群系统有机地结合起来,使系统提供的服务不在受地域的限制,系统的服务范围得到有效的扩大,最大程度地满足集群用户的工作需求0
3!结束语
该集群漫游联网系统是针对公安工作指挥调度的需求而设计的,能够高效\可靠地实现各种跨系统的指挥调度功能,完全符合漫游联网系统的各项指标要求0具有很强的实用性,与其他厂商不同集群系统组网时,只需修改中心系统的异型联网网关程序即可,为在M P T1327信令模拟集群移动通信系统中实现漫游联网提供了一个有效的途径0并且以二级联网结构为模块,易于实现集群系统的多级联网0目前该联网方案在广西\湖南等省实际使用,受到用户好评0
参考文献!
[1]!冯重熙,钱亚生,姚彦.现代数字通信技术[M].北京:人民邮
电出版社,1994.
[2]!陈功富,彭怡明,彭锡瑞.计算机通信与网络技术[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1993.
[3]!郭梯云,杨家玮,李建东.数字移动通信[M].北京:人民邮电
出版社,
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
1994.
$上接第434页%
F I F O空,F P
G A才可向F T245B M中写数据到U S B主机0
3.4!时钟模块
可变时钟模块主要将基本时钟脉冲分频为12.5 k h z\100k h z\48k h z三种时钟脉冲,除满足A R I N C429总线要求外,还可以满足俄罗斯"#$%18977-79和P T M1495275标准0通过修改分频控制字,还可实现更多的非标准传输速率0频率的模式选择由外部通过跳线进行控制0
4!结!论
该接口板主要作为A321飞机音频系统综合校验测试仪的信号转换部分而开发,根据系统的要求,实现了A R I N C429信号的一发两收功能,但在设计过程中,充分考虑到了系统的通用性和可扩展性,留有很大的升级空间0通过采用大容量F P G A结合模块化的设计方法,有效利用F P G A的可重配置性,完全可以实现A R I N C429信号的多路接收与发送0
参考文献!
[1]!A R I N C.A R I N C429-12-90M a r k33D I T S[Z].A n n a p o l i s:
A e r o n a u t i c a l R a d i o I n c o r p o r a t e dC o m p a n y,1990.
[2]!F T D I.F T245B M U S B F I F OI.C.[Z].G l a s g o W:F u t u r e
T e c h n o l o g y D e v i c e s I n t l.l t d,2002.
[3]!林敏,方颖立.V h D l数字系统设计与高层次综合[M].北京:
电子工业出版社,2002.
[4]!刘明东,禄乐滨.A R I N C429总线接口芯片及接口板的设计与
实现[J].空军工程大学学报,2001,(2>:30-32.
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第2期张成文!孙鹏飞等"
集群系统多级联网的实现。