基于USB的ARINC429总线接口模块设计

引言

　　ARINC429总线由美国航天无线电设备公司所资助，是广泛应用于当前航空电子设备中的一种数据总线传输标准。与传统的航空电子设备间的模拟传输相比，ARINC429总线具有抗干扰能力强、传输精度高、传输线路少以及成本低等优点。ARINC数据总线协议规定一个数据由32位组成，采用双极性归零码，以12.5Kb/s或100Kb/s码速率传输。本设计利用USB即插即用、FPGA可灵活配置等特点，设计了基于USB总线的ARINC429总线接口模块。

　　接口模块总体设计结构

　　接口模块总体设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计由USB接口芯片，FPGA和调制/解调电路三部分组成。硬件设计整体框图如图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机和FPGA之间的数据传输，起到接口模块的桥梁作用。FPGA采用ALTERA公司的CycloneⅡ系列EP2C5Q208，主要负责将32位429数据字按照ARINC429数据总线协议串行输出，当检测到ARINC429总线上的数据时，将数据组装成32位429数据字发送给PC机。调制/解调电路主要负责将FPGA输出的LVTTL电平调制为满足ARINC429总线电气特性的电平（即高电平为+10V，低电平为-10V，0V为自身时钟脉冲），并将输入的ARINC429电平解调为FPGA可接收的LVTTL电平。

　　软件设计主要包括USB-ARINC仪器驱动程序，USB设备驱动程序以及底层USB固件程序的设计。软件设计整体框图如图2所示。USB-ARINC仪器驱动程序主要将应用程序与驱动程序之间的通信协议以及接口模块的硬件控制进行再次封装，并为应用程序提供接口，即API函数。USB设备驱动程序主要负责PC机与接口模块之间的数据传输。USB固件程序主要负责发送接口模块的控制命令，32位429总线数据字以及接收到32位429数据字后的中断处理。

　　接口模块硬件设计

　　接口模块硬件部分由USB接口芯片，FPGA和调制/解调电路三部分组成。下面以一路429设备为例来介绍接口模块的发送和接收部分的硬件设计。

　　发送部分硬件设计

　　发送部分硬件设计框图如图3所示。发送部分主要负责将ARINC429数据字按照设置的发送模式传输给ARINC429总线。

　　USB接口芯片CY68013负责接收PC机传来的32位429数据字，并传输给PC机所指定的429总线设备。由于要传输给多路429总线设备，所以PC机还必须给每一个429数据字加上一个设备通道号。图3中接口芯片内的Buffer用来存储要发送的429数据字。当8051处理器检测到Buffer中有数据后，先将设备通道号写给FPGA中发送控制模块，然后再将429数据字写到FPGA的RAM中。

　　由于在测试ARINC429电子设备中，时常要求多路ARINC429总线同时传输数据。为了实现接口模块多路ARINC429总线同时工作，本设计采用了一个全局start/stop信号。当PC机传下start信号后，FPGA中各路的发送控制模块开始将RAM中数据取出并传输给移位寄存器。移位寄存器再将并行输入的32位429数据字串行输出给外围的发送调制电路。FPGA中时钟控制模块用来控制发送ARINC429数据字的速率。

　　因为FPGA输出信号是LVTTL电平，并不满足ARINC429数据总线的电气特性，所以必须加上发送调制电路对FPGA输出的LVTTL A和LVTTL B两路信号进行调制，以满足ARINC429数据总线的电气特性。

　　接收部分硬件设计

　　接收部分硬件设计框图如图4所示。接收部分主要作用是检测ARINC429总线上是否有数据，并当有数据时将并行的32位429数据字组装成并行的4个字节数据发送给PC机。

　　首先，PC机设置接收部分的传输速率，即设置FPGA中时钟控制模块输出的读控制时钟信号r_clk，它以16倍于传输速率进行采样。当LVTTL A和LVTTL B任一路为高电平，即为有效数据的开始。在FPGA中，同步字头接收模块负责这部分工作。当有效数据开始后，接收32个串行输入数据，并将数据发送给接收数据检测模块，同时data_en信号有效。接收数据检测模块检测到data_en信号，锁存32位429数据字。在对数据进行奇校验无误后，向USB接口芯片发送一个中断信号。

　　当USB接口芯片响应中断信号后，先判断是哪一路ARINC429总线数据，并将此路总线的通道号写入芯片的Buffer中。USB接口芯片再发送读信号读取FPGA中寄存器的429数据字，共4个字节。本设计采用双缓冲Buffer方式来存储接收到的429数据字。这种设计方式能有效提高接口模块传输数据的稳定性和准确性。

　　接收解调电路主要负责将ARINC429总线输入的电平解调为FPGA可接收的LVTTL电平。

　　接口模块软件设计

　　接口模块软件由USB-ARINC429仪器驱动程序、USB驱动程序和USB固件程序等三部分组成。USB-ARINC429仪器驱动程序主要将应用程序与驱动程序之间的通讯协议以及应用程序与硬件之间的数据传输命令进行封装。仪器驱动程序在Visual C++6.0下开发，可以提供给应用程序显式或隐式调用。在本文中不详细介绍仪器驱动程序的开发过程。下面将介绍USB固件程序及驱动程序的设计。

　　USB固件程序设计

　　USB接口芯片是底层硬件的基础，是接口模块与PC机通信的硬件桥梁，良好的USB固件程序设计是接口模块能够稳定可靠工作的保证。USB固件程序设计结构如图5所示。

　　USB固件程序设计由主程序(Main.c)，写数据程序(Function.c)，读数据中断服务子程序(Isq)以及控制传输(Vendor)等四部分组成。

　　主程序Main.c主要负责USB接口芯片的初始化工作。主要有端口的初始化、中断的初始化、USB设备的列举和重列举等工作。Main.c的设计结构如图6所示。

　　写数据程序Function.c采用了USB接口芯片CY68013数据总线操作方式，将图3 Buffer中的ARINC429数据字写到FPGA的RAM中。
　　
　　读数据中断服务子程序(Isq)主要负责接口模块读取ARINC429总线数据，并根据USB接口芯片的中断引脚来标记429数据字的通道号。

　　控制传输(Vendor)主要是灵活地控制接口模块的发送模式。接口模块共有单次发送、多次发送以及循环发送等三种发送模式。三种发送模式可以满足多种ARINC429数据发送需要。其中，多次发送模式和循环发送模式可以设定ARINC429数据字与数据字之间的字间隔，并可以设定一组ARINC429数据字的循环周期。这种设计方式体现了接口模块的灵活方便特性。

　　USB设备驱动程序设计

　　USB设备驱动程序是利用Compuware公司的DriverStudio 3.2开发的。DriverStudio 3.2主要用来开发Windows 2000和Windows XP的驱动程序。利用这个工具的开发向导，可以生成一个USB驱动程序框架。USB驱动程序设计简化结构如图7所示。

　　USB设备驱动程序基本由五部分组成，图4中显示了四部分。入口例程(DriverEntry Routine)、即插即用例程(PnP Routine)和卸载例程(Unload Routine)主要负责接口模块的内存资源分配和释放等工作。下面将详细介绍与接口模块数据传输关系紧密的分发例程(Distribute Routine)。

　　分发例程主要由Create，Read，Write，IOCTL以及Close等五部分函数组成。Close函数主要负责关闭设备句柄，调用卸载例程，并释放设备内存资源(这个函数在图中并未列出)。其它四部分与上层应用程序的接口函数分别为CreateFile，ReadFile，WriteFile和DeviceIoControl。

　　Create函数主要负责获取对接口模块进行操作的程序句柄，该句柄在即插即用例程中指定。

　　Read函数负责读ARINC429数据。当应用程序通过调用ReadFile发一个IRP到驱动程序时，驱动程序先检测读取数据长度是否大于已设定的端点传输最大字节。如大于，则仅分配长度为最大字节的内存空间；如小于或等于，则按该数据长度分配内存区。然后USB设备驱动程序再将此IRP向下传递给下层驱动程序，最后由底层驱动程序将ARINC429数据写到已分配的内存空间供应用程序读取，并返回一个函数值和已读取多少字节的变量给应用程序判断。Write函数操作与Read函数类似，只是传输方向相反。

　　IOCTL函数负责接口模块的控制命令传输。当需要指定接口模块发送模式或循环发送时的字间隔和帧周期时，应用程序通过调用DeviceIoControl发一个IRP给驱动程序。驱动程序收到此IRP时，将通过USB控制管道把接口模块控制命令传输给USB接口芯片。

　　结论

　　经测试表明，接口模块与现在市场上出售的多种429总线接口设备进行了多路429总线数据传输。本设计利用USB即插即用、FPGA可配置性等特点，方便了ARINC429总线与计算机之间的数据传输，并提高了接口模块数据传输的灵活性，这在对ARINC429电子设备的测试中有较高的实用价值。