USB的便携式ARINC429总线通信设备设计

摘要：基于Actel公司的ProASIC3系列FPGA和Silicon Labs公司的C8051F340单片机设计了一种便携式ARINC429总线通信设备，着重介绍了整体设计思想以及软硬件设计方法。该设备具有性能可靠、携带方便、成本低廉等特点，可广泛应用于对各种以ARINC429总线作为通信方式的机载设备的通信测试及地面检测维护。
关键词：FPGA；USB；ARINC429；通信测试；C8051F340；ProASIC3

    在航空电子综合化系统中，快速、有效的数据传输对整个航空电子系统的性能有很大影响，因此数据总线被称为现代航空电子系统的“骨架”。ARINC429是航空电子系统之间最常用的通信总线之一。要在计算机上实现与机载设备的ARINC429总线数据通信，必须实现429总线与计算机总线之间的数据传输。本文设计了基于USB总线的便携式ARINC429总线通信设备，并通过实际运行测试，对该设备的可靠性和稳定性进行了验证。

1 系统总体设计
1．1 系统功能分析
    该系统主要分为3大功能单元：中央控制单元、429数据收发单元、429电平转换单元。系统的功能结构框图如图1所示。中央控制单元与PC机进行USB通信，将USB总线转换为自定义总线，并根据PC机发来的任务指 令，通过自定义总线(数据线、地址线、控制线)控制429数据收发单元完成相应的429总线数据收发任务。

1．2 主要器件选择
1．2．1 中央控制单元
    中央控制单元负责与PC机进行USB通信，并控制429数据收发单元完成通信工作。该单元采用SiliconLabs公司推出的C8051F340单片机。它是完全集成的混合信号SoC级MCU芯片，片内集成有1个采样率为200Ksps的10位ADC、1个可编程增益放大器、2个电压比较器、1个电压基准、1个具有5个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列(PCA)、5个通用的16位定时器、40个通用数字I／O端口，以及1个片上64 KB的Flash存储器和4 KB的RAM，支持多种总线通信接口(I2C／SMBus、SPI、UART、USB)。C8051F340的最大指令处理速度为48 MIPS，具有片内VDD监视器、WDT和时钟振荡器，能有效地管理模拟和数字外设。
    C8051F340最大的优势是在片内集成了一个USB总线控制器，与USB2．O完全兼容，支持低速和全速两种模式。这样，在硬件上只需一片C28051F340就能与PC机直接进行USB通信，无需外加USB接口芯片。
1．2．2 429数据收发单元
    目前市面上的429通信专用芯片(如HS-3282、DEI1016、HI-8585)只能实现1路发送或接收，要满足本设计需求就需要8组429通信专用芯片(共计16片)。无论从成本上，还是从设计本身的可行性、可靠性来考虑，都是难以实现的。本文采用Actel公司的ProASIC3型FPGA，将设备的核心部分——429通信协议模块在FPGA中实现。这样使整体设计更加简洁，充分体现了模块化设计和SoC设计思想，同时大大降低了设计成本。
    Actel公司的ProASIC3型FPGA采用独一无二的Flash架构。与基于SRAM架构的FPGA不同，它掉电后数据不易失，无需配置芯片，从而实现了真正意义上的单芯片设计思想。同时，它支持FlashLock、AES加密技术，安全性强；最高支持350 MHz单端翻转率和700 MHz的差分信号；支持19种I／O电平标准。

2 硬件设计
2．1 C8051F340接口设计
    C8051F340作为设备的中央控制单元，其外围接口主要分为两部分：与PC机的USB通信接口和与ProASIC3的自定义总线接口。C8051F340的外围接口电路如图2所示。

    由于C8051F340片内集成了一个USB总线控制器，因此它与上位机的USB通信直接通过D+和D-两个差分信号引脚完成的，接口非常简单。C-8051F340与Pr0ASIC3之间的通信通过C8051F340的8位数据线、16位地址线，以及读()、写()、复位(RESET)3个控制信号来完成。
    C8051F340与ProASIC3均采用USB总线供电，C8051F340采用3．3 V供电，而ProASIC3采用3．3 V和1．5 V供电。由于USB总线提供的是5 V电源，因此在本设计中采用了美国NS公司的电源稳压芯片LMlll7。该芯片根据电压输出的不同分为不同的型号，这里选用了1．5 V和3．3 V两种型号。
2．2 429电平转换电路设计
2．2．1 429发送通道电平转换电路
    429发送通道电平转换电路的功能是将ProASIC3产生的CMOS电平信号转换为429电平信号。目前有几家公司专门从事429通信芯片的生产，其中也包括429发送通道电平转换芯片。采用这种专用芯片的优点是接口电路设计简单，缺点是芯片价格昂贵。本设计的需求为8路发送通道，从成本上考虑，不易采用专用芯片，而是利用集成运放设计发送通道的电平转换电路。图3为429发送通道电平转换电路。图中的A和B是由ProASIC3产生的信号，TXA和TXB是经电平转换电路调理后形成的ARINC429信号。表1为429发送通道电平转换电路的功能表。

    该电路设计采用了Linear公司的双运放集成芯片LTl497。该芯片的最大特点为输出功率大，最大输出电流为±125 mA，完全满足ARIN-C429通信标准的功率要求。采用NI公司的MultisimlO进行电路仿真，并实际运行测试。测试表明，仿真结果与实际运行结果一致，完全符合ARINC429通信标准要求。
2．2．2 429接收通道电平转换电路
    429接收通道电平转换电路的功能与429发送通道电平转换电路的功能完全相反，它是将429电平信号转换为CMOS电平信号，以便让ProA-SIC3对其进行处理。接收通道的电平转换采用HOLT公司的HI-8448实现。HI-8448为8路429接收芯片，可负责8路429接收通道的电平转换。

3 软件设计
    系统软件程序主要由ProASIC3内核、C8051F340固件程序和上位机控制界面程序3部分组成。
3．1 ProASIC3内核设计
    ProASIC3内核开发是在Amel公司提供的LiberoIDE 8．5集成开发环境下完成的。该环境集成了目前业界最权威的几大FPGA开发软件，其中综合工具采用了Synplify公司的Synthesis 9．6A工具，仿真工具采用MentorGraphic公司的Modelsim 6．4A软件。整个设计采用Verilog语言编程。ProASIC3内核的总体框架设计如图4所示。ProASIC3内核设计包括收发控制器、发送FIFO、接收FIFO、发送逻辑转换模块、接收逻辑转换模块、时钟发生器模块。收发控制器负责与C8051F340进行总线通信，协调ProASIC3内部各个模块之间的工作；发送FIFO用于缓存待发送的429数据；接收FIFO用于缓存待读取的429数据；发送逻辑转换模块是将发送FIFO送来的并行数据组合为429串行数据，然后通过端口TXA、TXB发送出去；接收逻辑转换模块是将收到的429串行数据转换为并行数据，然后通过8位数据线传给接收FIFO；时钟发生器是用于产生各个模块所需的工作时钟。

3．2 C8051F340固件程序设计
    C8051F340固件程序的开发是在Silicon Labs公司的C8051Fxxx IDE集成开发环境下完成的，采用C语言编程。Silicon Labs公司专为USB开发推出了USBXpress工具，USBXpress将单片机固件程序和上位机应用程序所需的USB设备驱动函数进行了封装，开发人员只需调用相关函数即可。图5为C8051F340固件程序的流程。其中，USB_clock_Start()、USB_Init()、USB_Int_Enable()均由USBXpress工具提供，可直接调用。

3．3 上位机控制界面程序
    上位机控制界面程序的开发在VC 6．O环境下完成。作为人机交互界面，其基本功能有：对设备进行复位；与设备进行USB通信；设置429通信的波特率、校验方式、数据长度；设置数据发送方式(手动或定时)；设置定时发送时间；显示接收数据。
    在上位机控制界面程序中，与设备间的USB通信是通过调用USBXpress工具提供的API函数完成的。USBXpress工具提供了10个API函数，其中最重要的就是SI_Write()和SI_Read()两个函数，它们分别实现写USB总线操作和读USB总线操作。

4 结论
    目前，该设备已投入某型机载设备的地面内场检测维护工作中。本文利用Silicon Labs公司的C8051F340单片机和Actel公司的ProASIC3系列FPGA设计的基于USB的便携式ARINC429总线通信设备，在地面内场检测维护工作中，工作状态稳定，性能可靠，很好地满足了预先的设计要求。