基于PCI總線的ARINC429接口卡設計

王德周，李登科

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

在現代軍、民用飛機和導彈上，系統間需要傳輸大量信息，隨著數字技術的發展和微型電子計算機的出現，越來越多的航空電子設備已經采用航空數據總線進行通訊。其中ARINC429作為一種數字信息傳輸系統已成為航空電子系統通訊規定的航空工業標準。目前，ARINC429總線廣泛應用與軍事科技領域。從戰斗機到直升機甚至應用于導彈系統中。現有產品中，對ARINC429電路形式各具特點[1-3]，接口上有基于 PCI、ISA、PC/104和VXI， 板載處理器有的為MCS-51、Intel80196、Intel80386、FPGA 等，功能繁多，使用復雜，也勢必造成了數據通訊板卡價格昂貴。采用FPGA現場可編程門陣列的設計雖然能夠簡化硬件設計，但開發難度大、周期長。本文綜合各個方案特點提出了一種周期短、低成本、具有很高實用價值的基于PCI接口和DSP為主控CPU的ARINC429數據接口實施方案，并簡要介紹了軟硬件實現。

1 ARINC429總線簡介

ARINC429是一種單向式廣播式數字總線，傳輸的介質由雙絞線組成，本質屬于串行通訊范疇。系統規定，在一對傳輸線上，不允許雙向傳輸數據信息，調制方式采用雙極歸零制（BPRZ）三態碼方式，數據發送時經過二級差分驅動，如圖1所示，前級V+、V-是TTL電平，ARINC429正常傳輸電壓在10±1 V范圍內，并有正負電壓之分，信號電平范圍可以表征3 個狀態，邏輯“1”電平電壓 7.25:11 V（A B 之間），邏輯“0”電平電壓-7.25:-11 V（AB之間），空狀態電平電壓-0.5:0.5 V（AB之間），在連續傳送數據時，每32位字之間至少插入個空狀態進行隔離， 總線數據傳輸順序為 1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13…32。

圖1 ARINC429電平定義Fig.1 ARINC429 level definition

2 總體方案設計

ARINC429總線接口卡主要功能是在ARINC429總線與PCI總線之間起到橋梁作用，實現429總線數據信息的接收和發送。本文總體設計思想是：選用TI公司的TMS320LF2407作為主控CPU；以ARINC429專用芯片DEI1016和BD429為核心設計了ARINC429總線通訊模塊來完成數據的收發任務；CPU與計算機數據交換采用PCI總線，為了縮短開發時間與難度，選用PCI專用接口芯片PCI9052來實現。

2.1 CPU模塊的選擇

TMS320LF2407是TI公司推出的成本低，高性能的面向控制的 16位定點 DSP，其片內32K Flash，2k字SRAM，544字的DARAM可省去片外固化存儲器，簡化接口電路設計，TMS320L2407具有40個可單獨編程或復用通用IO口，可部分實現429收發芯片的控制工作[5]。

2.2 429總線接口電路

目前ARINC429收發器以Device Engineering公司的DEI1016和BD429以及HARRIS公司的HS3282和HS3281應用最為廣泛，2種芯片邏輯上完全兼容，DEI1016是高性能COMS型429接口，能夠滿足類似的時分多路串行數據通訊，整個芯片只需單5 V工作電源，它具有2路接收一路發送，接收器和發送器相互獨立，同時工作，BD429是滿足ARINC429規范的，雙極數據輸入的線驅動器。圖2為ARINC429總線收發的經典電路，發送時DEI1016為前極輸出，BD429為正式差分輸出。

2.3 數據緩沖器

DSP與PCI橋接芯片實現實時數據傳輸，本設計選擇雙口RAM的通訊方式，雙口RAM具有2套完全獨立的數據、地址和控制總線，內部含有總線仲裁電路，可以實現PCI總線與DSP之間高速的數據緩沖和交換。

2.4 系統的總體設計

ARINC429接口卡硬件總體設計如圖3所示，由于PCI9052是PCI總線專用橋接芯片，所以在PCI側的硬件連接上只需要將PCI9052芯片上和PCI總線有關的地址、數據、控制和狀態信號線直接掛接到計算機PCI總線上即可。對于DSP，雙口RAM作為LF2407片外數據存儲器，需要將其映射到片外數據空間地址為8000h～FFFFh處，如圖4所示，只有當DS有效和A15為高電平時選中雙端口RAM芯片，此時DSP占有的片外數據空間地址為8000h～FFFFh；在PCI9052一側，由于IDT7027數據總線為16位，所以在配置EEPROM時把PCI9052局部總線配置成16位寬的數據總線，PCI總線按字節（8bit）尋址，局部總線以字（16bit）尋址，所以雙口RAM地址線AL[14:1]由PCI9052局部端地址總線LA[15:2]提供，AL0由LBE1單獨提供。這樣完成了數據存儲空間與地址的一一對應，系統譯碼，電平轉換采用CPLD來實現。

圖2 ARINC429接口典型配置Fig.2 Typical interface configuration of ARINC429

3 軟件設計

3.1 PCI設備驅動程序

本ARINC429接口卡為一個PCI設備，必須在Windows下自行開發該PCI設備的驅動程序，驅動程序用WinDriver來編寫，它以通用設備驅動程序Windrvr.vxd和Windrvr.sys為核心，包含一個WinDriver Wizard代碼生成器，一個WinDriver發行包，該軟件針對PLX和AMCC的專用接口芯片特別編寫了API函數包，這些函數可以方便的實現中斷處理，DMA傳輸，I/O操作、內存映射以及即插即用等功能，為系統程序的開發提供了便利，降低了難度。

3.2 DSP控制程序

圖3 系統的總體原理框圖（省略部分電平轉換電路）Fig.3 Structure diagram of the whole system

圖4 LF2407外部數據邏輯譯碼Fig.4 External data address logic of LF2407

上位機程序通過PCI總線將待發送的數據塊寫入到雙口RAM中并通知DSP讀取信息，由于PCI側與DSP側的RAM地址一一對應，這樣DSP只需在相應的內存地址讀取相應的信息，完成對DSP的初始化，DEI1016的配置及其429數據的發送和接收。DEI1016初始化時可以配置字長為32 Bit或25 Bit，發送和接收的速率可以設置為工作時鐘的十分之一或八十分之一，當DEI1016接收到完整429數據后向DSP申請中斷，DSP響應中斷讀取數據信息，寫入到響應的雙口RAM中與PCI總線進行數據交換。DSP通訊流程圖見圖5。

圖5 DSP通訊流程圖Fig.5 Dsp's communication flow chart

4 結束語

由整個設計方案看出，主要的功能芯片都是選用專用的芯片來完成，用DSP實現429總線和PCI總線之間的數據通訊，省去了EPROM、RAM，鎖存器等外圍電路，使設計簡單、有效、又能保證可靠性，合理使用CPLD又增強了板卡的集成度。該接口卡通過與某型導彈產品試驗室聯試證明其設計上能夠滿足ARINC429數據傳輸要求，通訊協議幀數、發送周期等通過DSP靈活定制，降低了應用程序開發復雜度，數據傳輸快，可靠性高。

[1]陳玉楓，王新民，趙凱瑞.基于CPLD的ARINC429通訊板卡設計[J].計算機測量與控制，2009，17（4）:738-740.

CHEN Yu-feng，WANG Xin-min，ZHAO Kai-rui.Design of ARINC429 communication board base on CPLD[J].Computer Measurement&Control，2009，17（4）:738-740.

[2]魏增輝，張校惠.基于FPGA的ARINC429通訊協議設計實現[J].現代電子技術，2011，34（5）:63-65.

WEI Zeng-hui，ZHANG Xiao-hui. Implementation of ARINC429 communication protocol base on FPGA[J].Modern Electronics Technique，2011，34（5）:63-65.

[3]曲建清，陳欣，呂迅竑.基于單片機和CPLD的ARINC429接口設計[J].計算機測量與控制，2009，17（3）:558-560.

QU Jian-qing，CHEN Xin，LV Xun-hong.Interface design of ARINC429 based on single chip and CPLD[J].Computer Measurement&Control，2009，17（3）:558-560.

[4]Condor Engineering Inc.ARINC429 Protocol Tutorial V1.0（1500-029） [EB/OL].（2004）.http://defense.ge-ip.com/library/detail/1956.pdf.

[5]Texas Instruments Inc.TMS320LF2407，TMS320LF2406，TMS320LF2402 DSP Controllers [EB/OL].（2003） .http://www.ti.com.cn/product/cn/tmslf2407.pdf.

[6]Device Engineering Inc.DEI1016/DEI1016A/DEI1016B/DEI1016C ARINC429 Transceiver Family[EB/OL].（2005）.http://deiaz.com/data-sheets/DS-MW-01016-01-E.pdf.

[7]PLX Technology Inc.PCI9052[EB/OL].（1997-08-16）.http://www.plxtech.com/products/io/pci9052.pdf.