TMS320F2812与ARINC429数据总线之间的通信设计[图]

摘要：ARINC429总线是一种应用广泛的航空数据总线，主要用于航空电子设备和系统之间的通信。在描述ARINC429总线和HS-3282的基础上，提出了TMS320F2812 DSP与ARINC429数据总线通信的设计方法。该系统主要由429数据收发模块和CPLD逻辑控制模块组成。429数据收发模块采用429专用协议收发芯片HS-3282完成429总线数据的格式转换和协议处理，CPLD逻辑控制模块使用CPLD地址译码产生HS-3282所需要的初始化、接收使能、发送使能信号，TMS320F2812通过CPLD逻辑控制对HS-3282进行时序控制来完成TMS320F2812与429总线的通信。结果表明，该系统能实现TMS320F2812与ARINC429数据的100 kb速率的通信，并完成总线数据格式转换。
关键词：TMS320F2812；ARINC429总线；数据传输；数据格式转换

    作为机载电子设备之间数据传输的一种标准，ARINC429总线以其特有的优点在现代军用与民用飞机上得到了广泛的应用。它是美国航空无线电公司(ARINC)制定的航空数字总线传输标准，定义了航空电子设备和系统之间相互通信的一种规范，因此对于ARINC429总线通信的研究是有重要的现实意义和应用前景。为了使系统能够对ARINC429数据进行处理并将处理好的数据发送出去，文中提出了一种基于DSP和ARINC429专用协议芯片HS-3282的总线数据设计方法。

1 ARINC429数据传输规范
    ARINC429总线采用双绞屏蔽线传输信息，通过一对双绞线反向传输，具有很强的抗干扰能力。其调制方式采用双极归零制的三态码方式，即信息由“高”、“零”和“低”3种状态组成。ARINC429总线的1个数据字有32位，32位数据字以脉冲形式发送，采用了双极归零调制，发送出去的脉冲有3个电平，即高电平(+10V)、中电平(0V)、低电平(-10V)。高电平为逻辑1，低电平为逻辑0，中电平为发送自身时钟脉冲。429数据的两个数据字之间有4位间隔，这4位间隔作为字同步。一般ARINC429发送速度有2种：一种为高速，100kbit／s；一种为低速，12．5 kbit／s。通常高速用于军用飞机上，低速用于民用飞机上。ARINC429数据格式如表1所示。

2 系统硬件设计
    本系统主要是实现ARINC429总线数据信息的接收和发送。本系统中采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制核心和CPLD芯片作译码电路控制429数据收发芯片时序逻辑，配合1片高性能ARINC429数据收发芯片HS-3282和1片ARINC429数据发送驱动芯片HS-3182，形成1个数据接收通道和1个数据发送通道，由它们构成数据收发、串／并、并／串转换的主体，其系统结构框图如图1所示。

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    2．1 TMS320F2812
    在整个系统中，TI公司的DSP芯片是整个接口系统的核心，采用TMS320F2812，主要用来控制各个部分协调工作，完成对接收／发送数据的处理和与CPLD配合产生收发模块所需要的控制信号。作为TI公司首推的TMS320F2812具有很高的性价比，广泛应用于工业控制，特别是应用于处理速度、处理精度等方面要求较高的领域，在电子控制领域发挥着重要的作用，推动了电子信息化的进程。由于TMS320F2812采用了先进的改进型哈佛结构，流水线技术，指令执行速度快，具有可高达150 MIPS的处理能力，完全能够满足ARINC429信号的处理。并且片内具有128 k Flash存储器，使得电路的设计比较简单。
2．2 HS-3282简介
    HS-3282是美国Harris公司生产的专门面对ARINC429总线的一种高性能CMOS总线接口芯片，能满足ARINCA29协议的译码、时分复用、串行数据协议等标准的要求。当它与驱动芯片HS-3182配合使用时，能正确收发ARINCA29规范数据，且抗干扰性能好。因而采用其来设计ARIN-C429总线接口电路既简单、有效，又能保证可靠性。
    HS-3282包含两路接收器和一路发送器，接收器和发送器分别独立工作。两个分别独立的接收器直接与ARINC429总线相连，并以十倍于接收数据速率的频率工作，发送器的数据速率可以与接收器速率相同或不同。尽管两个接收器工作在同一个频率下，但是它们独立工作并异步接收串行数据。ARINC总线接口芯片发送器主要包括FIFO存储器和时钟电路。FIFO存储器能够为发送器连续保存8个ARlNC数据。时钟电路用来正确分隔每个ARINC数据字以满足ARINC429规范。尽管ARINC429规范指定为包含校验位的32位字，通过编程，HS-3282的数据字长度也可以为25位。HS-3282接收器是将串行429数据转换为2个并行的16位数据，而发送器则是将2个并行的16位数据转化为串行429数据。
2．3 ARINC数据收发模块
    该模块主要完成ARINC429数据的接收、发送和速率转换等功能，利用1片高性能的ARINC429数据收发芯片HS-3282和1片ARINC429数据发送驱动芯片HS-3182完成一路接收和一路发送通道，由它们完成数据缓存，串／并、并／串转换和系统内部逻辑信号与ARINC429差分信号的转换。
    HS-3182为正式差分输出，用来把要发送的信息转变为符合ARINC429传输规范的电平，与驱动芯片HS-3182相连的电容用来改善输出数据的上升沿和下降沿，这里对于不同的数据传输速率选择不同的电容，75 pF电容对应ARINC429总线高速工作状态，300 pF电容对应低速作状态，这两个电容极其重要，为了提高稳定性、降低干扰，最好采用军品电容。
    数据发送单元主要完成把并行的信息转化为串行信息，再把串行信息转变为双极性归零码，发送至ARINC429总线。数据接收单元主要把ARINC429总线上来的双极性归零串行信息转变为一般的串行信息，再经过移位寄存器转换为并行信息。ARINC429数据发送／接收单元的原理图如图2所示。

    HS-3282中D／R1接F2812的外部中断，使429数据接收为中断接收；CWSTR、ENTX、TX／R、MR等经电平转换连接到F2812的I／O口；429DI(A)和429DI(B)直接连接429总线，接收来自429总线的数据；429D0及／429D0和HS-3182的DATA(A)、DATA(B)连接，将HS-3282发送器的数据经HS-3182驱动后发送至429总线。
2．4 CPLD逻辑控制
    对于F2812，每个区域的读、写操作时序都可以单独配置，且每个区域都有片选信号，当片选信号被置低(置0)，那么当前用户将访问相应的存储空间(读、写操作)。在本系统中，选用Zone0空间，Zone0占用的外部总线地址为0x2000～0x3FFF，当XA[13]为高电平，XA[14]为低电平时选择ZoneO空间，Zone0片选使能逻辑如图3所示。

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    CPLD集成了系统地址选择模块，实现对外部器件的访问。CPLD的逻辑功能决定了HS-3282的功能地址，通过地址译码产生HS-3282所需要的控制信号PL1、PL2、EN1和CWSTR所需要的控制信号。系统中译码模块的逻辑如图4所示。由片选使能和CPLD译码逻辑可得PL1、PL2、EN1和CWSTR的选通地址。

3 系统软件设计
    此系统的软件部分主要包括初始化模块、数据的发送／接收子程序模块。
    1)初始化模块系统上电后，首先进行初始化，初始化模块包括上电芯片复位和写控制字到HS-3282控制字寄存器。该控制字主要有字长、接收速率、发送速率、源目的解码和自测试设置。初始化流程图如图5(a)所示。

    2)ARINC429数据发送模块数据发送是首先向FIFO写入数据，然后经HS-3182驱动发送到总线。在向FIFO写操作过程中，PL1先于PL2有效，多次的写PL1将会使先前的数据被覆盖，PL1有效时，低16位数据被发送到FIFO中。当PL2有效时，高16位数据被传送到FIFO中。第1个数据字写入后TX／R由高变低，然后通过置发送使能信号ENTX，HS-3282将数据字串行发送出去，并自动在相邻两个字之间插入4bit间隔。当FIFO为空时，TX／R由低变高，此时应当禁止发送使能信号ENTX，以便向FIFO重新写入数据。当HS-3282处于发送状态时，不能向FIFO写入数据。发送模块流程图如图5(b)所示。
    3)ARINC429数据接收模块 数据接收模块被设计为中断接收，由HS-3282的D／R1提供中断信号。当D／R1为0时，进入中断，并表明ARIN-C429总线上有数据到来，此时选通EN1地址，再置SEL为0，接收低16位数据；接着置SEL为1，再选通EN1地址，接收高16位数据。接收模块流程图如图5(c)所示。

4 结束语
    针对ARINC429总线的应用，提出了TMS320F2812与ARINC429总线通信的软硬件设计和实现方案。该设计硬件电路简单，数据通信程序可读性好，编写容易，数据传输准确可靠。在设计TMS320F2812数据总线读写的逻辑控制时，XRD和XWE信号必须参与逻辑控制，保证顺利读写总线数据。经验证该系统能够有效地完成2个16位并行数据到32位串行数据的转换，实现了TMS320F2812 DSP与ARINC429总线之间的数据通信，且传输速率为100 kb，达到了系统的设计要求。该系统可广泛借鉴并应用于ARINC429总线数据传输系统及ARINC429接口卡设计中。