引言
ARINC429總線由美國航天無線電設備公司所資助，是廣泛應用于當前航空電子設備中的一種數據總線傳輸標準,。與傳統(tǒng)的航空電子設備間的模擬傳輸相比,，ARINC429總線具有抗干擾能力強,、傳輸精度高、傳輸線路少以及成本低等優(yōu)點,。ARINC數據總線協(xié)議規(guī)定一個數據由32位組成,，采用雙極性歸零碼，以12.5Kb/s或100Kb/s碼速率傳輸,。本設計利用USB即插即用,、FPGA可靈活配置等特點，設計了基于USB總線的ARINC429總線接口模塊,。
接口模塊總體設計結構
接口模塊總體設計包括硬件設計和軟件設計兩部分,。硬件設計由USB接口芯片，FPGA和調制/解調電路三部分組成,。硬件設計整體框圖如圖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機和FPGA之間的數據傳輸,，起到接口模塊的橋梁作用,。FPGA采用ALTERA公司的CycloneⅡ系列EP2C5Q208，主要負責將32位429數據字按照ARINC429數據總線協(xié)議串行輸出,，當檢測到ARINC429總線上的數據時,，將數據組裝成32位429數據字發(fā)送給PC機。調制/解調電路主要負責將FPGA輸出的LVTTL電平調制為滿足ARINC429總線電氣特性的電平（即高電平為+10V,，低電平為-10V,，0V為自身時鐘脈沖），并將輸入的ARINC429電平解調為FPGA可接收的LVTTL電平,。
軟件設計主要包括USB-ARINC儀器驅動程序,，USB設備驅動程序以及底層USB固件程序的設計。軟件設計整體框圖如圖2所示,。USB-ARINC儀器驅動程序主要將應用程序與驅動程序之間的通信協(xié)議以及接口模塊的硬件控制進行再次封裝,，并為應用程序提供接口，即API函數,。USB設備驅動程序主要負責PC機與接口模塊之間的數據傳輸,。USB固件程序主要負責發(fā)送接口模塊的控制命令，32位429總線數據字以及接收到32位429數據字后的中斷處理,。
接口模塊硬件設計
接口模塊硬件部分由USB接口芯片,，FPGA和調制/解調電路三部分組成。下面以一路429設備為例來介紹接口模塊的發(fā)送和接收部分的硬件設計,。
發(fā)送部分硬件設計
發(fā)送部分硬件設計框圖如圖3所示,。發(fā)送部分主要負責將ARINC429數據字按照設置的發(fā)送模式傳輸給ARINC429總線。
USB接口芯片CY68013負責接收PC機傳來的32位429數據字,，并傳輸給PC機所指定的429總線設備,。由于要傳輸給多路429總線設備,，所以PC機還必須給每一個429數據字加上一個設備通道號。圖3中接口芯片內的Buffer用來存儲要發(fā)送的429數據字,。當8051處理器檢測到Buffer中有數據后,，先將設備通道號寫給FPGA中發(fā)送控制模塊，然后再將429數據字寫到FPGA的RAM中,。
由于在測試ARINC429電子設備中,，時常要求多路ARINC429總線同時傳輸數據。為了實現接口模塊多路ARINC429總線同時工作,，本設計采用了一個全局start/stop信號,。當PC機傳下start信號后，FPGA中各路的發(fā)送控制模塊開始將RAM中數據取出并傳輸給移位寄存器,。移位寄存器再將并行輸入的32位429數據字串行輸出給外圍的發(fā)送調制電路,。FPGA中時鐘控制模塊用來控制發(fā)送ARINC429數據字的速率。
因為FPGA輸出信號是LVTTL電平,，并不滿足ARINC429數據總線的電氣特性,，所以必須加上發(fā)送調制電路對FPGA輸出的LVTTL A和LVTTL B兩路信號進行調制，以滿足ARINC429數據總線的電氣特性,。
接收部分硬件設計
接收部分硬件設計框圖如圖4所示,。接收部分主要作用是檢測ARINC429總線上是否有數據，并當有數據時將并行的32位429數據字組裝成并行的4個字節(jié)數據發(fā)送給PC機,。
首先，PC機設置接收部分的傳輸速率,，即設置FPGA中時鐘控制模塊輸出的讀控制時鐘信號r_clk,，它以16倍于傳輸速率進行采樣。當LVTTL A和LVTTL B任一路為高電平,，即為有效數據的開始,。在FPGA中，同步字頭接收模塊負責這部分工作,。當有效數據開始后,，接收32個串行輸入數據，并將數據發(fā)送給接收數據檢測模塊,，同時data_en信號有效,。接收數據檢測模塊檢測到data_en信號，鎖存32位429數據字,。在對數據進行奇校驗無誤后,，向USB接口芯片發(fā)送一個中斷信號。
當USB接口芯片響應中斷信號后,，先判斷是哪一路ARINC429總線數據,，并將此路總線的通道號寫入芯片的Buffer中,。USB接口芯片再發(fā)送讀信號讀取FPGA中寄存器的429數據字，共4個字節(jié),。本設計采用雙緩沖Buffer方式來存儲接收到的429數據字,。這種設計方式能有效提高接口模塊傳輸數據的穩(wěn)定性和準確性。
接收解調電路主要負責將ARINC429總線輸入的電平解調為FPGA可接收的LVTTL電平,。
接口模塊軟件設計
接口模塊軟件由USB-ARINC429儀器驅動程序,、USB驅動程序和USB固件程序等三部分組成。USB-ARINC429儀器驅動程序主要將應用程序與驅動程序之間的通訊協(xié)議以及應用程序與硬件之間的數據傳輸命令進行封裝,。儀器驅動程序在Visual C++6.0下開發(fā),，可以提供給應用程序顯式或隱式調用。在本文中不詳細介紹儀器驅動程序的開發(fā)過程,。下面將介紹USB固件程序及驅動程序的設計,。
USB固件程序設計
USB接口芯片是底層硬件的基礎，是接口模塊與PC機通信的硬件橋梁,，良好的USB固件程序設計是接口模塊能夠穩(wěn)定可靠工作的保證,。USB固件程序設計結構如圖5所示。
USB固件程序設計由主程序(Main.c),，寫數據程序(Function.c),，讀數據中斷服務子程序(Isq)以及控制傳輸(Vendor)等四部分組成。
主程序Main.c主要負責USB接口芯片的初始化工作,。主要有端口的初始化,、中斷的初始化、USB設備的列舉和重列舉等工作,。Main.c的設計結構如圖6所示,。
寫數據程序Function.c采用了USB接口芯片CY68013數據總線操作方式，將圖3 Buffer中的ARINC429數據字寫到FPGA的RAM中,。
讀數據中斷服務子程序(Isq)主要負責接口模塊讀取ARINC429總線數據,，并根據USB接口芯片的中斷引腳來標記429數據字的通道號。
控制傳輸(Vendor)主要是靈活地控制接口模塊的發(fā)送模式,。接口模塊共有單次發(fā)送,、多次發(fā)送以及循環(huán)發(fā)送等三種發(fā)送模式。三種發(fā)送模式可以滿足多種ARINC429數據發(fā)送需要,。其中,，多次發(fā)送模式和循環(huán)發(fā)送模式可以設定ARINC429數據字與數據字之間的字間隔，并可以設定一組ARINC429數據字的循環(huán)周期,。這種設計方式體現了接口模塊的靈活方便特性,。
USB設備驅動程序設計
USB設備驅動程序是利用Compuware公司的DriverStudio 3.2開發(fā)的。DriverStudio 3.2主要用來開發(fā)Windows 2000和Windows XP的驅動程序,。利用這個工具的開發(fā)向導,，可以生成一個USB驅動程序框架,。USB驅動程序設計簡化結構如圖7所示。
USB設備驅動程序基本由五部分組成,，圖4中顯示了四部分,。入口例程(DriverEntry Routine)、即插即用例程(PnP Routine)和卸載例程(Unload Routine)主要負責接口模塊的內存資源分配和釋放等工作,。下面將詳細介紹與接口模塊數據傳輸關系緊密的分發(fā)例程(Distribute Routine),。
分發(fā)例程主要由Create，Read,，Write,，IOCTL以及Close等五部分函數組成。Close函數主要負責關閉設備句柄,，調用卸載例程,，并釋放設備內存資源(這個函數在圖中并未列出)。其它四部分與上層應用程序的接口函數分別為CreateFile,，ReadFile,，WriteFile和DeviceIoControl。
Create函數主要負責獲取對接口模塊進行操作的程序句柄,，該句柄在即插即用例程中指定,。
Read函數負責讀ARINC429數據。當應用程序通過調用ReadFile發(fā)一個IRP到驅動程序時,，驅動程序先檢測讀取數據長度是否大于已設定的端點傳輸最大字節(jié),。如大于，則僅分配長度為最大字節(jié)的內存空間,；如小于或等于,，則按該數據長度分配內存區(qū)。然后USB設備驅動程序再將此IRP向下傳遞給下層驅動程序,，最后由底層驅動程序將ARINC429數據寫到已分配的內存空間供應用程序讀取，并返回一個函數值和已讀取多少字節(jié)的變量給應用程序判斷,。Write函數操作與Read函數類似,，只是傳輸方向相反。
IOCTL函數負責接口模塊的控制命令傳輸,。當需要指定接口模塊發(fā)送模式或循環(huán)發(fā)送時的字間隔和幀周期時,，應用程序通過調用DeviceIoControl發(fā)一個IRP給驅動程序。驅動程序收到此IRP時,，將通過USB控制管道把接口模塊控制命令傳輸給USB接口芯片,。
結論
經測試表明，接口模塊與現在市場上出售的多種429總線接口設備進行了多路429總線數據傳輸,。本設計利用USB即插即用,、FPGA可配置性等特點,，方便了ARINC429總線與計算機之間的數據傳輸，并提高了接口模塊數據傳輸的靈活性,，這在對ARINC429電子設備的測試中有較高的實用價值,。