摘? 要: 傳統(tǒng)的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)接口設計往往比較復雜。針對這種情況，著重介紹了一種利用FPGA 技術來實現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中ARINC429總線接口的設計方法。并對ARINC429總線協(xié)議進行了分析，給出了大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出ARINC429參數(shù)。該接口具有結構簡單、設計靈活、可靠性高等優(yōu)點。
關鍵詞: 單片機; FPGA; 大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng); ARINC429總線接口
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在飛機座艙顯示中，飛行員要依靠大氣數(shù)據(jù)信息保證飛行安全。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)是以微處理器為核心，具有多種輸入輸出接口，用來測量、計算并指示飛機的多個飛行參數(shù)，包括計算空速、真空速、飛行速度、升降速度、大氣高度、馬赫數(shù)、大氣總溫、大氣靜溫等，其運行狀況直接決定著飛機飛行的安全性，因此大氣數(shù)據(jù)計算機在飛機飛行時顯得尤為重要。傳統(tǒng)飛機的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口控制是采用分離的元器件或多個小規(guī)模的集成電路來控制的，本文著重論述一種用FPGA技術來實現(xiàn)的ARINC429總線接口設計，利用FPGA 技術來實現(xiàn)ARINC429總線接口的控制，具有結構簡單、體積小、設計靈活、可靠性高等優(yōu)點。
1 ARINC429 數(shù)字信息傳輸要求
ARINC429總線是美國航空電子工程委員會于1977年7月提出并于同年9月被認可的工業(yè)標準，是一種廣泛應用在民用航空中的標準總線。
1.1 電氣特性要求
ARINC429發(fā)送和接收設備均采用雙絞線屏蔽線傳輸信息，其速率為100kb/s或12.5kb/s,通常以脈沖形式發(fā)送，并采用雙極型歸零制的三態(tài)碼方式調(diào)制，即信息由“高”、“零”和“低”狀態(tài)組成的三電平狀態(tài)調(diào)制。總線發(fā)送器開路時，發(fā)送器輸出電壓如表1所示。
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額定電壓將受到噪音和脈沖畸變的干擾，這樣實際接收器輸入端的電壓范圍為：
高電平：+6.5～+13V，“零”電平：+2.5～-2.5V，低電平：-6.5～-13V。
1.2 信息要求
將一個32位數(shù)據(jù)字分為5組，即：
（1）標志碼（label）,第1～8位，用于表示信息的類型。
（2）源/目的識別碼（SDI），第9～10位。當需要將特定字發(fā)送給多系統(tǒng)設備的某一特定接收系統(tǒng)，或者多系統(tǒng)設備的源系統(tǒng)需要根據(jù)字的內(nèi)容被指定的接收器識別時，可用源目標標示功能。
（3）數(shù)據(jù)區(qū)（data）,第11～29位。
（4）符號狀態(tài)位（SSM），第30～31位。BCD數(shù)字數(shù)據(jù)的符號（正、負、北、南等）。AIM數(shù)據(jù)的字類型(初始字、中間字、控制字和結束字）和發(fā)送器硬件的狀態(tài)用第30和第31位編碼表示。
（5）奇偶校驗位（parity）,第32位，奇校驗。
ARINC429總線協(xié)議的字格式如表2所示。
上述字的發(fā)送格式為：源/目標標志位、源/目標標示位、數(shù)據(jù)區(qū)、標記位、符號/狀態(tài)位和奇偶校驗位。其中源/目標標志位與正常順序相反，先發(fā)送高位再發(fā)送低位。
大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用ARINC429標準輸出大氣參數(shù)，其輸出ARINC429參數(shù)如表3所示。
2 硬件設計
2.1 大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設計
圖1所示為該系統(tǒng)的整個結構框圖，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)由大氣數(shù)據(jù)計算機（這里采用的是單片機）、溫度傳感器和壓力傳感器以及信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換器等部分組成。
由大氣壓力傳感器及大氣溫度傳感器輸出測量信號，并將其傳送到大氣數(shù)據(jù)計算機；經(jīng)過計算機的分析計算處理送到ARINC429數(shù)據(jù)總線上；標準型大氣數(shù)據(jù)計算機在ARINC429數(shù)據(jù)總線上輸出以下信息：壓力高度、升降速度、馬赫數(shù)、計算空速、真空速、大氣總溫、大氣靜溫等。
2.2 ARINC429總線接口電路設計
系統(tǒng)中ARINC429總線接口電路設計如圖2所示，它主要由單片機、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送/接收單元等組成。單片機選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51芯片，它是8位單片機，主要完成接口電路中ARINC429總線發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的處理。ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)送/接收單元主要由兩個芯片來實現(xiàn)：一是ARINC429總線協(xié)議芯片，采用INTERSIL公司生產(chǎn)的高集成度CMOS可編程控制芯片HS-3282，該芯片符合ARINC429航空標準及其他串行數(shù)據(jù)標準，用來完成發(fā)送數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的轉(zhuǎn)換；二是ARINC429總線驅(qū)動芯片HS3182，它用來完成接口電路內(nèi)部邏輯信號與ARINC429差分信號的轉(zhuǎn)換，并且可以調(diào)節(jié)ARINC429總線傳輸速率。FPGA選用的是XILINX公司生產(chǎn)的XCS10芯片。系統(tǒng)中采用一片F(xiàn)PGA芯片來完成接口電路中的邏輯控制，其編程語言采用Verilog語言，通過ISE5.x進行編譯、綜合適配和仿真。
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3 軟件設計
ARINC429總線接口電路的軟件設計主要包括以下三個部分：軟件初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)。
3.1 軟件初始化
上電復位后，軟件應在正式工作前初始化HS-3282，即向控制器寫控制字，對控制字的設置，主要包括字長、數(shù)據(jù)速率、奇偶校驗等設置。字長可以設置為32位或25位。外部提供的工作時鐘為1MHz，內(nèi)部接收和發(fā)送速率可以設置為100kb/s或12.5kb/s。奇偶校驗由控制字PARCK（BD12）決定。該位置0為奇校驗，置1為偶校驗。
3.2 接收數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)接收部分以對中斷響應的處理為核心。因為HS-3282有兩個接收器，因此在硬件設計時，將接收器標志DR1/、DR2/分別與單片機的INT0和INT1相連接，當產(chǎn)生接收中斷時，首先判斷是哪個接收器引起的中斷，再進行相關的信息接收處理。中斷接收數(shù)據(jù)先存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，再由主程序讀出。
3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)
在進行數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，首先檢查發(fā)送器的狀態(tài)，只有當標志位TX/R為1時，發(fā)送器才能工作;再將待發(fā)送數(shù)據(jù)送至發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)，通過對相應的發(fā)送使能信號PL1/、PL2/及ENTX進行控制，實現(xiàn)ARINC429總線數(shù)據(jù)的發(fā)送。
利用FPGA 技術來實現(xiàn)ARINC429總線接口的控制，具有結構簡單、體積小、設計靈活、可靠性高等優(yōu)點。
參考文獻
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