摘  要： 提出了一種基于USB接口的多功能ARINC429總線接口板設(shè)計方案,。通過采用SoPC技術(shù),、USB協(xié)議芯片,、基于VHDL的自定義429總線IP核設(shè)計以及基于SD卡的存儲設(shè)計，快速構(gòu)建了系統(tǒng)硬件，在Nios II開發(fā)環(huán)境下采用C語言開發(fā)了系統(tǒng)核心軟件,，實現(xiàn)了系統(tǒng)的總線通信和數(shù)據(jù)存儲多功能設(shè)計,。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的性能,、便攜性和經(jīng)濟(jì)效益,。
關(guān)鍵詞： USB；ARINC429,；SoPC

　當(dāng)前,，由于ARINC429總線在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，國內(nèi)出現(xiàn)了各種針對不同平臺和接口的ARINC429接口板,，包括ISA,、PCI、USB,、GPIB和VXI等接口類型,。這些板卡大多采用專用的協(xié)議處理芯片（如HI-8585、DEI1016芯片等）來進(jìn)行ARINC429總線通信處理[1],，也有部分板卡采用了自主協(xié)議芯片或FPGA來實現(xiàn)[2],。但是，它們的功能相對單一,，一般只用于總線數(shù)據(jù)收發(fā)處理,，自身不具備數(shù)據(jù)存儲功能，必須由主機(jī)軟件進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的記錄,、處理和存儲,，對于一些需要實時記錄和存儲多路429數(shù)據(jù)，同時要求較高保密性,、便攜性的場合來說,，存在一定的局限性。因此,，本文提出了一種基于USB接口的多功能ARINC429總線接口板設(shè)計方案,，設(shè)計了一種既可以通過USB進(jìn)行多路ARINC429總線通信，又具備數(shù)據(jù)存儲功能的多用途接口板,。
1 硬件設(shè)計
　該板卡外形設(shè)計緊湊,，體積與普通USB硬盤相當(dāng)，便于攜帶,，功耗較低,，采用USB總線供電，無須外置電源,。板卡核心為基于FPGA的嵌入式微計算機(jī)系統(tǒng),，主要功能包括USB總線事務(wù)處理、429總線通信和數(shù)據(jù)存取處理，系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示,，分為微控制器模塊,、USB協(xié)議處理模塊、ARINC429總線協(xié)議處理模塊,、SD卡模塊和電源模塊,。

1.1 微控制器模塊
　微控制器模塊是系統(tǒng)的控制中心，它包括FPGA芯片,、50 MHz有源晶振,、JTAG調(diào)試模塊、4 MB EPCS串行FLASH和16 MB的48LC4M32型SDRAM,。其中,，F(xiàn)PGA芯片是微控制器模塊的核心，選用了Altera的BGA封裝的EP3C16F256型FPGA,，該芯片本身具有可編程,、可裁減等特點，通過采用SoPC技術(shù),，應(yīng)用Quartus開發(fā)環(huán)境提供的可裁減IP模塊,，可在FPGA內(nèi)快速構(gòu)建一個嵌入式微計算機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜事務(wù)處理功能[3]。FPGA內(nèi)實際應(yīng)用的IP模塊包括：32 bit RISC Nios II CPU,、SDRAM控制器,、2個SPI主控制器、PIO控制器以及用于軟件調(diào)試及程序引導(dǎo)的JTAG-UART和EPCS-Control等,。
　通過選用FPGA,，采用SoPC技術(shù)定義必要的IP模塊，合理分配芯片資源,，在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時加快了開發(fā)周期,，提升了系統(tǒng)性能。
1.2 USB協(xié)議處理模塊
　USB協(xié)議處理模塊由FPGA芯片內(nèi)部的PIO控制器,、SPI主控制器及CH376芯片組成,。
其中，CH376芯片可支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式,，并且內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件,、SD卡的通信接口固件、FAT16和FAT32等文件系統(tǒng)的管理固件,，支持常用的海量存儲設(shè)備和SD卡,。CH376芯片支持8 bit并口、SPI接口和異步串口3種通信接口,。
　在本系統(tǒng)中,，CH376芯片工作于USB設(shè)備方式,。 FPGA與CH376的通信方式采用SPI方式，為保證與CH376芯片的正常通信,，F(xiàn)PGA的SPI設(shè)置為主模式，總線寬度為8 bit,，模式為0,，高位在前，速率設(shè)置為5 Mb/s（可設(shè)置在2 Mb/s~24 Mb/s之間）,。CH376芯片在USB設(shè)備方式下支持5個物理端口,，端點0是默認(rèn)端點，支持上傳和下傳,，緩沖區(qū)各為8 B,；端點1包括上傳端點和下傳端點，緩沖區(qū)各為8 B,；端點2包括上傳端點和下傳端點,，緩沖區(qū)各為64 B。端點2的上傳端點作為批量數(shù)據(jù)發(fā)送端點,，端點2的下傳端點作為批量數(shù)據(jù)接收端點,，端點1的上傳端點作為中斷端點，端點1的下傳端點作為輔助端點,。根據(jù)板卡工作模式的不同,，數(shù)據(jù)傳輸端點也不同，在總線模式下,，由于ARINC429總線的收發(fā)速率較慢（最大100 KB）,，因此數(shù)據(jù)的傳輸采用中斷方式，應(yīng)用CH376芯片的端點1作為數(shù)據(jù)的上傳和下傳端點,；在U盤模式下,，應(yīng)用端點2批量方式數(shù)據(jù)傳輸。
　需要強調(diào)的是,，在總線模式下,， CH376芯片對數(shù)據(jù)的傳輸是基于中斷方式的，在對其進(jìn)行操作時,，F(xiàn)PGA本地端應(yīng)注意對中斷的處理,。由于ARINC429總線是全雙工傳輸方式，數(shù)據(jù)的上傳和下傳是獨立的,，在數(shù)據(jù)的上傳過程中,，應(yīng)關(guān)閉FPGA的中斷，保證數(shù)據(jù)上傳成功后開啟中斷,，且在數(shù)據(jù)上傳成功后,，CH376將中斷信號INT置“0”,，此時，由于FPGA已關(guān)閉中斷,，對該中斷不響應(yīng),，可采用查詢方式，并對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行操作,，將INT信號復(fù)位,。數(shù)據(jù)的上傳由FPGA的中斷處理函數(shù)完成，在中斷處理函數(shù)中,，將USB總線下傳的數(shù)據(jù)發(fā)送至發(fā)送FIFO,，以供ARINC429協(xié)議處理模塊發(fā)送。
1.3 ARINC429總線模塊
　ARINC429總線模塊主要由ARINC429總線協(xié)議IP核和電平轉(zhuǎn)換電路（HI-8588,、HI-8570）組成,，可實現(xiàn)429總線的雙極性與AVALON總線之間的轉(zhuǎn)換。ARINC429總線協(xié)議IP核采用VHDL語言設(shè)計,，完全自主開發(fā),，以自定義IP方式掛接在FPGA內(nèi)的AVALON總線上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,。采用這種設(shè)計方法,，可將429總線硬件的控制完全交由CPU軟件處理，降低了硬件設(shè)計的難度,，同時也增強了總線控制的靈活性,。
IP核的AVALON總線接口模塊的主要任務(wù)是實現(xiàn)AVALON總線信號和FIFO控制信號之間的轉(zhuǎn)換。在發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)下,，將CPU通過AVALON總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)發(fā)送至FIFO,；在接收數(shù)據(jù)狀態(tài)下，它負(fù)責(zé)讀取存放在FIFO中的數(shù)據(jù),，并在CPU的控制下,，通過AVALON總線將數(shù)據(jù)發(fā)送至CPU。FIFO模塊由發(fā)送FIFO和接收FIFO組成,，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)寬度為32 bit,，存儲深度為64 bit，主要任務(wù)是緩沖總線的數(shù)據(jù),，防止由于CPU未及時響應(yīng)所帶來的數(shù)據(jù)丟失以及由于CPU操作過快造成的總線數(shù)據(jù)堵塞,。編碼模塊實時讀取FIFO的數(shù)據(jù)，將32 bit并行碼轉(zhuǎn)換為32 bit差分形式的串行碼輸出,，再發(fā)送至電平轉(zhuǎn)換電路,；解碼模塊接收經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的總線數(shù)據(jù)，將32 bit差分串行碼轉(zhuǎn)換并行碼輸出發(fā)送至FIFO,；編,、解碼模塊實現(xiàn)了4路ARINC429總線的收發(fā)通信,，且通信速率可以配置。

　電平轉(zhuǎn)換電路由4片HI-8588和4片HI-8570組成,，主要完成雙極性三態(tài)碼和TTL電平差分碼之間的轉(zhuǎn)換,。對于輸入，由HI-8588芯片將滿足ARINC429總線電氣特性的串行碼轉(zhuǎn)換為TTL電平差分碼,；對于輸出,，由HI-8570芯片將接收到的TTL電平差分碼轉(zhuǎn)換為滿足ARINC429總線電氣特性的串行碼。
1.4 SD卡模塊
　SD卡作為非易失存儲器,，負(fù)責(zé)實時存儲總線數(shù)據(jù)。由于SD卡本身具有價格低廉,、存儲容量大,、使用簡單、可靠性高和安全性強等優(yōu)點,，其可用于對保密性和便攜性要求較高的場合,。
　系統(tǒng)通過FPGA以SPI方式對SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，其中,，寫入數(shù)據(jù)按特定格式加密存儲,，讀出數(shù)據(jù)需依賴專用驅(qū)動和應(yīng)用軟件，以確保安全使用,。當(dāng)系統(tǒng)正進(jìn)行ARINC429總線通信時,，可以選擇開啟SD卡記錄功能，由FPGA實時地將收發(fā)的總線數(shù)據(jù)寫入SD卡,；當(dāng)需要讀取SD卡內(nèi)所存總線數(shù)據(jù)時,，可由驅(qū)動軟件關(guān)閉ARINC429總線通信及SD卡記錄功能，通過FPGA將數(shù)據(jù)從SD卡讀出,，并通過USB總線發(fā)送至主機(jī)供專用應(yīng)用軟件處理,。
1.5 電源模塊
　電源模塊負(fù)責(zé)將USB總線電源（+5 V）轉(zhuǎn)換為各芯片工作電壓，如1.2 V,、3.3 V,、2.5 V、-5 V,。其中,，1.2 V、3.3 V和2.5 V由線性穩(wěn)壓模塊AMS7111系列芯片轉(zhuǎn)換,，-5 V電壓由TPS63700型小封裝高效率開關(guān)類電源芯片產(chǎn)生,。
2 軟件設(shè)計
　系統(tǒng)的軟件設(shè)計是指板內(nèi)的Nios軟件設(shè)計，主要依托NIOS II 9.0集成開發(fā)環(huán)境[4],，采用C語言編寫,。該軟件主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)硬件,，完成USB總線通信、ARINC429總線通信以及SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)的存取處理三大功能,。
系統(tǒng)軟件主要流程如圖3所示,，首先必須根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的工作狀態(tài)代碼判斷系統(tǒng)工作方式。設(shè)計的工作方式有總線通信模式和數(shù)據(jù)讀取模式兩種,。

　在總線通信模式下,，Nios II軟件主要完成兩項工作：一是實時監(jiān)測總線接收的數(shù)據(jù)，循環(huán)查詢接收FIFO的狀態(tài),，若已接收總線數(shù)據(jù),，則將數(shù)據(jù)發(fā)送至CH376芯片；二是在主程序運行過程中及時響應(yīng)429發(fā)送中斷,，并在中斷服務(wù)子程序中將USB總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,，發(fā)送到FIFO，最終發(fā)送到ARINC429總線,。無論是接收總線數(shù)據(jù)還是發(fā)送總線數(shù)據(jù),，都可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)存儲至SD卡。如果不開啟數(shù)據(jù)存儲功能,，該模式下的系統(tǒng)功能與普通的ARINC429總線接口卡功能基本相同,。
　在數(shù)據(jù)讀取模式下，軟件循環(huán)將SD卡的數(shù)據(jù)依順序讀出,，轉(zhuǎn)存至SDRAM,，然后以批量傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到CH376芯片，最終通過USB總線傳送至上位機(jī),，直至所有數(shù)據(jù)均讀取完畢,。此時，系統(tǒng)不會調(diào)用中斷服務(wù)子程序,。正是由于數(shù)據(jù)讀取模式的軟件設(shè)計,，使系統(tǒng)在單一的ARINC429總線通信功能之外多了一項數(shù)據(jù)存儲功能。
　通過上述系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計,，完成了基于USB接口的多功能ARINC429總線接口板的開發(fā),，并在WinDriver和Visual C++開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了板卡的USB驅(qū)動程序和API，進(jìn)而在USB驅(qū)動和API的基礎(chǔ)之上開發(fā)了針對某型設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序,。使用時,，用USB數(shù)據(jù)線將該板卡連接到便攜式計算機(jī)上，通過多路429總線對某型設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,，并記錄所有總線數(shù)據(jù)存儲于板內(nèi)的SD卡中,，然后通過專門的應(yīng)用程序獲取SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析。
　應(yīng)用結(jié)果表明,，該板卡實現(xiàn)了多功能設(shè)計,，性能穩(wěn)定可靠,，極大地降低了成本，完全滿足保密性和便攜性要求,。
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