基于80C196KC的ARINC429總線接口板設(shè)計(jì)
1 引言
ARINC429總線是美國(guó)航空無(wú)線電公司（ARINC）制定的民用航空數(shù)字總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，又稱為Mark33數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于商用及運(yùn)輸飛機(jī)上，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部也于1986年參考ARINC429標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施了我國(guó)自己的航空通信標(biāo)準(zhǔn)HB-6096-86，其標(biāo)準(zhǔn)和ARINC429基本一致。
傳統(tǒng)的ARINC429總線收發(fā)板多是直接插到計(jì)算機(jī)的主板接口上，實(shí)現(xiàn)起來(lái)過(guò)于麻煩，并且要編寫(xiě)相應(yīng)得驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。本文介紹了一種基于Intel的16位單片機(jī)80C196KC的ARINC429總線收發(fā)板，它既可以通過(guò)串口連接到計(jì)算機(jī)上，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在收發(fā)板的存儲(chǔ)和顯示，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于攜帶，給ARINC429總線的檢測(cè)帶來(lái)了很大的方便。
2 ARINC429總線的傳輸標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
ARINC429協(xié)議規(guī)定以串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息的傳輸，并且只能是單向傳輸，所以在總線上只允許有一個(gè)發(fā)送設(shè)備，可以同時(shí)有多（不超過(guò)20個(gè)）個(gè)接收設(shè)備，信息編碼的基本格式有兩種，32位或25位數(shù)字組成的基本數(shù)據(jù)單元，無(wú)論那種格式都包括8位標(biāo)志位、1位奇偶校驗(yàn)位和兩位狀態(tài)位，兩種傳輸格式的不同只是攜帶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同，數(shù)據(jù)的傳輸速率有100Kbps和12.5Kbps兩種，既可以實(shí)現(xiàn)高速傳輸又可以低速傳輸[1]。
接口板設(shè)計(jì)的目的是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)ARINC429總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，,它既能接收雙極歸零制的429信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備,又可將計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為429信號(hào)輸出。本文介紹的總線接口板以Intel的十六位單片機(jī)MCS-80C196KC為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、外圍芯片的邏輯控制、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示以及和計(jì)算機(jī)的接口[3][4]。ARINC429總線協(xié)議芯片HS-3282完成發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)的緩存和并行、串行的相互轉(zhuǎn)換，HS-3182為ARINC429總線的驅(qū)動(dòng)芯片，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部邏輯信號(hào)與ARINC429所要求的差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)可以作為發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存和調(diào)節(jié)發(fā)送速率，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)的整體框圖
3 接口板的硬件設(shè)計(jì)
ARINC429總線協(xié)議芯片和驅(qū)動(dòng)芯片
ARINC429的接收電路已經(jīng)有了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的芯片組，其中以Harris公司生產(chǎn)的HS-3282和HS-3182最為流行，HS-3282是總線協(xié)議芯片，HS-3182是總線驅(qū)動(dòng)芯片，都滿足ARINC429的通信標(biāo)準(zhǔn)。
HS-3282是十六位寬的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線和ARINC429總線的接口，它有2接收通道和一個(gè)發(fā)送通道，HS-3182是實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，有關(guān)于這兩個(gè)芯片的介紹很多，這里就不再說(shuō)明。由于ARINC429總線的數(shù)據(jù)寬度為32位，而HS-3282的數(shù)據(jù)位寬為16位，因此用了兩個(gè)字WORD1、WORD2與計(jì)算機(jī)交換收發(fā)的32位ARINC429總線上的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1和表2所示[2]：
表1. WORD1與ARINC429總線數(shù)據(jù)位的關(guān)系
表2. WORD2與ARINC429總線數(shù)據(jù)位的關(guān)系
從表1和表2可以看出，ARINC429的數(shù)據(jù)位和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)位并不是一一對(duì)應(yīng)的，在WORD1中有標(biāo)志位、奇偶校驗(yàn)位P、狀態(tài)位SSM、源目標(biāo)標(biāo)志S/D以及數(shù)據(jù)低位，WORD2是十六位數(shù)據(jù)，并且8位標(biāo)志位是反序的，有時(shí)會(huì)帶來(lái)不便，但計(jì)算機(jī)采集來(lái)的數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用到WORD2上，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)非常方便。
HS-3182是作為ARINC429總線的發(fā)送設(shè)備完成兩路信號(hào)的差分驅(qū)動(dòng)，與HS-3182相連的電容控制用來(lái)控制ARINC429的傳輸速率，其中c1,c2為75pF時(shí)對(duì)應(yīng)ARINC429總線的高速狀（100Kbps）、為300pF時(shí)對(duì)應(yīng)ARINC總線的低速狀態(tài)（12.5Kbps），因此盡量用高精度、軍品級(jí)的電容，HS-3282和HS-3182相連的電路圖如圖2所示：
圖2 HS-3282和HS-3182的連接圖
3.2 ARINC429總線收發(fā)硬件電路
硬件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用Intel的16位單片機(jī)80C196KC，該CPU可以動(dòng)態(tài)的配置成8位或者16位的總線寬度，結(jié)構(gòu)采用寄存器結(jié)構(gòu)，有232字節(jié)的RAM寄存器陣列供用戶配置，外接晶振為12MHz或者20MHz，可以滿足ARINC429總線的高速發(fā)送和接收。CPU和HS-3282的接口比較簡(jiǎn)單，發(fā)送時(shí)常和HS-3182相配合使用，因?yàn)镠S-3282的數(shù)據(jù)寬度為16位的，因此單片機(jī)也配置成16位總線寬度，CPU和HS-3282的接口部分關(guān)鍵就是對(duì)收發(fā)的邏輯控制，諸如接收器1數(shù)據(jù)可以讀取標(biāo)志D/R1，接收器2數(shù)據(jù)可以讀取標(biāo)志D/R2，總線選擇信號(hào)SEL等端口都需要CPU的控制和監(jiān)視，在這里就直接和CPU的I/O口相連，當(dāng)然也可以通過(guò)CPU的I/O，/RD，/WR及地址的低位和GAL或者CPLD相連，通過(guò)編成組成專門(mén)的邏輯控制電路，這在單片機(jī)的I/O口不夠用時(shí)可以采用這種辦法，HS-3282需要CPU控制和監(jiān)視的管腳如表3所示：
表3. S-3282控制及狀態(tài)的引腳及功能
由于HS-3282是外圍器件，收發(fā)速率都沒(méi)有CPU快，因此要為CPU提供READY信號(hào)，在這里為CPU提供READY信號(hào)的是/EN1和/EN2管腳，只要這兩個(gè)管腳有一個(gè)是低電平就可以產(chǎn)生READY，因此對(duì)這兩個(gè)信號(hào)加一個(gè)與非門(mén)既可以產(chǎn)生READY信號(hào)。
4 軟件設(shè)計(jì)
HS3282的收發(fā)既可以采用查詢方式又可以采用中斷方式，由于發(fā)送器狀態(tài)標(biāo)志位TX/R接到CPU的I/O口，這就限制了軟件設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)送采用查詢方式。接收兩種方式都可以，在這里采用中斷方式接收。
初始化程序設(shè)計(jì)
在上電復(fù)位后單片機(jī)應(yīng)首先進(jìn)行自身初始化和HS3282的設(shè)置，主要是設(shè)置單片機(jī)的波特率和向HS3282寫(xiě)控制字。在這里設(shè)置單片機(jī)的串口為工作模式1，即10位構(gòu)成一串行幀： 1位起始位（0），8位數(shù)據(jù)（低位在先），1位停止位（1）。單片機(jī)首先將控制字寫(xiě)到P3和P4端口，通過(guò)置高再置低P2.7端口，將控制字在/CWSTR的下降沿寫(xiě)入，進(jìn)行工作方式、碼速率等的設(shè)置。
接收程序設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)的接收以中斷響應(yīng)的處理為核心。HS3282有兩路接收通道，這兩個(gè)接收通道標(biāo)志位/DR1、/DR2共享一個(gè)中斷，就容易出現(xiàn)中斷沖突現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象在硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮到了這種問(wèn)題，將接收器標(biāo)志/DR1、/DR2分別與單片機(jī)I/O口的P0.0和P0.1相連接，當(dāng)產(chǎn)生接收中斷時(shí)，通過(guò)軟件檢測(cè)方式判斷是哪一路引起的中斷，其軟件設(shè)計(jì)如下：
ReceiverData(char *data)
{
if(P0.0==0) //P0.0=/DR1
{ P1.3=0; //P1.3=SEL
P1.4=0; //P1.4=/EN1
*data=P3;
*(data+1)=P4; //接收低16位
P1.3=0;
P1.4=1;
P1.4=0;
*(data+2)=P3;
*(data+3)=P4; //接收高16位
}
else
if(P0.1==0) //P0.1=/DR2
{ P1.3=0;
P1.5=0;
*data=P3;
*(data+1)=P4; //接收低16位
P1.3=0;
P1.5=1;
P1.5=0;
*(data+2)=P3;
*(data+3)=P4; //接收高16位
}
}
發(fā)送程序設(shè)計(jì)
在數(shù)據(jù)的發(fā)送過(guò)程中，PC機(jī)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)的串口緩存區(qū)，單片機(jī)查詢到串口緩存區(qū)有數(shù)據(jù)后，接收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字。同時(shí)單片機(jī)向HS3282寫(xiě)入一個(gè)32位的數(shù)據(jù)字也要分兩次才能完成。準(zhǔn)備好低16位數(shù)據(jù)，控制HS3282的引腳PL1,使PL1從低電平跳變到高電平，將低16位數(shù)據(jù)寫(xiě)入；同樣的方法將高16位數(shù)據(jù)在PL2從低電平跳變到高電平寫(xiě)入。通過(guò)啟動(dòng)HS3282的引腳ENTX發(fā)送控制信號(hào)，HS3282將自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)滿足ARINC429協(xié)議，單片機(jī)檢測(cè)到TX/R為高，即數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)將ENTX置低。發(fā)送函數(shù)如下所示：
SendData(char *data)
{ P1.6=0; //P1.6=PL1
P3=*data;
P4=*(data+1); //低16位
P1.6=1; //上升沿寫(xiě)入
P1.7=0; //P1.7=PL2
P3=*(data+2);
P4=*(data+3); //高16位
P1.7=1; //上升沿寫(xiě)入
P2.6=0; //P2.6=ENTX,發(fā)送使能
while(P0.2); //P0.2=TX/R,檢查是否發(fā)送完成
P2.6=1; //發(fā)送禁止
}
5 結(jié)論
基于16位單片機(jī)的ARINC429總線接口板利用高性能的專用芯片組HS3282和HS3182來(lái)設(shè)計(jì)總線接口，由于該芯片能很好的滿足ARINC429協(xié)議，給接口板的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便，經(jīng)實(shí)際利用簡(jiǎn)單有效，并且具有很高的可靠性。
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