USB的便攜式ARINC429總線通信設備設計

摘要：基于Actel公司的ProASIC3系列FPGA和Silicon Labs公司的C8051F340單片機設計了一種便攜式ARINC429總線通信設備，著重介紹了整體設計思想以及軟硬件設計方法。該設備具有性能可靠、攜帶方便、成本低廉等特點，可廣泛應用于對各種以ARINC429總線作為通信方式的機載設備的通信測試及地面檢測維護。
關鍵詞：FPGA；USB；ARINC429；通信測試；C8051F340；ProASIC3

在航空電子綜合化系統(tǒng)中，快速、有效的數據傳輸對整個航空電子系統(tǒng)的性能有很大影響，因此數據總線被稱為現代航空電子系統(tǒng)的“骨架”。ARINC429是航空電子系統(tǒng)之間最常用的通信總線之一。要在計算機上實現與機載設備的ARINC429總線數據通信，必須實現429總線與計算機總線之間的數據傳輸。本文設計了基于USB總線的便攜式ARINC429總線通信設備，并通過實際運行測試，對該設備的可靠性和穩(wěn)定性進行了驗證。

1 系統(tǒng)總體設計
1．1 系統(tǒng)功能分析
該系統(tǒng)主要分為3大功能單元：中央控制單元、429數據收發(fā)單元、429電平轉換單元。系統(tǒng)的功能結構框圖如圖1所示。中央控制單元與PC機進行USB通信，將USB總線轉換為自定義總線，并根據PC機發(fā)來的任務指 令，通過自定義總線(數據線、地址線、控制線)控制429數據收發(fā)單元完成相應的429總線數據收發(fā)任務。

1．2 主要器件選擇
1．2．1 中央控制單元
中央控制單元負責與PC機進行USB通信，并控制429數據收發(fā)單元完成通信工作。該單元采用SiliconLabs公司推出的C8051F340單片機。它是完全集成的混合信號SoC級MCU芯片，片內集成有1個采樣率為200Ksps的10位ADC、1個可編程增益放大器、2個電壓比較器、1個電壓基準、1個具有5個捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時器陣列(PCA)、5個通用的16位定時器、40個通用數字I／O端口，以及1個片上64 KB的Flash存儲器和4 KB的RAM，支持多種總線通信接口(I2C／SMBus、SPI、UART、USB)。C8051F340的最大指令處理速度為48 MIPS，具有片內VDD監(jiān)視器、WDT和時鐘振蕩器，能有效地管理模擬和數字外設。
C8051F340最大的優(yōu)勢是在片內集成了一個USB總線控制器，與USB2．O完全兼容，支持低速和全速兩種模式。這樣，在硬件上只需一片C28051F340就能與PC機直接進行USB通信，無需外加USB接口芯片。
1．2．2 429數據收發(fā)單元
目前市面上的429通信專用芯片(如HS-3282、DEI1016、HI-8585)只能實現1路發(fā)送或接收，要滿足本設計需求就需要8組429通信專用芯片(共計16片)。無論從成本上，還是從設計本身的可行性、可靠性來考慮，都是難以實現的。本文采用Actel公司的ProASIC3型FPGA，將設備的核心部分――429通信協議模塊在FPGA中實現。這樣使整體設計更加簡潔，充分體現了模塊化設計和SoC設計思想，同時大大降低了設計成本。
Actel公司的ProASIC3型FPGA采用獨一無二的Flash架構。與基于SRAM架構的FPGA不同，它掉電后數據不易失，無需配置芯片，從而實現了真正意義上的單芯片設計思想。同時，它支持FlashLock、AES加密技術，安全性強；最高支持350 MHz單端翻轉率和700 MHz的差分信號；支持19種I／O電平標準。