USB的便携式ARINC429总线通信设备设计

2014-12-26 10:39:54来源: eccn

在航空电子综合化系统中,快速、有效的数据传输对整个航空电子系统的性能有很大影响,因此数据总线被称为现代航空电子系统的“骨架”。ARINC429是航空电子系统之间最常用的通信总线之一。要在计算机上实现与机载设备的ARINC429总线数据通信,必须实现429总线与计算机总线之间的数据传输。本文设计了基于USB总线的便携式ARINC429总线通信设备,并通过实际运行测试,对该设备的可靠性和稳定性进行了验证。

1 系统总体设计

1.1 系统功能分析

该系统主要分为3大功能单元:中央控制单元、429数据收发单元、429电平转换单元。系统的功能结构框图如图1所示。中央控制单元与PC机进行USB通信,将USB总线转换为自定义总线,并根据PC机发来的任务指 令,通过自定义总线(数据线、地址线、控制线)控制429数据收发单元完成相应的429总线数据收发任务。



1.2 主要器件选择

1.2.1 中央控制单元

中央控制单元负责与PC机进行USB通信,并控制429数据收发单元完成通信工作。该单元采用SiliconLabs公司推出的C8051F340单片机。它是完全集成的混合信号SoC级MCU芯片,片内集成有1个采样率为200Ksps的10位ADC、1个可编程增益放大器、2个电压比较器、1个电压基准、1个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)、5个通用的16位定时器、40个通用数字I/O端口,以及1个片上64 KB的Flash存储器和4 KB的RAM,支持多种总线通信接口(I2C/SMBus、SPI、UART、USB)。C8051F340的最大指令处理速度为48 MIPS,具有片内VDD监视器、WDT和时钟振荡器,能有效地管理模拟和数字外设。

C8051F340最大的优势是在片内集成了一个USB总线控制器,与USB2.O完全兼容,支持低速和全速两种模式。这样,在硬件上只需一片C28051F340就能与PC机直接进行USB通信,无需外加USB接口芯片。

1.2.2 429数据收发单元

目前市面上的429通信专用芯片(如HS-3282、DEI1016、HI-8585)只能实现1路发送或接收,要满足本设计需求就需要8组429通信专用芯片(共计16片)。无论从成本上,还是从设计本身的可行性、可靠性来考虑,都是难以实现的。本文采用Actel公司的ProASIC3型FPGA,将设备的核心部分——429通信协议模块在FPGA中实现。这样使整体设计更加简洁,充分体现了模块化设计和SoC设计思想,同时大大降低了设计成本。

Actel公司的ProASIC3型FPGA采用独一无二的Flash架构。与基于SRAM架构的FPGA不同,它掉电后数据不易失,无需配置芯片,从而实现了真正意义上的单芯片设计思想。同时,它支持FlashLock、AES加密技术,安全性强;最高支持350 MHz单端翻转率和700 MHz的差分信号;支持19种I/O电平标准。

2 硬件设计

2.1 C8051F340接口设计

C8051F340作为设备的中央控制单元,其外围接口主要分为两部分:与PC机的USB通信接口和与ProASIC3的自定义总线接口。C8051F340的外围接口电路如图2所示。



由于C8051F340片内集成了一个USB总线控制器,因此它与上位机的USB通信直接通过D+和D-两个差分信号引脚完成的,接口非常简单。C-8051F340与Pr0ASIC3之间的通信通过C8051F340的8位数据线、16位地址线,以及读()、写()、复位(RESET)3个控制信号来完成。

C8051F340与ProASIC3均采用USB总线供电,C8051F340采用3.3 V供电,而ProASIC3采用3.3 V和1.5 V供电。由于USB总线提供的是5 V电源,因此在本设计中采用了美国NS公司的电源稳压芯片LMlll7。该芯片根据电压输出的不同分为不同的型号,这里选用了1.5 V和3.3 V两种型号。

2.2 429电平转换电路设计

2.2.1 429发送通道电平转换电路

429发送通道电平转换电路的功能是将ProASIC3产生的CMOS电平信号转换为429电平信号。目前有几家公司专门从事429通信芯片的生产,其中也包括429发送通道电平转换芯片。采用这种专用芯片的优点是接口电路设计简单,缺点是芯片价格昂贵。本设计的需求为8路发送通道,从成本上考虑,不易采用专用芯片,而是利用集成运放设计发送通道的电平转换电路。图3为429发送通道电平转换电路。图中的A和B是由ProASIC3产生的信号,TXA和TXB是经电平转换电路调理后形成的ARINC429信号。表1为429发送通道电平转换电路的功能表。





该电路设计采用了Linear公司的双运放集成芯片LTl497。该芯片的最大特点为输出功率大,最大输出电流为±125 mA,完全满足ARIN-C429通信标准的功率要求。采用NI公司的MultisimlO进行电路仿真,并实际运行测试。测试表明,仿真结果与实际运行结果一致,完全符合ARINC429通信标准要求。

[1] [2]

关键字:FPGA  USB  ARINC429  通信测试

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1226/article_10462.html
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