基于FPGA的ARINC429总线接口卡设计

　　1 引言

　　ARINC429总线广泛应用于商务运输航空领域，如空中客车A310/A320、A330/A340飞机，波音公司727、737、747、757和767飞机，麦道公司MD-11飞机等。它采用异步双极性归零码进行数据的编码，并通过双绞线传输，具有很强的抗干扰性能。目前市场上的ARINC429总线接口设计一般都采用专用接口芯片，如Device Engineering公司的DEI-1016，INTERSIL公司的HS-3282等，这些专用芯片价格昂贵，且路数有限，使用非常不灵活。本设计将ALTERA公司的FPGA芯片应用于ARINC429标准数据传输，并完成了与计算机USB接口的通信，有效缩小了系统体积并降低了成本，同时也增加了系统配置的灵活度。

　　2 ARINC429总线数据

　　ARINC429数据总线协议规定一个数据字由32位组成，以脉冲形式发送，采用双极性归零码，码速率为12.5kb/s或100kb/s。电气特性为：高电平（+10V）为逻辑1；低电平（-10V）为逻辑0；0电平（0V）发送自身时钟脉冲，字与字之间以一定间隔（不少于4位）分开，以此间隔作为字同步。一个32位的数据字由五部分组成：标志位（LABEL），用于标识传输数据的信息类型；源/目的标识码（S/D），用于判断在一个多系统中的源系统；数据区（DATA）；符号/状态位（SSM），用于标识数据字的特征或数据发生器的状态；奇偶校验位（PARITY），ARINC429数字信息传输使用奇校验。

　　3 FPGA内部逻辑设计

　　根据ARINC429总线协议，要完成数据的收发以及对USB总线接口的逻辑控制， FPGA 芯片应完成的逻辑功能框图如图1所示，其中虚线框中是FPGA实现的部分。

　　

　　3.1 发送器

　　发送器结构如图2所示，由缓冲存储器、信号发生器和发送控制逻辑三部分构成，用于将来自总线接口通信模块的32位429格式数据转换成调制前的两路串行数据，即图2中TTL0和TTL1。其中使用缓存是为了提高数据传输速度，用户向缓存写进想要发送的多个32位数据字后，就可以通过entx信号控制数据从缓存连续不断地读出，并经过信号发生器转换成串行数据后送给总线驱动电路。在这里，缓存是直接调用ALTERA提供的LPM_FIFO+宏功能模块来实现的。

　　

　　信号发生器由位计数器、字间隔计数器、码元调制、移位寄存器以及相应的控制逻辑组成，结构如图3所示。其中，位数计数器用来控制429数字字的位数，字间隔计数器用于产生字间隔。在本设计中，采用状态机来实现信号发生器的功能，共分3个状态：

　　

　　a）IDLE：初始状态，当复位或是发送完一个32位数后进入该状态，在该状态完成字间隔的产生，并用移位寄存器的load信号来锁存待转换数据，并在至少四位字间隔后进入TRANS状态，否则等到直到有新数据载入。

　　b）TRANS：进行数据的并串转换，同时进行奇偶校验，即每产生一位串行数据就进行一次异或运算，并由位数计数器控制计到31时就进入PARITY状态。

　　c）PARITY：输出奇偶校验位并回到IDLE状态。码元调制是在信号busy的有效区间内，将串行输出数据serial_data与时钟做逻辑运算得到的TTL0和TTL1（如图4）送至外部调制电路，并转换为429总线规范要求的双极性归零信号。其verilog语言描述如下：

　　

　　always @（busy，clk_tx，serial_data）

　　begin

　　if （busy）

　　begin

　　TTL1《=serial_data&clk_tx;

　　TTL0《=~serial_data&clk_tx;

　　end

　　else begin

　　TTL1《=0;

　　TTL0《=0;

　　end

　　end

　　endmodule

　　发送控制逻辑用于协调缓存和信号发生器之间的数据传递。在缓存非空、busy无效（信号发生器状态机处于TRANS状态下busy有效）的条件下，一旦允许转换信号entx有效，便开启缓存的读使能rden，并产生转换数据的装载信号load，以完成缓存数据的自动转换和发送。