摘? 要: 傳統的大氣數據系統接口設計往往比較復雜。針對這種情況，著重介紹了一種利用FPGA 技術來實現大氣數據系統中ARINC429總線接口的設計方法。并對ARINC429總線協議進行了分析，給出了大氣數據系統輸出ARINC429參數。該接口具有結構簡單、設計靈活、可靠性高等優點。
關鍵詞: 單片機; FPGA; 大氣數據系統; ARINC429總線接口
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在飛機座艙顯示中，飛行員要依靠大氣數據信息保證飛行安全。大氣數據系統是以微處理器為核心，具有多種輸入輸出接口，用來測量、計算并指示飛機的多個飛行參數，包括計算空速、真空速、飛行速度、升降速度、大氣高度、馬赫數、大氣總溫、大氣靜溫等，其運行狀況直接決定著飛機飛行的安全性，因此大氣數據計算機在飛機飛行時顯得尤為重要。傳統飛機的大氣數據系統的接口控制是采用分離的元器件或多個小規模的集成電路來控制的，本文著重論述一種用FPGA技術來實現的ARINC429總線接口設計，利用FPGA 技術來實現ARINC429總線接口的控制，具有結構簡單、體積小、設計靈活、可靠性高等優點。
1 ARINC429 數字信息傳輸要求
ARINC429總線是美國航空電子工程委員會于1977年7月提出并于同年9月被認可的工業標準，是一種廣泛應用在民用航空中的標準總線。
1.1 電氣特性要求
ARINC429發送和接收設備均采用雙絞線屏蔽線傳輸信息，其速率為100kb/s或12.5kb/s,通常以脈沖形式發送，并采用雙極型歸零制的三態碼方式調制，即信息由“高”、“零”和“低”狀態組成的三電平狀態調制。總線發送器開路時，發送器輸出電壓如表1所示。
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額定電壓將受到噪音和脈沖畸變的干擾，這樣實際接收器輸入端的電壓范圍為：
高電平：+6.5～+13V，“零”電平：+2.5～-2.5V，低電平：-6.5～-13V。
1.2 信息要求
將一個32位數據字分為5組，即：
（1）標志碼（label）,第1～8位，用于表示信息的類型。
（2）源/目的識別碼（SDI），第9～10位。當需要將特定字發送給多系統設備的某一特定接收系統，或者多系統設備的源系統需要根據字的內容被指定的接收器識別時，可用源目標標示功能。
（3）數據區（data）,第11～29位。
（4）符號狀態位（SSM），第30～31位。BCD數字數據的符號（正、負、北、南等）。AIM數據的字類型(初始字、中間字、控制字和結束字）和發送器硬件的狀態用第30和第31位編碼表示。
（5）奇偶校驗位（parity）,第32位，奇校驗。
ARINC429總線協議的字格式如表2所示。
上述字的發送格式為：源/目標標志位、源/目標標示位、數據區、標記位、符號/狀態位和奇偶校驗位。其中源/目標標志位與正常順序相反，先發送高位再發送低位。
大氣數據系統采用ARINC429標準輸出大氣參數，其輸出ARINC429參數如表3所示。
2 硬件設計
2.1 大氣數據系統設計
圖1所示為該系統的整個結構框圖，大氣數據系統由大氣數據計算機（這里采用的是單片機）、溫度傳感器和壓力傳感器以及信號調理電路A/D轉換器等部分組成。
由大氣壓力傳感器及大氣溫度傳感器輸出測量信號，并將其傳送到大氣數據計算機；經過計算機的分析計算處理送到ARINC429數據總線上；標準型大氣數據計算機在ARINC429數據總線上輸出以下信息：壓力高度、升降速度、馬赫數、計算空速、真空速、大氣總溫、大氣靜溫等。
2.2 ARINC429總線接口電路設計
系統中ARINC429總線接口電路設計如圖2所示，它主要由單片機、現場可編程門陣列（FPGA）以及ARINC429數據發送/接收單元等組成。單片機選用的是ATMEL公司生產的AT89C51芯片，它是8位單片機，主要完成接口電路中ARINC429總線發送/接收數據的處理。ARINC429數據發送/接收單元主要由兩個芯片來實現：一是ARINC429總線協議芯片，采用INTERSIL公司生產的高集成度CMOS可編程控制芯片HS-3282，該芯片符合ARINC429航空標準及其他串行數據標準，用來完成發送數據緩存，數據的發送和接收的轉換；二是ARINC429總線驅動芯片HS3182，它用來完成接口電路內部邏輯信號與ARINC429差分信號的轉換，并且可以調節ARINC429總線傳輸速率。FPGA選用的是XILINX公司生產的XCS10芯片。系統中采用一片FPGA芯片來完成接口電路中的邏輯控制，其編程語言采用Verilog語言，通過ISE5.x進行編譯、綜合適配和仿真。
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3 軟件設計
ARINC429總線接口電路的軟件設計主要包括以下三個部分：軟件初始化、接收數據、發送數據。
3.1 軟件初始化
上電復位后，軟件應在正式工作前初始化HS-3282，即向控制器寫控制字，對控制字的設置，主要包括字長、數據速率、奇偶校驗等設置。字長可以設置為32位或25位。外部提供的工作時鐘為1MHz，內部接收和發送速率可以設置為100kb/s或12.5kb/s。奇偶校驗由控制字PARCK（BD12）決定。該位置0為奇校驗，置1為偶校驗。
3.2 接收數據
數據接收部分以對中斷響應的處理為核心。因為HS-3282有兩個接收器，因此在硬件設計時，將接收器標志DR1/、DR2/分別與單片機的INT0和INT1相連接，當產生接收中斷時，首先判斷是哪個接收器引起的中斷，再進行相關的信息接收處理。中斷接收數據先存放在數據緩沖區內，再由主程序讀出。
3.3 發送數據
在進行數據發送過程中，首先檢查發送器的狀態，只有當標志位TX/R為1時，發送器才能工作;再將待發送數據送至發送緩沖區內，通過對相應的發送使能信號PL1/、PL2/及ENTX進行控制，實現ARINC429總線數據的發送。
利用FPGA 技術來實現ARINC429總線接口的控制，具有結構簡單、體積小、設計靈活、可靠性高等優點。
參考文獻
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