基于MCS-51單片機(jī)和DEI1016的ARINC429通信模塊設(shè)計(jì)

楊 明，張涇周，李 輝，張廣標(biāo)

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著現(xiàn)代電子科技的不斷發(fā)展更新，航空電子設(shè)備日趨數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化。各電子設(shè)備間穩(wěn)定的、可靠的數(shù)據(jù)交換，以及源設(shè)備向各目標(biāo)設(shè)備傳送控制命令、傳感數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集等，都迫切需要一種簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾性強(qiáng)的通信總線[1]。ARINC429在這樣的背景下產(chǎn)生了，這是一種非集中控制、傳輸可靠、錯(cuò)誤隔離性好的通信總線。其憑借上述優(yōu)勢(shì)在航空通信領(lǐng)域尤其是大型民用飛機(jī)和慣性導(dǎo)航、航空器外部環(huán)境數(shù)據(jù)采集中受到廣泛應(yīng)用[2]，已然成為了民用航空領(lǐng)域的主流通信總線。

本文就是建立在ARINC429總線協(xié)議基礎(chǔ)上，從制造經(jīng)濟(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)單、使用方便、可靠工作的角度考慮，使用MCS-51單片機(jī)和DEVICE ENGINEERING公司的DEI1016芯片為處理核心單元設(shè)計(jì)的一種可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)429數(shù)據(jù)收發(fā)的通信模塊，其亦可通過(guò)RS232總線與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行相連以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1 ARINC429通信參數(shù)

1.1 ARINC429通信數(shù)據(jù)格式

429數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同于其他通信方式，屬于異步串行、廣播式通信。每幀32位或25位(根據(jù)通信需求設(shè)置)，每一位都有其不可取代的作用，429通信充分利用了總線波特率和有效數(shù)據(jù)位，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)控制完整性和高通信速率的統(tǒng)一[3]。傳輸速率分高速(100 kbit/s)和低速(12～14.5 kbit/s)兩種。其32位數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

圖1 ARINC429數(shù)據(jù)幀格式Fig.1 Data format of ARINC429 communication

由圖1可看出，ARINC429數(shù)據(jù)幀被分為5個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)：

LABEL：標(biāo)簽/標(biāo)志位，此8位用來(lái)表示當(dāng)前這一幀數(shù)據(jù)的意義或數(shù)據(jù)類型，使得接收器在正確接收后能夠?qū)⒋藬?shù)據(jù)用作正確的用途。如在某航空通信中，標(biāo)簽為0b01100001的一幀數(shù)據(jù)表示計(jì)算空速。

S/D Or DATA：源/目標(biāo)識(shí)別符(當(dāng)不用做識(shí)別符時(shí)，可以看做正常數(shù)據(jù))，當(dāng)需要將特定數(shù)據(jù)發(fā)送給多設(shè)備中的某一特定接收器，或多設(shè)備系統(tǒng)中的源設(shè)備需要根據(jù)字的內(nèi)容被接收器識(shí)別時(shí)，可以使用此識(shí)別符功能，接收到此數(shù)據(jù)的其他設(shè)備會(huì)因識(shí)別符不匹配而放棄數(shù)據(jù)。

DATA：數(shù)據(jù)部分，表示以LABEL指定的數(shù)據(jù)類型的數(shù)值大小和符號(hào)(由第29位符號(hào)位決定)。

SSM：符號(hào)/狀態(tài)矩陣，SSM場(chǎng)用于記錄硬件設(shè)備狀態(tài)（故障/正常），運(yùn)行模式（功能測(cè)試），或者數(shù)據(jù)字內(nèi)容（驗(yàn)證的/非計(jì)算數(shù)據(jù)）的有效性。

PARITY：奇偶校驗(yàn)位，若通信中需要奇偶校驗(yàn)，則此位必須根據(jù)校驗(yàn)方式被置位或清零，以滿足數(shù)據(jù)奇偶性，接收器通過(guò)接收到數(shù)據(jù)的這一位判斷數(shù)據(jù)的正誤。

ARINC429的25位通信數(shù)據(jù)格式使用了使數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生意義的最簡(jiǎn)格式，數(shù)據(jù)場(chǎng)只有LABEL(8—1位，同32位格式)和DATA(25—9位)兩部分，使得在其他控制位可以省去的情形下最大限度提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

1.2 ARINC429數(shù)據(jù)的電氣特性

429通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方通過(guò)雙絞屏蔽線連接，受驅(qū)動(dòng)能力的限制，一條數(shù)據(jù)總線上連接的接收器不應(yīng)超過(guò)20個(gè)。這種通信采用RZ雙極性歸零調(diào)制方式，由高、零、低狀態(tài)組成，發(fā)送和接收通道都采用差分方式，大大提高了通信抗干擾能力。一般，當(dāng)發(fā)送器開(kāi)路時(shí)，指定輸出端能被可靠識(shí)別的不同的輸出信號(hào)電壓應(yīng)為：高電平，A對(duì)B端+6.5 ～ +13 V；“零”，A對(duì)B端-2.5 ～+2.5 V；低電平，A對(duì) B 端 -13～-6.5 V 。

而429的編碼邏輯也提高了其數(shù)據(jù)傳輸可靠性和穩(wěn)定性。如果A端在位區(qū)間開(kāi)始后處于高電平，并且在區(qū)間結(jié)束前又回到“零”，且B端信號(hào)恰好與其互補(bǔ)(電平和為零)，則此位表示邏輯“1”；如果A端在區(qū)間開(kāi)始后處于低電平，并且在區(qū)間結(jié)束前又回到“零”，且B端信號(hào)恰好與其互補(bǔ)，則此位表示邏輯“0”[4]。429通信數(shù)據(jù)的傳輸電平與信號(hào)邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 ARINC429信號(hào)編碼邏輯Fig.2 Coding logic of ARINC429 data

2 DEI1016芯片工作原理

能夠?qū)崿F(xiàn)429數(shù)據(jù)格式通訊的集成電路有很多，如DEI1016、HS-3282以及我國(guó)自行研制的EP-H3280。[5]從工作穩(wěn)定、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富的角度考慮，在這里我們選用DEVICE ENGINEERING的DEI1016芯片。

2.1 DEI1016芯片簡(jiǎn)介

DEI1016是一款具有兩路接收和一路發(fā)送通道、單一低壓供電的CMOS工藝集成電路，支持429，571，575，706等航空通信規(guī)范。其發(fā)送通道具有8個(gè)32位FIFO緩沖器。在工作時(shí)，只需要在復(fù)位后對(duì)16位控制寄存器進(jìn)行設(shè)置便可選擇需要的工作模式。圖3是DEI1016芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：2

圖3 DEi1016芯片內(nèi)部框圖Fig.3 DEi1016 block diagram

.2 DEI1016發(fā)送和接收字格式

雖然ARINC429總線上的數(shù)據(jù)字格式已被定為通用標(biāo)準(zhǔn)，但是DEI1016從用戶使用方便，數(shù)據(jù)組合簡(jiǎn)單明晰的角度考慮，對(duì)圖1中的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了重組，并將32位數(shù)據(jù)表述為字2(高16位)和字1(低16位)，重組原則為將數(shù)據(jù)和其他控制位分開(kāi)放在兩個(gè)字中，重組前后對(duì)照如圖4：

圖4 DEi1016字2字1與32位串行數(shù)據(jù)映射關(guān)系Fig.4 Mapping of serial data to/from word1 and word2

由上圖可見(jiàn)，DEI1016將一幀中的計(jì)量數(shù)據(jù)放至字2和字1的高三位，字1低13位為數(shù)據(jù)流的各控制位，方便數(shù)據(jù)分析和提取。用戶應(yīng)注意到在寫發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候和處理接收數(shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)按照字2字1的格式進(jìn)行。

2.3 DEI1016控制功能

DEI1016具有數(shù)據(jù)收發(fā)自測(cè)、校驗(yàn)控制、源/目標(biāo)碼檢測(cè)、數(shù)據(jù)速率選擇等適應(yīng)429數(shù)據(jù)格式的控制功能，均可通過(guò)寫控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。芯片復(fù)位后可以在寫控制字信號(hào)/LDCW的下降沿將控制字寫入。然后便可進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，其數(shù)據(jù)收發(fā)流程如下：

數(shù)據(jù)發(fā)送：在TXR有效的情況下，可以向發(fā)送緩沖器中按先字1后字2的順序?qū)懭胫炼?個(gè)32位字，TXR信號(hào)自動(dòng)復(fù)位，而后由外部使能ENTX。發(fā)送器將先根據(jù)用戶設(shè)置的校驗(yàn)方式對(duì)校驗(yàn)位進(jìn)行設(shè)置，而后發(fā)送電路將重組后(見(jiàn)圖3)的數(shù)據(jù)逐位送至總線，在一個(gè)長(zhǎng)字全部送出后，發(fā)送電路會(huì)自動(dòng)插入4個(gè)間隔位區(qū)間以表示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完[6]。

數(shù)據(jù)接收：在接收器n接收到一組數(shù)據(jù)后，若用戶激活了源/目標(biāo)碼檢測(cè)功能，則接收器n將收到數(shù)據(jù)中的S/D兩位和用戶寫入控制字中的Xn、Yn兩位進(jìn)行對(duì)比，若不匹配則拒絕接收數(shù)據(jù)，若匹配，再根據(jù)用戶設(shè)置的校驗(yàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若校驗(yàn)成功，則將校驗(yàn)位置0表示數(shù)據(jù)無(wú)誤，若失敗則將其置1表示數(shù)據(jù)有誤，但無(wú)論正誤都將/DRn置0通知上層單元讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被讀走后再置1。

3 ARINC429通信模塊設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

MCS-51單片機(jī)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，與DEI1016芯片進(jìn)行并行連接可充分發(fā)揮其特性，單片機(jī)可由上位機(jī)接收要發(fā)送的數(shù)據(jù)也可根據(jù)用戶程序產(chǎn)生要發(fā)送的數(shù)據(jù)，將其合理地送至DEI1016并發(fā)出。單片機(jī)也可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后換為其他格式再傳至上位機(jī)，也可根據(jù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判斷要執(zhí)行的任務(wù)。與其他微控制器不同的是，51單片機(jī)是8位機(jī)，數(shù)據(jù)只能分時(shí)送至DEI1016，則需要對(duì)一部分或全部數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，本文提出了一種便捷，高效的數(shù)據(jù)交換方法。還需注意到，DEI1016發(fā)送通道的數(shù)據(jù)電平范圍為+5V～-5V，那么在輸出端應(yīng)該添加電平匹配電路，將其抬至+10V～-10V，與DEI1016同時(shí)產(chǎn)生的BD429便能很好地做到這一點(diǎn)。而接收通道具有內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換功能，可直接與總線連接。本文的通信模塊電路原理圖如圖5所示。

3.2 模塊工作原理

從圖中可以看出，僅使用了兩片74HC573對(duì)讀寫數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，其中U3鎖存寫數(shù)據(jù)時(shí)的低8位，U4鎖存讀數(shù)據(jù)時(shí)的低8位。讀寫高8位數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行鎖存。在譯碼邏輯電路中通過(guò)A8地址線來(lái)對(duì)兩片鎖存器片選及鎖存信號(hào)進(jìn)行控制，對(duì)每個(gè)鎖存器，片選和鎖存信號(hào)都是同步的，即片選為高時(shí)，鎖存為高，片選為低時(shí)，鎖存為低[7]，這樣是為了使鎖存器直通的時(shí)候不能輸出數(shù)據(jù)，可以輸出數(shù)據(jù)的時(shí)候要進(jìn)行鎖存。由于控制信號(hào)分別包括/WR和/RD，兩片鎖存器的控制信號(hào)不會(huì)沖突。其中鎖存信號(hào)均由或非門產(chǎn)生是為了保證在未讀或未寫的狀態(tài)下鎖存信號(hào)為低，防止無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)入。DEI1016的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)/DR1和/DR2經(jīng)與門連接至單片機(jī)中斷0口，并且分別接至P1.1和P1.2引腳，收到數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)在中斷程序中查看是哪個(gè)接收器引起的中斷。發(fā)送器空信號(hào)TXR連接至P1.4口，同時(shí)經(jīng)非門送至中斷1口，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可用查詢或中斷方式，在軟件中可以設(shè)置。

圖5 ARINC429通信模塊原理圖Fig.5 Schematic of ARINC429 communication module

在寫數(shù)據(jù)時(shí)，先使DEI1016相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元選通控制信號(hào)(如/LDCW)無(wú)效，并使A8=0，此時(shí)U3輸出高阻態(tài)，但/LE1信號(hào)為高，低8位數(shù)據(jù)已寫入鎖存器。后再使該控制信號(hào)有效，并使A8=1，此時(shí)U3輸出數(shù)據(jù)并鎖存，同時(shí)在控制信號(hào)的下降沿將低8位和高8位數(shù)據(jù)一同打入指定位置。

在讀數(shù)據(jù)時(shí)，先使相應(yīng)接收器選通控制信號(hào)(如/OE1)有效，并使A8=0，A9(SEL)=0，選擇讀字1，此時(shí)U4已進(jìn)入數(shù)據(jù)但輸出高阻態(tài)，因此先讀走的是高8位數(shù)據(jù)。后再使控制信號(hào)無(wú)效，并使A8=1，此時(shí)高8位為高阻態(tài)，之前進(jìn)入U(xiǎn)4的數(shù)據(jù)被送出，此時(shí)可讀出低8位數(shù)據(jù)。

實(shí)際數(shù)據(jù)操作如下：

寫控制字：在復(fù)位信號(hào)(P1.3)低脈沖后，按照上述寫數(shù)據(jù)順序，先使/LDCW無(wú)效，那么基地址可選為B800H(電路中未用到的地址)，A8=0，則寫地址亦為B800H，數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)3但不送出。后再使/LDCW有效，A8=1，則寫地址為A100H，將16位數(shù)據(jù)一同打入。

發(fā)送數(shù)據(jù)：按照上述寫數(shù)據(jù)順序，先使/LD1無(wú)效，A8=0，同寫控制字低8位，地址為B800H。再使/LD1有效，A8=1，寫地址為9900H，16位數(shù)據(jù)寫入字1。同理，寫字2針對(duì)/LD2信號(hào)操作，寫低8位地址為B800H，高8位地址為9100H。

接收數(shù)據(jù)：按照上述讀數(shù)據(jù)順序，讀接收器1時(shí)，先使/OE1有效，基地址為8800H，A8=0，SEL(A9)=0選擇字1，則讀高8位地址亦為8800H，再使/OE1無(wú)效，可選基地址B800H，A8=1，則讀低8位地址為B900H。讀字2時(shí)，與讀字1不同點(diǎn)在于SEL=1，于是可得出讀字2高8位地址為8A00H，讀低8位地址仍為B900H。讀接收器2與接收器1完全類似，可得出讀字1高8位地址為8000H，讀字1低8位地址為B900H，讀字2高8位地址為8200H，讀字2低8位地址為B900H。對(duì)429模塊數(shù)據(jù)收發(fā)操作的單片機(jī)外部地址總結(jié)于表1：

表1 收發(fā)數(shù)據(jù)的外部地址列表Tab.1 Address list of receiving/sendding data

由圖5可見(jiàn)，電路原理中還包括232通訊模塊，方便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使得使用232接口對(duì)429接口數(shù)據(jù)的操作可以方便地實(shí)現(xiàn)，模塊與RS232總線掛接示意如圖6。

3.3 程序設(shè)計(jì)

按照上述提到的操作步驟，下面用經(jīng)成功驗(yàn)證的程序段對(duì)操作做進(jìn)一步說(shuō)明：

圖6 ARINC429通信模塊與RS232總線連接示意圖Fig.6 Connection between ARINC429 module and RS232 bus

3.3.1 寫控制字

3.3.2 發(fā)送數(shù)據(jù)

以下是采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)的程序段，若采用中斷方式，則無(wú)需第一行判斷語(yǔ)句。

3.3.3 接收數(shù)據(jù)(只對(duì)接收器1說(shuō)明，接收器2類似)

3.4 模塊工作特性分析

本模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路穩(wěn)定可靠，PCB面積大小適中，與其它具有ARINC429通信接口的設(shè)備連接方便。特別是需要在其它類型通信方式和429通信方式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可以利用常用的RS232接口經(jīng)過(guò)該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換(如圖6)。假設(shè)單片機(jī)12 MHz晶振頻率計(jì)算，按照3.3節(jié)的數(shù)據(jù)處理程序，每裝滿一次DEI1016的FIFO只需要27×8=216 μs(微秒), 從接收器讀取一次數(shù)據(jù)僅需28 μs, 與429數(shù)據(jù)以高速率(100 kbit/s)傳送時(shí)一個(gè)字需要的(32+4)×10=360 μs相比，已完全滿足實(shí)時(shí)收發(fā)的要求。

4 結(jié) 論

與基于DSP、FPGA及一些高端控制器設(shè)計(jì)的ARINC429通信接口相比，該設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、硬件資源利用充分、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用在基于232總線的429通信測(cè)試模塊中。模塊已經(jīng)在某型航空發(fā)電機(jī)控制器地面綜合測(cè)試系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，在高通信速率下數(shù)據(jù)誤碼率極低，通信可靠。實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)收發(fā)快速穩(wěn)定，模塊工作良好。

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