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TS68C429在飞机ARINC429 通讯改装中的应用

The Application of TS68C429 in Refitting Aircraft ARINC429 Bus Communication System

中国航空计算技术研究所一室 姜运生



ARINC429总线规范,又称Mark33数字信息传输系统(DITS,Digital Information Transfer System),是专为航空电子 系统通讯而制定的航空工业标准。几年前,笔者 写了《基于HS3282的ARINC429航空通讯总线设计》,至今仍有朋友不断咨询和学习。时代在发展,技术在进步,有价值的东西多分享才能创造更多价值。故本文在此抛砖引玉,介绍一种集成度更高的ARINC429芯片的应用,即ATMEL公司的多通道ARINC429收发器TS68C429A芯片在飞机改装中的应用。


改装系统简介

飞机航空电子系统的改装,就是使功能相对独立的子系统逐步走向综合,例如将雷达、惯导、GPS和机载计算机联合,组成新型航空图导航系统。通俗讲,就是将那些“傻、大、粗、笨”的仪器仪表,集成为“少而精”的智能仪表,减轻飞行员的操作难度。
图1是某系列多机型改装时的多功能显示器,它将原来分散显示的信息和数据集中在一台多功能显示器上。替换掉原来“老死不相往来”的各种导航仪表,不再需要领航员记忆大量枯燥的数据,减少了仪表种类,节省了宝贵的空间,极大减轻了领航员工作强度。图1中除了地图视频采用LVDS外,其它仪表通讯都采用ARINC429总线。显然,解决多通道的ARINC429通讯成为本次改装的瓶颈。

图1 多功能显示器关联图(略)

传统的ARINC429通讯设计中,大多采用HARRIS公司的HS3282或Device Engineering公司的DEI1016。但在此则极不经济,完成多通道429通讯,需要多个芯片和更多的布板空间,功耗也线性增加。特别是,传统的多通道的429需要更多的CPU中断请求线,需要外部复杂的逻辑设计。TS68C429A则是目前解决多通道429通讯最有效的途径。和传统的“两收一发”的芯片比较,它是“八收三发”,“一片顶四片”。


TS68C429A的主要特征

ATMEL公司的TS68C429A是高性能、多通道、低功耗的CMOS型429接口,亦能满足类似的时分多路串行数据通讯。图2是其结构框图,整个芯片只需单5V工作电源。它具有8路接收、3路发送。所有的接收通道和发送通道都是彼此互独立,可同时并行工作。8个接收通道之间也是独立的并行接收,可以直接连接到ARINC429总线,而不需电平转换。数据字长是标准的32-Bit,25-Bit的并不支持。

图2 TS68C429A 结构框图(略)

主要特征如下:

(1)8个独立的接收通道

(2)3个独立的发送通道

(3)和所有的TS68K系列的微处理器接口兼容

(4)16-Bit数据总线

(5)符合ARINC429接口,归零制编码(Return Zero Code)

(6)支持所有的ARINC429数据传输率,最高可达2.5Mbit/s 传统的ARINC429芯片的速率只有2种可选。

(7)多标号能力

传统的芯片要么不检查标号,要么就接收一个指定的标号。

(8)校验控制:奇校验、偶校验、无校验,中断能力

(9)RX、TX的数据率可独立编程

(10)每个发送通道有8个信息单元的FIFO

(11)向量式中断

(12)可组成菊花链中断

(13)所有的寄存器都是可直接寻址的

(14)具有自测试能力

(15)工作频率为20MHz

(16)低功耗:400mW


硬件设计

TS68C429A接收和发送通道都成倍增加,但毕竟不是通道的简单叠加,不是传统接口的线性扩展,在相关器件选型和设计中需要仔细推敲。

基本硬件接口

基本硬件接口就是和嵌入式CPU的接口电路。根据ARINC429数据特点,至少要选16-Bit数据总线以上的CPU。TS68C429A和所有的TS68K系列的CPU接口兼容,像TS68000、TS68020都可以只需要增加非常简单的接口逻辑。特别是TS68302完全可以“无缝连接”。无缝连接就是两个复杂芯片不需要“粘合逻辑”,对应信号直接相连。图3是最典型的无缝连接电路。

图3 基本接口电路(略)

在设计基本电路时需要注意以下几点:

(1)嵌入式CPU选型。

CPU的数据总线至少应该是16Bit的,否则在硬件上要增加字节转发电路,设计复杂度上升。如果在中断响应时想迅速判断中断源,CPU在中断响应时应该能够发出中断响应(IACK)信号,由TS68C429输出中断向量,由CPU回读后硬件判断,直接进入对应中断服务例程,节省软件响应时间。除TS68K系列外,符合这个要求的还有最广泛使用在PC机上的X86系列,如Intel80486等。显然,TS68C429的中断响应机制,完全类似X86系列中的 8259中断控制器时序,可以直接无缝连接。值得指出的是,X86系列的中断请求是高有效,中断请求信号需要反相。

(2)时钟

传 统的ARINC429芯片只有一个时钟,大多数是1MHz,用以控制收发速率。速率有2种选择,即速率是时钟的十分之一或八十分之一,亦即100K或12.5K。在这里,TS68C429需要2种时钟,系统时钟和ARINC429收发时钟。系统时钟CLKSYS用来控制CPU接口时序,应该和CPU时钟相同,在这里直接使用TS68302的输 出时钟CLK0。在使用其它型号的CPU时,CLKSYS可以直接和CPU时钟连接在一起。CLK429使用了定时器输出TOUT1,用来决定429串行数据传输速率。在使用其它型号的CPU时,也可以设计一个独立的时钟做CLK429。

(3)高、低字节访问

处理器对TS68C429每次访问都应该是16Bit的,除了这里和TS68302的无缝连接,还可以把高字节选通信号(/UDS)和低字节选通信号(/LDS)一起直接接地。CPU一般是字节编址的,所以应该是A9..A1对应TS68C429的A8..A0。

(4)存储器周期

无 论是读周期还是写周期,TS68C429都要用/DTACK应答CPU。TS68K系列中的/DTACK,即数据传输周期应答( Data Transfer Acknowledge),本质上就是许多CPU的READY信号。如果使用别的型号CPU,READY属于高有效,需要对/DTACK进行反相。

中断菊花链电路

对于大多数应用来讲,一片TS68C429基本可以满足多通道429通讯要求。当要求更多通道时,TS68C429A可以采用菊花链的形式设计。图4是菊花链电路示意图。

图4 中断菊花链(略)

菊花链(Daisy Chain)是一种阻塞式级联结构,排在前面的优先级高于其后的所有单元。在任一时刻,高优先级若果发出中断,就禁止了比它自身优先级低的中断。图4中的共有U1、U2…Un个单元,其中U1具有最高优先级,Un优先级最低。当某一单元需要发出中断时,首先要判断前面是否有高优先级的中断,即判断传递下来的中断使能信号/IEIxx,当其为低电平时,可以发出,当其为高电平时禁止发出。禁止中断发出时,要一直等待到前面中断响应完成后再发出。最极端的情况就是,某些低优先级的中断单元永远没有机会发出中断,设计菊花链电路时,要综合平衡各通道的数据流量。


软件设计

上电复位后,软件应在正式工作前初始化TS68C429。传统的芯片只需要写一次控制寄存器,但多通道的初始化要复杂一些。

寄存器映象

传统的ARINC429只有一个控制寄存器,由于通道少,每个通道分配专用的选通信号,硬件简单译码即可。在多通道的芯片中,不可能继续采用这种办法。整个芯片只有一个总的片选(/CS),然后由地址A8..A0来寻址片内寄存器。系统的初始化,本质就是正确配置这些寄存器。

8个接收通道,每个都有自己的4类专用寄存器区。

(1)接收控制寄存器 (Receive Control Register)

这是一个可读可写的寄存器,它控制本通道的中断优先级、校验、标号、测试模式以及通道使能等配置。如果有2个通道的中断优先级相同,就有一个永远发不出中断。如果设置本通道处于测试模式,则第三发送通道的数据在内部回环到本通道。这个特征是用来做通道自检的。

(2)间隙寄存器 (gap register)

间隙寄存器是一个只写寄存器。写入值是以CLK429时钟周期为单位的计数值,实际是定义了相邻两个429数据的最小间隙。在传统的芯片中,最小间隙是固定的。在这里,必须显式地设置这个寄存器,决不能隐含使用复位缺省值。

(3)数据缓冲区 (message buffer)

数据缓冲区是2个16Bit的只读寄存器,存放接收到的ARINC429数据。采用中断接收时,主要就是读这2个寄存器。高16Bit(Most Significant Word)存放在低地址,低16Bit(Least Significant Word SW)存放在高地址。读数据时先读MSW,再读LSW。

(4)标号控制矩阵 (label control matrix)

这是一个256 x 1Bit的存储器区。许多人不理解这个区的含义,不会配置,以致系统不能正确运行。众所周知,ARINC429规范的低8Bit属于标号区(Label),标号代表了数据类型,例如 72H代表高度数据,73H代表角速度等。这样总计有256个标号。标号控制矩阵的某地址设置为“1”,就允许该通道接收对应标号的数据,清除为“0”,就禁止该标号的数据。硬件复位之后全部清“0”,也就是禁止接收一切数据,这就是系统不运行的原因。

3个接收通道,每个都有自己的3个专用寄存器:

(1)频率寄存器 (Frequency Register)

这是一个只写的寄存器,写入值是发送速率的除数因子。

发送速率=CLK429/FR除数因子。

根据这个公式,用户可设定选择的速率。传统的ARINC429没有这个功能,只有2种固定的速率。

(2)发送控制寄存器(Transmitter Control Register)

和接收控制寄存器类似,这是一个可读可写的寄存器,它控制本通道的中断优先级、校验、是否作为测试模式的发送、以及通道使能等配置。其中的发送间隙是控制连续发送的两个32-Bit的ARINC429信息之间最小间隙,防止接收方覆盖溢出。

(3)发送FIFO

FIFO,即“先进先出”(First In First Out),基本元素可以认为是2个16Bit的寄存器。软件必须先写入MSW,再写入LSW,这和接收通道顺序是一致的。FIFO深度为8个ARINC429信息。在写入之前,必须验证FIFO未满,否则写入数据被丢弃。在FIFO只要满队列的FIFO发送了一个元素,此时FIFO虽然未空,但也未满,就可以写入后一个数据。
除了接收通道和发送通道的专用寄存器,还有几个通用的寄存器,如通道状态寄存器、中断屏蔽寄存器,中断向量基址寄存器等,不再赘述。

复位初始化

上电复位之后,所有寄存器清 “0”,各通道处于禁止状态,需要软件显式初始化。下面给出接收通道和发送通道的初始化流程。

// 接收通道的初始化
procedure InitReceiver;
begin
for i: = 1 to 8 do
if (Channel used) then // 如果要使用该通道
begin
if (Check Label) then // 要控制标号
begin
Bit LCMWE = 1; // 允许写标号控制矩阵
Write 'Label Control Matrix;
Bit LCMWE = 1;
end;

if (Check Parity) then // 使能校验
begin
Set Parity Bit;
end;

Set "Channel-Priorty Prder" // 设置通道优先级
Bit "Channel Enable" = 1; // 使能通道
end;
end;

// 发送通道的初始化
procedure InitTransmitter;
begin
for i: = 1 to 3 do
if (Channel used) then // 如果要使用该通道
begin
if (Check Parity) then // 使能校验
begin
Set Parity Control Bit;
end;

Write "frequency divider" // 设置发送分频因子
Write "transmission gap" // 设置间隙寄存器
Bit "Channel Enable" = 1; // 使能通道
end;

if (Interrupt used ) then // 使用中断来发送
begin
Write "Base Register" // 设置基址寄存器
Write "Mask Register" // 设置屏蔽寄存器
end;
end.

ARINC429数据的接收与发送

系统工作后,初始化的通道就可以接收发送了。一般,因为不可预测接收数据何时到达,正式工作后接收采用中断驱动,发送采用查询,这样既可以不丢失数据,又可以掌控发送节奏。查询接收的办法,一般使用在系统初期硬件调试阶段。在上篇文章中,介绍了中断采用环形接收队列,这个方法非常有效。在此不再赘述环形队列访问算法。下面给出查询/中断收发流程。

// 查询方式的接收流程
procedure ScanReceiv;
begin
Read "Status Register"; // 读状态寄存器
for i: = 1 to 8 do
if (RXi = 1) then // 该通道接收到数据
begin
Read MSW; // 读高字
Read LSW; // 读低字
Write Recv Buf[i]; // 存入接收缓冲
end;
end.

中断接收就很简洁了,如下

// 中断接收服务程序
procedure IntReceiv;
begin
Read MSW; // 读高字
Read LSW; // 读高字
Write Recv Buf[i]; // 按照环形接收队列算法,存入接收缓冲
end.

// 查询方式的发送流程
procedure ScanTransmitter;
begin
Read "Transmitter control Register"; // 读发送控制寄存器
Extract "Nb-msg"; // 解算出 FIFO中的信息数目
N = 8 - Nb-msg; // 设置本次可发送的信息数
for i: = 1 to N do
begin
Write MSW; // 写高字
Write LSW; // 写低字
end;
end.

// 中断式发送流程
procedure IntTransmitter;
begin
N = 8; // 设置本次可发送的信息数
for i: = 1 to N do
begin
Write MSW; // 写高字
Write LSW; // 写低字
end;
end.


结束语

TS68C429集成度高,是改装原来分散的ARINC429设备的一种合理有效的选择。我们已将上述设计应用在多个不同种类的航空电子系统中,证明是十分有效的。随着航空电子系统的更新换代,TS68C429的应用将更加广泛。

《世界电子元器件》2007.7
         
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