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。 |
