基于CPLD的ГОСТ18977總線收發系統設計與實現

王 瑞,芮國勝,張 洋

（海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001）

在現代俄制飛機上,普遍采用符合俄羅斯ГОСТ18977總線的傳送方式進行數字信息的傳送和交換。該數據總線標準類似于美國航空無線電公司 （ARINC）制定的ARINC429傳輸標準。二者數據格式及電氣特性一致，其不同之處在于俄式ГОСТ18977標準總線傳輸速率有12 kb/s、48 kb/s、100 kb/s和 250 kb/s 4 種， 而 ARINC429標準總線傳輸速率只有12.5 kb/s和100 kb/s兩種[1]。目前,由于國內尚無專用的 ГОСТ18977總線芯片,大多ГОСТ18977總線收發設備通常采用 ARINC429專用芯片來實現[2]。而ARINC429芯片無法完全兼容ГОСТ18977的 4種總線傳輸速率，參考文獻[3-4]通過設置芯片控制字的方法，對外部時鐘進行分頻以達到速率匹配的目的。這種硬件分頻的方法只能兼容某一固定傳輸速率，無法滿足不同傳輸速率設備之間的通信要求。本文設計并實現了一種基于CPLD的ГОСТ18977總線收發系統。該收發系統利用CPLD進行軟件分頻，可兼容不同的總線傳輸速率；并通過CPLD實現系統的邏輯設計與收發控制，能夠實時完成總線數據的發送、接收、顯示和存儲功能。

1 系統總體設計

在系統設計上，采用模塊化結構對系統的功能進行劃分。主要功能包括對從其他機載設備到收發系統的信息的輸入、顯示、存儲，以及從收發系統到其他機載設備的信息的輸出等。根據其功能可將系統分為中央控制模塊、信息輸入/輸出模塊、帶鍵盤和數碼管的顯控模塊以及電源模塊等，系統整體結構如圖1所示。

系統采用對STC89C58RD+芯片進行指令編程的辦法，并將編寫的指令信息存儲到STC89C58RD+芯片的指令存儲器中。輸入數據時，通過寫入、存儲指令直接存儲到STC89C58RD+芯片的數據存儲器中；輸出數據時，直接通過讀出等相關指令從存儲器中提取相關數據并傳送至CPLD，通過CPLD完成信息時序控制、并串轉換，再輸出至輸入/輸出模塊進行信號的差分編碼和信息波形變換；讀取其他機載設備的數據時，通過輸入/輸出模塊完成信號調理、差分編碼的逆變換,同時由CPLD完成時序控制和串/并轉換，再送至單片機，最后由單片機發出顯示指令，通過顯控模塊完成信息的顯示。RAM存儲器用于保存自相鄰模塊獲得的信息，并根據中央控制模塊的指令將信息傳輸到相鄰模塊。ROM存儲器用于長期保存自RAM存儲器獲得的信息,并根據中央控制模塊的指令將信息傳輸到相鄰模塊。

2 硬件設計

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊是該收發系統的信息控制和處理中心，它直接參與和控制各部分電路的正常工作以及各種信息的處理、傳輸和顯示，起著整個系統信息處理與控制中心的作用。它包括中央處理器STC89C58RD+和可編程邏輯器件CPLD。

CPLD采用EPM7128SQI100-10可編程邏輯器件[5]。中央處理器通過其外部總線，與可編程邏輯陣列構成的接口電路相聯系，經過CPLD對地址、數據、總線等信息地址鎖存與緩沖等處理后，完成各種信息的鍵盤輸入、數碼管顯示和存儲控制等功能。

RAM存儲器、ROM存儲器矩陣用于存儲256個24 bit字，采用STC89C58RD+內部集成的EEPROM。利用ISP/IAP技術，將內部DATA Flash當EEPROM使用。在進行256個24 bit存儲中，采用4個EEPROM扇區，每個扇區512 B。該方案簡化了系統的電路設計，方便使用[6]。

另外，系統采用12 MHz、24 MHz振蕩器分別作為單片機和CPLD的時鐘，CPLD將24 MHz時鐘經分頻后產生96 kHz的時鐘作為32 bit串行碼發送和接收的工作時鐘。CPLD的分頻時鐘是通過編程的方式實現的，可根據傳輸速率的不同，靈活調整CPLD的工作時鐘。

2.2 輸入/輸出模塊

輸入/輸出模塊主要用于與其他機載設備的信息交換，完成信息的32 bit串行碼的差分編碼、差分譯碼、波形變換等功能。

在發送32 bit串行碼時，由STC89C58RD+準備數據，并通過總線通信的方式將數據傳遞給CPLD;由CPLD控制輸入模塊將其轉換為串行碼，并控制發送的時序，碼元寬度為 20 μs，占空比為 50%[7]。輸入模塊的核心是雙極性碼形成模塊,該模塊主要由MAX313模擬開關及由CPLD組合邏輯電路組成的譯碼電路兩部分構成,其主要作用是產生所需的32 bit串行雙極性碼。電路圖如圖2所示。

在接收32 bit串行碼時，首先使信號J-INA、J-INB分別通過一個二極管和一個三極管，此過程中信號被削去負電平且被反向；再經過一個CPLD內部的“與門”，得到的信號就是從串行碼信息中提取的時鐘信號。由于每個上升沿正好在時鐘周期的中間，所以此信號不僅可以送往單片機進行計數，而且可以作為CPLD的數據的移位脈沖。另外，信號還經過一個CPLD內部觸發器，形成需要的單極性歸零碼信號，完成信號的接收。當完成32 bit串行碼接收后，由CPLD送至單片機，經單片機控制顯示控制模塊進行信息的顯示。編碼接收電路如圖3所示。

2.3 顯示控制模塊

顯示控制模塊由8 bit數碼管、28個按鍵和 4個指示燈構成。其中，8 bit數碼管、28個按鍵的驅動和控制主要由芯片CH451完成。8 bit數碼管用于信息的顯示，高6位為數據信息，低2位為地址信息；28個按鍵主要用于16進制信息的輸入、設備狀態的設定、輸入按鍵、讀取按鍵功能；4個指示燈分別對應清除、輸入結束、寫入、存儲信息指示。

3 系統軟件設計

系統軟件部分由主程序、發送子程序和接收子程序構成。主程序負責對數據接收、發送、存儲和顯示的控制，同時通過奇偶校驗對接收到的數據實現檢錯功能。發送子程序和接收子程序以對中斷響應的處理為核心，通過主程序對中斷的調度來實現數據接收和發送的功能。

3.1 數據接收

在接收狀態下，主程序不間斷地檢測接收數據線的狀態，當出現連續（4個碼元周期）的高電平時，開始檢測同步碼；確認收到同步碼后，準備在4個碼元周期后接收32 bit的數據碼，否則繼續檢測接收數據線的狀態；間隔4個碼元周期后，主程序產生接收中斷信號，開始執行接收子程序，接收子程序將32 bit的數據存入緩沖區并完成串/并轉換，以便主程序的顯控模塊調用；間隔一個字周期后，退出接收子程序中斷，再次循環以上過程。其流程圖如圖4所示。

3.2 數據發送

在發送狀態下，主程序不間斷地掃描鍵盤的狀態。當有按鍵按下時，數碼管會顯示相應的標示；當檢測有發送的請求信號時，主程序產生發送中斷信號，開始執行發送子程序；發送子程序將鍵盤按下的數據信息存入緩沖區，在完成并/串轉換后，將 32 bit的數據碼送入發送數據線上；在一個字周期后，退出發送子程序中斷；間隔4個碼元周期后，重新開啟發送子程序，將32 bit的同步碼送入發送數據線上，完成對同步碼的發送過程；在一個字周期后，退出發送子程序中斷，再次循環以上過程。其流程圖如圖5所示。

圖4 數據接收流程圖

圖5 數據發送流程圖

3.3 數據同步與糾錯

由接收數據和發送數據的過程可知，精確地定位數據碼和同步碼間隔的4個碼元周期的高電平，而不產生錯位對于同步接收數據非常重要。CPLD的時鐘頻率為24 MHz，將其分頻后的100 kHz作為串行碼的工作時鐘，分頻后的200 kHz作為同步檢測時鐘。在同步檢測時鐘下，檢測出16個高電平的數據信號，即為數據信號的同步頭。同時，為避免直流電平對同步頭檢測的影響，還應排除大于4個碼元周期的偽同步頭。

為了提高數據接收的可靠性，本系統在進行數據通信中，通過奇偶檢驗來實現檢錯功能，將數據通信的誤碼率降到最小。數據碼的第32位為奇偶檢驗位，在發送時，若前31位中 1的個數為偶數，則檢驗位為 0，否則為1；在接收時，按照同樣的規則進行判定，若校驗一致，則表明正確接收，否則通知發送端重新發送。其流程圖如圖6所示。

圖6 檢錯實現過程示意圖

4 測試結果

系統的測試包括硬件測試和軟件測試。硬件測試主要是在完成PCB板的焊接后，對板上的元器件進行逐一測試，保證與原理圖一致；并對焊接情況進行檢查，防止出現虛焊、漏焊的情況，進而確保系統接口與其他機載設備電氣特性的一致性。

軟件測試采用各模塊聯調的方式進行。首先用示波器測試了發送數據的波形接收后的解碼波形，分別如圖7和圖8所示。另外，還測試了以下功能：(1)接收自其他機載設備的數據，并完成顯示功能；(2)將鍵盤輸入的數據發送至其他機載設備；(3)將發送或接收的數據存儲到RAM存儲器或ROM存儲器,并完成顯示功能；(4)將數據從存儲器中讀出，并完成顯示功能。上述各功能在實驗室及室外環境下均做了100次以上的測試。測試結果表明，系統均能正確地完成相應操作。

該收發系統充分利用CPLD硬件可編程性、高度集成性等特點，通過CPLD實現系統的邏輯設計與收發控制，能夠實時完成總線數據的發送、接收、顯示和存儲功能。與采用專用芯片的實現方式相比，該系統可兼容不同的總線傳輸速率，且器件的成本較低，具有較強的推廣價值。

[1]田城，王勇，何雅靜，等.ГОСТ18977-79航空總線仿真系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2011,28(01):300-303.

[2]劉迎歡，羅志強.ARINC429協議和與之對應的俄羅斯標準的比較[J].航空電子技術，2002,33(1):11-15.

[3]邸亞洲,李富榮,于建立,等.基于 HS3282芯片實現ГОСТ18977總線數據傳輸方法[J].計算機測量與控制，2007，26(1):47-49.

[4]黃潤龍.基于 ARINC429協議芯片實現俄式 ГОСТ18977-79 協議通 信 設 計[J].電 訊技術，2005,02(02)：62-68.

[5]張立,劉昆.基于 FPGA的采樣與控制系統設計[J].電子測量與儀器學報，2008，22（z2）：520-523.

[6]吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD 設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[7]楊軍鋒,謝聶.多通道串行雙極性數字發送電路設計[J].測控技術,2003,22(1):67-69.