ARINC429總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛紅琳 貴虹云 洪學(xué)寰 吳釗君 王 強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

ARINC429總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛紅琳 貴虹云 洪學(xué)寰 吳釗君 王 強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了解決虛擬航空驗(yàn)證系統(tǒng)中航電設(shè)備仿真數(shù)據(jù)協(xié)議幀兼容性和實(shí)時(shí)入庫的問題，設(shè)計(jì)了一種工作于RTX實(shí)時(shí)環(huán)境下的ARINC429總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器。硬件設(shè)計(jì)采用FPGA+DM642結(jié)構(gòu)，使用FPGA對(duì)ARINC429總線信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用DM642對(duì)協(xié)議進(jìn)行編碼和解碼，并將數(shù)據(jù)返回到PC端;在PC端使用RTX實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)完成上位機(jī)數(shù)據(jù)的交互，以保證協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性。經(jīng)測試，該設(shè)計(jì)方案能夠得到正確的協(xié)議轉(zhuǎn)換結(jié)果，并滿足了虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

ARINC429總線 協(xié)議轉(zhuǎn)換器 DM642 實(shí)時(shí)性 編碼 解碼

0 引言

在航空虛擬驗(yàn)證中，需要將不同的航電設(shè)備連接到系統(tǒng)中，并對(duì)航空系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真［1］。ARINC429總線是美國航空電子工程委員會(huì)提出并制定的一種航空電子總線，為航電系統(tǒng)之間數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸定義了航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是各系統(tǒng)間或系統(tǒng)與設(shè)備間數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)闹饕窂健?/p>

當(dāng)虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)中的航電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，除了遵循ARINC429總線標(biāo)準(zhǔn)外，通常還會(huì)根據(jù)各設(shè)備的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)打包成不同的協(xié)議幀形式。不同協(xié)議幀的設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，需要對(duì)協(xié)議幀進(jìn)行轉(zhuǎn)換［2］。此外，傳統(tǒng)的 ARINC429總線通常工作在Windows環(huán)境下，由于Windows系統(tǒng)的時(shí)鐘精度低［3］，存在航電設(shè)備仿真數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)入庫的問題。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了基于RTX實(shí)時(shí)環(huán)境的ARINC429總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器。詳細(xì)介紹了協(xié)議轉(zhuǎn)換器的軟硬件設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了測試。測試表明，該設(shè)計(jì)方案可以很容易拓展到類似的對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的應(yīng)用場合，具有很高的工程應(yīng)用參考價(jià)值。

1 協(xié)議轉(zhuǎn)換器總體方案

航空虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)通常運(yùn)行在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，航電設(shè)備經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器后可通過串口、并口、USB接口或PCI接口與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。相對(duì)于另外三種接口，PCI總線接口在速率和穩(wěn)定性方面都有極大的優(yōu)勢。本文設(shè)計(jì)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器將通過PCI總線與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理，包括協(xié)議的編碼和解碼，這要求協(xié)議轉(zhuǎn)換器具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力。DSP處理器在對(duì)大量數(shù)據(jù)做運(yùn)算時(shí)，相對(duì)于ARM和傳統(tǒng)單片機(jī)都具有很大優(yōu)勢，因而設(shè)計(jì)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器將采用DSP作為主控核心，完成協(xié)議的編碼和解碼工作，并負(fù)責(zé)與PCI接口的數(shù)據(jù)交互。外圍功能芯片的電氣驅(qū)動(dòng)則通過FPGA來實(shí)現(xiàn)，由于FPGA出色的可編程能力，即便是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或者外圍芯片的更換，也可以通過FPGA的再編程輕易實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的航空虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)工作在Windows環(huán)境，具有良好的人機(jī)界面，但實(shí)時(shí)性難以滿足。美國Ardence公司在不改變Windows內(nèi)核的前提下，提供了一個(gè)附加的實(shí)時(shí)內(nèi)核模塊RTX。RTX能夠與Windows內(nèi)核一起工作，進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行［4］。本設(shè)計(jì)采用了Windows+RTX的開發(fā)模式，一方面可充分利用Windows提供的豐富的圖形接口，最小限度地改變已有的虛擬驗(yàn)證系統(tǒng);另一方面，利用RTX提供的高精度時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)入庫，以滿足虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

ARINC429航空總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器總體方案如圖1所示。

圖1 協(xié)議轉(zhuǎn)換器總體方案Fig.1 Overall program of the protocol converter

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，將協(xié)議轉(zhuǎn)換器分為母板和子板兩部分，并通過雙排插針相連，分別對(duì)子板和母板進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

母板是協(xié)議轉(zhuǎn)換器的核心部分，采用DSP+FPGA的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)方案如圖2(a)所示。協(xié)議轉(zhuǎn)換器子板實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的四通道ARINC429總線接口，其設(shè)計(jì)方案如圖2(b)所示。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Hardware design of protocol converter

選用TI公司的C6000系列高速 DSP——DM642作為主控芯片［5］，其集成了32位的PCI接口。設(shè)計(jì)的工作主頻為600 MHz，以確保協(xié)議轉(zhuǎn)換器對(duì)運(yùn)算能力的要求。FPGA選擇Altera公司的EP2C35F672C8，其LE單元、儲(chǔ)存單元、可用I/O均能夠滿足協(xié)議轉(zhuǎn)換器的要求。設(shè)計(jì)了32 MB的SDRAM用于運(yùn)行DSP程序，64 MB的Flash用于儲(chǔ)存DSP程序、FPGA配置信息和用戶通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置的協(xié)議轉(zhuǎn)換集信息。FPGA的I/O口與DM642的EMIF接口相連，并映射到DM642的CE1內(nèi)存空間。在DM642中，通過對(duì)CE1空間的讀寫實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的訪問。

采用了HOLT公司的HI3585專用協(xié)議芯片［6-9］。該芯片擁有(32×32)B的接收FIFO和發(fā)送FIFO，可避免傳輸大量突發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生的丟包問題。HI3585具有單獨(dú)的一發(fā)一收通道，并內(nèi)置模擬驅(qū)動(dòng)器和接收器，省去了單獨(dú)設(shè)計(jì)模擬驅(qū)動(dòng)和接收電路的麻煩，也避免了模擬電路設(shè)計(jì)不當(dāng)對(duì)數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾。HI3585的SPI總線接口通過雙排插針連接到母板FPGA I/O口，在FPGA中實(shí)現(xiàn)SPI控制邏輯，便可完成對(duì)HI3585的控制。

3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換基本思路

ARINC429總線規(guī)定一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為32 B，若需要在一次傳輸中的數(shù)據(jù)位數(shù)大于32 B，則必須將數(shù)據(jù)編碼成協(xié)議幀后進(jìn)行傳輸。在航空虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)中，常見的協(xié)議幀由幀頭、幀長、數(shù)據(jù)元素、校驗(yàn)和幀尾五個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)元素一般都具有具體的物理含義，如飛行器的三維姿態(tài)信息、航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)信息。由于不同的航電設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)元素通常表示不同的物理含義，數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)編碼格式也不一致，因此在對(duì)設(shè)備的協(xié)議幀進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，通常需要對(duì)協(xié)議幀中的數(shù)據(jù)元素進(jìn)行偏移或系數(shù)放大等操作。在進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，根據(jù)幀頭的不同，對(duì)不同的協(xié)議幀進(jìn)行匹配，并根據(jù)幀頭所對(duì)應(yīng)的協(xié)議幀的物理含義，對(duì)協(xié)議幀中表示物理信息的數(shù)據(jù)元素段進(jìn)行相應(yīng)的偏移或放大等操作，以完成不同設(shè)備間協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3.2 DSP程序設(shè)計(jì)

DSP程序在CCS2編程環(huán)境中開發(fā)。DSP需處理的數(shù)據(jù)流可歸結(jié)為兩種。一種是下行數(shù)據(jù)流，由Win32上層應(yīng)用通過RTX驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)議轉(zhuǎn)換器經(jīng)過轉(zhuǎn)換后發(fā)送到ARINC429總線上。另一種是上行數(shù)據(jù)流，協(xié)議轉(zhuǎn)換器從ARINC429總線上接收到數(shù)據(jù)并經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，返回到Win32上層應(yīng)用中。在DSP程序設(shè)計(jì)時(shí)，下行數(shù)據(jù)流在PCI中斷服務(wù)函數(shù)中完成處理，上行數(shù)據(jù)流在DSP外部中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行處理。

在DSP程序中，以CSL_API形式調(diào)用DM642的庫函數(shù)。使用PCI_intEnable()初始化PC機(jī)對(duì)DM642的PCI中斷，使用IRQ_enable()將FPGA對(duì)DM642的中斷配置到DM642的外部中斷5;接著使用IRQ_setVecs()對(duì)DM642的中斷向量表進(jìn)行配置，并開啟全局中斷使能，DM642進(jìn)入空閑模式，等待PC機(jī)對(duì)DM642的PCI中斷或FPGA對(duì)DM642的外部引腳中斷。在中斷函數(shù)中會(huì)動(dòng)態(tài)加載Flash中的協(xié)議集配置信息，并據(jù)此完成編碼和解碼工作。處理的流程如圖3所示。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器中斷處理流程圖Fig.3 Interrupting processing of protocol converter

3.3 RTX實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

RTX實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)程序通過PCI總線完成對(duì)底層硬件的操作，同時(shí)需要與Win32環(huán)境下的上層應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在Visual Studio2005中，利用RTX提供的“RTX Driver Wizard”建立PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架，得到總體設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

圖4 RTX驅(qū)動(dòng)構(gòu)架圖Fig.4 Framework of RTX driver

在RTX驅(qū)動(dòng)程序中，首先根據(jù)設(shè)備的Vendor ID和Device ID，對(duì)PCI總線進(jìn)行查詢，成功匹配后將獲得設(shè)備總線號(hào)，然后通過初始化函數(shù)獲得設(shè)備的硬件資源，如內(nèi)存范圍、中斷信息等，最后將其存儲(chǔ)到PciData類型的結(jié)構(gòu)體中。根據(jù)獲得的PciData信息，依次利用RtTranslateBusAddress()和RtMapMemory()兩個(gè)函數(shù)，將DSP的內(nèi)存空間轉(zhuǎn)換為PC端可以訪問的虛擬內(nèi)存空間。RTX驅(qū)動(dòng)就可以根據(jù)基地址加上偏移地址的形式，對(duì)DSP中的內(nèi)存空間進(jìn)行訪問。利用RTX提供的ATTACH_INTERRUPT_PARAMETERS結(jié)構(gòu)體，對(duì)中斷資源進(jìn)行配置，并注冊(cè)中斷服務(wù)函數(shù)。最后，在完成對(duì)設(shè)備的所有操作后需要釋放硬件資源，并徹底退出RTX驅(qū)動(dòng)進(jìn)程。

RTX驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)Win32進(jìn)程與RTX進(jìn)程間的通信，主要通過事件(Event)同步和共享內(nèi)存(Shared Memory)機(jī) 制 實(shí) 現(xiàn)［6，10］。在 RTX 驅(qū) 動(dòng) 中，使 用RtCreateEvent()函數(shù)創(chuàng)建同步事件，使用RtCreateSharedMemory()函數(shù)從RTX的非分頁內(nèi)存區(qū)中申請(qǐng)共享內(nèi)存。在Win32進(jìn)程中，則通過RtOpenEvent()和RtOpenSharedMemory()對(duì)同步事件和共享內(nèi)存進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)RTX進(jìn)程與Win32進(jìn)程間數(shù)據(jù)的交互。設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 RTX數(shù)據(jù)共享流程圖Fig.5 Data sharing of RTX

3.4 上層應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

在虛擬航空驗(yàn)證系統(tǒng)中，上層應(yīng)用軟件主要用于人機(jī)交互。為了對(duì)虛擬航空驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行模擬，編寫了Win32環(huán)境下的控制臺(tái)程序，用于接收用戶的信息輸入，并將返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行回顯。設(shè)計(jì)時(shí)采用多線程技術(shù)，開辟了兩條獨(dú)立的線程。其中一條用于監(jiān)控用戶的輸入命令;另一條用于與RTX驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行事件同步，完成數(shù)據(jù)交互，并監(jiān)控底層硬件返回突發(fā)情況報(bào)警信息。

4 協(xié)議轉(zhuǎn)換器測試

協(xié)議轉(zhuǎn)換器上有四路獨(dú)立ARINC429總線接口，可構(gòu)成回環(huán)測試線路。參照哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的單軸串口轉(zhuǎn)臺(tái)協(xié)議格式，制定了基于ARINC429航空總線的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)協(xié)議，用于模擬飛機(jī)的偏航角。單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的部分協(xié)議描述如表1所示。表1中，C9、C3、C2和C4是字符格式的數(shù)據(jù)，分別為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)臺(tái)協(xié)議的幀頭。

表1 單軸串口轉(zhuǎn)臺(tái)協(xié)議描述Tab.1 Protocol description of uniaxial serial turntable

本文使用了多次回環(huán)測試的方法，循環(huán)次數(shù)N取多組不同的值，并求取一次回環(huán)平均時(shí)間。測試流程如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)性測試流程圖Fig.6 Test process for real-time performance

使用本文設(shè)計(jì)的上層應(yīng)用軟件對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試。以第一路ARINC429接口作為發(fā)送設(shè)備，通過控制臺(tái)將速率指令發(fā)送到第二路ARINC429接口中，同時(shí)使用控制臺(tái)將第二路數(shù)據(jù)回讀并顯示，得到正確的結(jié)果。本文同時(shí)對(duì)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的另外12條協(xié)議進(jìn)行了測試，結(jié)果正確，滿足預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，利用RTX提供的高精度時(shí)鐘，可精確測量一個(gè)處理流程所占用的時(shí)間。多次測試得到平均一次的回環(huán)時(shí)間為0.25 ms。

5 結(jié)束語

本文所提出的利用DSP、FPGA和RTX實(shí)時(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)ARINC429航空總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法，充分利用了FPGA和DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力，并結(jié)合RTX內(nèi)核的實(shí)時(shí)處理能力，使得協(xié)議轉(zhuǎn)換器能夠滿足高實(shí)時(shí)性要求的場合。一方面，協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要數(shù)據(jù)處理部分由DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)，具有極高的實(shí)時(shí)性，減輕了PC端上位機(jī)的運(yùn)算量;另一方面，通過Windows系統(tǒng)中嵌入的RTX實(shí)時(shí)內(nèi)核，使得在Windows環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)變得更加容易。本文所提出的設(shè)計(jì)方案可以很容易拓展到類似的對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的應(yīng)用場合，具有很高的工程應(yīng)用參考價(jià)值。

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Design and Implementation of the ARINC429 Bus Protocol Converter

In order to satisfy the frame compatibility of protocol and storage in real time of simulation data for avionics equipment in virtual aviation verification system，the ARINC429 bus protocol converter working under RTX real time environment has been designed.In hardware design，F(xiàn)PGA+DM642 structure is adopted，F(xiàn)PGA is used for driving the ARINC429 bus signals，and DM642 is used for protocol encoding and decoding，and returning the data to PC.In PC，to guarantee real time performance for data exchange，RTX real time driving is used.Through tests，it is found that the design scheme can provide correct protocol conversion result，and meet the real time requirement for virtual verification system.

ARINC429 bus Protocol converter DM642 Real time performance Encoding Decoding

TN919+.3

A

修改稿收到日期:2013-09-10。

薛紅琳(1990-)，女，現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)在讀碩士研究生;主要研究方向?yàn)榍度胧接布_發(fā)與測試。