基于Cortex-M3的ARINC429总线协议转换模块的实现

赵宗红，王大明

（西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

0 引言

目前，国内主要采用单片机＋FPGA或采用DSP技术实现ARINC429信号的转换，不仅结构和设计复杂，需要扩展电路，且价格昂贵。而根据USB，RS232和ARINC429的特点，以Cortex-M3微处理器为核心，设计了的 USB／RS232转ARINC429总线模块，具有硬件设计简单、易于开发和成本低等优点。为了提高传输速率、数据转换速率和数据的存储容量，拟采用意法半导体公司的STM32F103芯片。由于它采用3级流水线和哈佛结构，加上具有丰富的外设资源，提高了系统的灵活性和可靠性。

1 硬件设计

1.1 整体框架设计

模块的硬件设计平台主要由ARM芯片STM32F103、支持ARINC429总线协议的串行收发器 DEI1016、具有 TTL／CMOS电平转标准ARINC429电平功能的电平转换芯片、RS232的收发器、1个用于切换速率的模拟开关以及各种信号的隔离芯片组成。主控芯片用于接收USB和RS232串行信号到缓冲区，经过内部转换把串行信号转换成并行信号发送给DEI1016；接收DEI1016发送的并行信号，转换成USB和RS232串行信号发送出去。系统整体结构如图1所示。

图1 系统的整体结构

1.2 USB／RS232通信接口设计

由于主控芯片内部集成了USB设备控制器，硬件电路设计比较简单。要采用差分信号传输方式，只需将差分信号线与主控芯片的对应引脚连接即可。RS232信号收发器将RS232标准的电平转换成TTL／CMOS标准电平，具有2路驱动器2路接收器。

1.3 ARINC429通信接口设计

ARINC429总线采用的是双极性归零码的三态码调制方式，即调制方式为高（＋9～＋11V）、零（-0.5～＋0.5V ）和低（-9～ -11V）状态组成的三电平状态调制。传输采用32位或25位为一个字的差分模式，传输速率有100kB／s和12.5kB／s 2种[1]。DEI1016的输出电平是TTL标准，需要经过BD429电平转换器转换成ARINC429标准电平格式，再发送出去。而每个接收通道都不需要电平转换，可直接连接到ARINC429数据总线。通过STM32F103和模拟开关DG412来控制BD429的CA和CB引脚，以切换传输速率。

DEI1016的硬件接口电路如图2所示。

图2 DEI1016的硬件接口电路

1.3.1 DEI1016典型的发送数据时序

DEI1016发送数据的时序如图3所示。

图3 DEI1016发送数据的时序

在发送数据时，如果TXR为高电平，说明发送存储器空闲可以接收数据，把ENTX置低禁止发送，从16位数据总线上下载6个ARINC字到缓冲区，最多可达到8×32bit字。当／LD1为低，／LD2为高，下载的是 Word1；当／LD1为高，／LD2为低，下载的是 Word2。当ENTX置高，就可以通过DOA，DOB发送出去[2]。

1.3.2 DEI1016典型的接收数据时序

DEI1016接收数据的时序如图4所示。在接收数据时，如果接收到有效数据，则系统自动把／DR1或者／DR2位置0。当SEL为低，／OE1为低且／OE2为高时，接收通道1的数据传到16位数据总线上；当／OE1为高，／OE2为低时，接收通道2的数据传到16位数据线上[2]。

图4 DEI1016接收数据的时序

2 软件设计

软件部分主要包括应用程序、USB的驱动程序和STM32F103的固件程序。由于操作系统的应用程序主要用于人机交互，人机界面越友好越方便用户操作，但不是设计的重点。设计的重点是USB的驱动程序和STM32F103的固件程序。

2.1 USB的驱动程序

USB驱动程序的编写采用Driver Studio，它对必用的DDK进行了包装，只要使用简单的向导就能生成一个驱动框架。而接口操作部分的子函数还是要用VC＋＋编写。应用程序主要通过Create-File，C1oseHandle，ReadFile，WriteFile，DeviceIo-Control函数调用驱动程序。通过ReadFile和WriteFile访问驱动程序的Read和Write函数，通过DeviceIoControl函数访问驱动程序的Control Code函数[3]。通过传递KIrp类（提供IRP各个域的存取方式）成员函数做参数，可以获取缓冲区地址、读和写数据的长度等参数。驱动程序处理I／O管理发来的I／O请求包（IRP），最后再将处理完成后的IRP返回给I／O管理。接着创建一个URB（USB请求块）由USB驱动程序处理。

2.2 STM32F103的固件程序

STM32F103的固件程序主要包括初始化程序、主程序和中断服务程序。初始化程序主要对USB，RS232和 ARINC429接口进行初始化[4]；主程序主要是进入主循环等待各种中断；中断服务程序包括枚举过程、数据发送部分和数据接收部分。

USB的中断服务程序如图5所示。主机首先发送一个令牌包启动USB传输，当STM32F103收到令牌包后就会触发中断。触发中断的类型有复位、挂起、枚举过程、端点1接收数据和端点2发送数据。再读取中断寄存器，判断产生中断的类型，并进行相应的中断处理。其中枚举过程的成败决定USB能否正常传输数据，只有枚举过程成功，PC机才能发现新设备[5]。

图5 USB中断流程

ARINC429总线接收数据同样采用中断方式，如图6所示。当DEI1016接收到ARINC429总线数据时，硬件自动置／DR1或／DR2为低电平，／DR1或／DR2与主控制芯片I／O口连接，再把这2个I／O口配置成外部中断。当外部中断到来，主控芯片只需要查询与／DR1或／DR2相接的I／O口的状态，以便确定接收1或接收2通道传输的数据，再作相应的数据处理[6]。

图6 ARINC429总线引发的中断流程

3 结束语

经过Protues7.8软件仿真和大量实验证明，ARINC429信号可以正确地接收和发送信号。利用STM32F103控制DEI1016的译码、速率转换和通道选择，提高了系统稳定性、可靠性。使用本模块，使ARINC429信号测试更为方便，高、低速率之间切换更简单，具有工业实用价值。

[1]张 磊，李静昭.基于MSP430的ARINC429航空总线测试接口设计[J].电子测试，2011，（10）：5-8.

[2]郭警涛，韩 敏.基于CPLD与DEI1016的ARINC429总线板设计[J].空军雷达学院学报，2011，25（4）：300-302.

[3]马存宝，张 韦，周宇晗.基于USB协议的ARINC429总线接口板的设计[J].计算机测量与控制，2008，16（6）：859-864.

[4]彭 刚，秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社，2011.

[5]刘 荣.圈圈教你玩USB[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009

[6]李 榕，刘卫国，刘晓剑.航空用ARINC429总线收发系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2005，13（9）：970-972，984.