基于FPGA的PCI接口ARINC429适配器的设计、实现与驱动开发

范毅　李明华

【摘要】    本文介绍了一种基于FPGA的PCI接口ARINC429适配器的设计、实现，采用PLX提供的基础驱动封装了功能函数库，并在Labview下进行了测试。

【关键字】    ARINC429    PCI    FPGA    PLX    Labview

Design and implementation of PCI interface ARINC429 adapter based on FPGA

FAN Yi，LI Ming Hua

（Xian Institute of Aeronautical Computing Technology for Aeronautical Industry，Xian Shannxi 710068 China）

Abstract：This paper introduces the design and implementation of a PCI interface ARINC429 adapter based on FPGA，Functional libraries are encapsulated using the underlying drivers provided by PLX and tested under Labview.

Keywords：ARINC429、PCI、FPGA、PLX、Labview

一、概述

为实现ARINC429总线的自动测试，需要具有大数据量连续发送和自动接收能力的模块，且该模块应便于与测试上位系统连接。

模块实现8路ARINC-429信号的接收和4路ARINC-429信号的发送。同时为每路ARINC-429信号提供1K帧（1帧32byte）的循环缓冲区。

二、总体思路

考虑实现的便捷和可靠，ARINC429部分采用标准协议芯片实现，采用标准协议芯片实现可避免因数据编码等原因影响测试可靠性，缩短开发和调试周期;与上位机采用PCI接口连接，接口使用专用桥接芯片;内部数据流控制采用FPGA实现。

2.1 ARINC429总线

ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会（Airlines Engineering Committee）于1977年7月提出的，并于同年同月发表并获得批准使用。它的全称是数字式 信息传输系统DITS。协议标准规定了航空电子设备及有关系统间的数字信息传输要求。ARINC429广泛应用在先进的民航客机以及俄制军用飞机中。我国与之对应的标准是HB6096-SZ-01。

ARINC429总线结构简单、性能稳定，抗干扰性强。最大的优势在于可靠性高，这是由于非集中控制、传输可靠、错误隔离性好。

2.2  PCI总线

PCI是Peripheral Component Interconnect（外设部件互连标准）的缩写，使用较为广泛。PCI总线是一种同步的独立于处理器的32位或64位局部总线，最高工作频率为33MHz，峰值速度在32位时为132MB/s，64位时为264MB/s，总线规范由PCISIG发布。ISA总线相比，PCI总线具有高速、支持即插即用、可靠性较高、扩展性较好等显著的优点，但也存在规范严格、使用复杂等缺点，因此在实际设计和开发过程中，一般使用专用芯片实现从PCI总线到Local Bus的转换，从而简化开发工作，也可使用对应的IP核，进一步缩减期间数量，提高集成度，目前主流FPGA厂商都提供了免费的PCI桥IP核。

2.3 FPGA

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA在复杂时序逻辑的实现上具有先天的优势，同时具备硬件电路并行运行的特点。

三、系统结构及模块功能设计

3.1系统结构

系统硬件框图如图1所示，由3个模块组成，分别为PCI接口（包括PCI桥接芯片和配置芯片）、FPGA、SRAM、ARINC429接口（包括ARINC429协议芯片和ARINC429电平芯片）。

PCI接口接收上位发来的配置和控制数据，并传递给FPGA内的控制逻辑;FPGA内的逻辑根据配置和控制数据进行ARINC429协议芯片的初始化，并对接收和发送缓冲区进行初始化;需要发送数据时，上位将需要发送的数據写入发送缓冲，并通过控制寄存器启动发送，通过读取发送状寄存器了解发送情况，通过控制寄存器可实现循环和单个数据重复发送;接收在完成配置后根据ARINC429协议芯片的接收中断自动进行，并按照先后顺序存储在接收缓冲区，模块不产生中断，上位机可读取接收状态寄存器了解接收情况，逻辑采用VerilogHDL设计实现[1]。

本设计中，PCI桥接芯片选择Broadcom（原PLX）公司的PCI9052，该芯片为PCI从设备接口桥芯片，可方便的将PCI转化为ISA（Local Bus），PCI总线符合PCI 规范r2.1;FPGA使用Xilinx公司Spartan6系列的XC6SLX25（FT）;ARINC429的协议芯片时使用4片HoltIC公司的HI3282，每片HI3282集成1路发送和2路接收，自带接收电平转换，发送电平转换芯片使用HI-8585。

3.2 FPGA内功能划分

如图2所示，FPGA内逻辑分为Local Bus控制逻辑、接收逻辑、发送逻辑、ARINC429协议芯片控制逻辑和SRAM控制逻辑。

3.2.1 Local Bus控制邏辑

Local Bus控制逻辑内包含Local Bus信号的译码和系统控制和状态寄存器，译码用于选定内部逻辑功能，系统控制和状态寄存器定义如表1和表2。

3.2.2发送逻辑

发送逻辑根据发送控制寄存器启动发送，并将发送相关的状态（主要是ARINC429协议芯片接收相关输出）保存扫发送状态寄存器。启动发送后，根据发送缓冲区地址和状态寄存器内相关位，自动完成从SRAM读取数据、写入HI-3282发送缓冲、等待发送完成、再次取数（地址指针可通过寄存器获得）的循环，直至完成缓冲区内所有数据发送。

上位机在发送前首先需要完成ARINC429协议芯片的初始化，初始化由Local Bus控制逻辑直接操作ARINC429协议芯片完成。完成初始化后，设定发送缓冲区起始地址及大小（通过寄存器），随后将数据写入缓冲区对应地址（完成缓冲区起始地址及大小设置后，设置立即生效），通过设置发送控制寄存器启动发送。涉及的寄存器见下表。

3.2.3 接收逻辑

接收逻辑监控4片HI3282上8个通道的Drin信号，当该信号有效时，启动自动接收逻辑，将ARINC429协议芯片内的数据转存至SRAM。

在使用自动接收逻辑前，需配置接收缓冲区起始地址及大小。

3.2.4 SRAM控制逻辑

SRAM控制逻辑完成访问仲裁和SRAM控制。Local Bus控制逻辑、接收逻辑、发送逻辑均可访问SRAM，优先级从高到低为：接收逻辑、发送逻辑、Local Bus控制逻辑，当高优先级逻辑访问时，低优先级的访问将被忽略，因此在进行操作前应确认模块工作状态，以免出现无效操作。

3.3 PCI总线接口

PCI9052可通过串行EEPROM配置，也可由上位机进行配置。

本设计中结合两种方式，EEPROM用于模块识别，上位机对Local Bus相关寄存器进行配置，以方便软件编程和调试。

3.4 ARINC429总线接口

由4片HI3282和4片HI8585组成，ARINC429协议芯片完全由FPGA控制，包括基础时钟及复位信号。

四、驱动开发与模块测试

4.1 驱动软件

PCI9052提供配套的软件驱动包（内含调试工具PLXmon），在进行快速测试和驱动软件开发时，可使用该工具包进行[2]。PLXmon软件界面见下图3。

软件开发包提供标准PCI函数库（针对不同类型的桥片有不同函数），通过调用标准函数可快速实现功能。下表6是用于操作模块的专用函数[3]。

4.2 系统测试

测试分为两步，首先进行自回绕测试，自发自收以验证功能;随后与目标被测件进行连接，进行连续接收测试（测试中只需接收）。为方便测试，使用Labview编制测试用软件，监控测试并记录数据[4]。软件界面如下图。

测试项及结果如下表7。

五、结束语

本文基于FPGA设计了可自动大量缓存接收数据的PCI接口ARINC429总线适配器。经过长时间测试，模块工作稳定，自动接收功能可大量缓存接收数据，为自动测试ARINC429 总线提供了便利。

参考文献

[1] [美]Samir Palnitkar，Verilog HDL数字设计与综合（第二版），电子工业出版社，2004.

[2] 丁高磊、王新艳，PLX9052的配置及驱动开发，计算机与信息技术，2007（22），51-52.

[3] 熊松，基于PCI总线的数据采集卡的实现，东南大学，硕士学位论文，20020601.

[4] 严雨、夏宁，Labview入门与实战开发100例（第三版），电子工业出版社，2017.

范毅，19790620，男，陕西咸阳，汉;大学本科;工程师;计算机应用