1 引言

隨著數字技術和計算機技術的不斷發展，越來越多的航空電子設備采用了數字化技術，從而使數字傳輸成為信息傳輸的主要途徑。ARINC429是航空電子系統中最常見的通訊總線之一，廣泛用于波音（Boeing）系列、歐洲空中客車（Airbus）等機種。目前國內機載電子大多采用專用測試設備，系統通用性不高，增加了檢測成本。本文介紹的ARINC429接口板設計靈活、工作可靠、有效地節約了成本，可以緩解當前ARINC429設備檢測難的窘境，有廣闊的應用前景。

2 系統總體設計

Altera公司在2004年發布了支持CycloneⅡFPGA系列的NIOSⅡ嵌入式微處理器。它是一款通用的RISC結構32位CPU，在軟件SoPC的基礎上添加NIOSⅡ軟核和相應的外圍接口。對設計進行綜合，下載到FPGA中就可以設計一個具有特定功能的嵌入式處理器。本設計采用Altera公司的FPGA—EP2C35，引人嵌入式軟核處理器NIOSⅡ作為系統的主控制器，結合ARINC429專用器件和其他外圍設備實現數據的收發功能。

ARINC429接口板由數據收發、存儲器擴展、監控、PCI總線接口等模塊組成。NIOSⅡ控制協議器件HS3282完成發送數據緩存和串并轉換（接收時串行轉換為并行，發送時并行轉換為串行），HS3182作為3282的驅動器完成差分信號轉換及傳輸速率調節。PC機通過PCI總線與接口板通信，實現對發送、接收數據的處理和顯示。NIOSⅡ自帶的定時器可以設置為Watchdog。系統上電后啟動運行，當主程序因外界干擾產生跑飛時對系統進行軟件復位，增強了系統的抗干擾能力。系統整體結構圖如圖1所示。

3 硬件設計

3．1 ARINC429總線規范

ARINC429總線規范又稱MARK33數字式信息傳輸系統（DITS：Digital Information Transfer System），它是專用于航空電子系統的航空工業標準，數據通過一對單向、差分耦合、雙絞屏蔽線傳輸，本質屬于串行通訊范疇。總線上只允許有一個發送器，但最多允許有20個接收器。數據字有25 bits和32 bits兩種，以雙極歸零碼的形式發送。數據脈沖有三種電平，即高電平，邏輯1（6．5 V～13 V）；中電平（-2．5 V～2．5 V）；低電平，邏輯O（-13 V～6．5 V）。中電平為發送自身時鐘脈沖。字與字之間以一定間隔（4位）分開，此間隔作為字同步。ARINC429的傳輸速率為12．5 kb／s（低速）或者100 kb／s（高速），傳輸協議比較簡單，屬于點對點的傳輸協議。

3．2 HS3282與HS3182接口電路

HS3282和HS3182是美國Harris公司推出的高性能CMOS總線接口電路，能夠滿足ARINC429總線的規范要求及類似的編碼定時多路串行數據傳輸協議。目前，絕大多數ARINC429總線接口電路都由它們來實現。HS3282是由兩個接收器和一個發送器組成，接收器和發送器分別獨立工作。兩個獨立的接收器直接與ARINC429總線相連，當接收到一個數據字后產生相應的讀請求信號，等待外部命令對數據的讀取。發送器主要由先進先出（FIFO）存儲器和定時電路組成，FIFO存儲器可以保存8個32位數據字，定時電路按照ARINC規范的要求分隔每個Arinc字，并自動產生奇偶校驗位。外部提供的工作時鐘一般為1 MHz，通過軟件控制可以使HS3282的接收和發送模塊工作在不同的速率（100kb／s或者12．5 kb／s），從而使器件的通用性更強。需要注意的是波特率不同時，驅動器HS2182的CA、CB端的外接電容也應該不同，高速傳輸（100 kb／s）時，CA、CB端應該外接75 pF的電容，低速傳輸（12．5 kb／s）時，CA、CB端則應外接300 pF的電容。HS3282和HS3182的連接示意圖如圖2所示。

3．3 PCI總線接口設計

PCI總線是Intel公司推出的一種高性能局部總線，其數據總線為32位，且可擴展成64位，最大數據傳輸速率為128 Mb／s～256 Mb／s，遠遠大于ISA總線5 Mb／s的傳輸速度，是目前微機系統廣泛使用的一種總線。PCI總線協議比較復雜，一般采用兩種方式：

（1）采用可編程邏輯器件來設計控制接口。它的優點是比較靈活，用戶可以根據自身的需要開發出適合于特定功能的電路，而不必實現PCI的全部功能。但是控制接口設計難度較大，開發周期長，成本高。

（2）采用專用PCI接口電路，例如AMCC公司的AMCCS5920，PLX公司的PCI9054等。通過專用電路可以實現完整的PCI主控模塊和目標模塊的功能。將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口。用戶只要設計轉換后的總線接口即可。專用接口電路具有較低的成本和通用性，能夠有效降低接口設計的難度，縮短開發時間，并能獲得較好的數據傳輸性能。

雖然Altera公司也為NIOSⅡ處理器提供了方便使用的PCI核，但是價格昂貴。本設計中采用PLX公司的專用接口電路PCI9054，使其工作在C模式下。為了降低開發難度，采用一種較為簡便的通信方式：在NIOSⅡ與PCI橋間插入雙口RAM，一端地址數據線接NIOSⅡ。另一端接PCI9054。通過雙口RAM轉接數據．將雙口RAM分為上下兩個半區，PCI橋與NIOSⅡ對雙口RAM交叉訪問，可以大大削弱PCI的時序要求。只需少量的信號通過FPGA來實現邏輯轉換．而無需總線仲裁，這種方式具有時序簡單、控制信號較少、編程簡單，應用方便等特點。

3．4 NIOSⅡ及外圍接口電路設計

ALtera公司的QuartusⅡ軟件是一個完整的多平臺設計環境。具有分析、綜合、布線、功耗估計等功能，能滿足各種特定設計的需要，為可編程片上系統（SoPC）提供全面的設計環境。采用其中的SoPC Builder可在圖形化界面內定制一個NIOSⅡ嵌入式系統．配合NIOSⅡ的軟件開發工具NIOSⅡIDE，可以方便地開發從硬件到軟件的完整系統，大大提高了設計效率。

硬件設計步驟如下：

1）在SoPC Builder軟件中定制CPU軟核。配置CPU硬件選項，如指令緩存等；增加外圍設備接口，如數據存儲器RAM接口、程序存儲器Flash接口、JTAG調試口、HS3282接口模塊等，添加外設如PCI總線接口、Watchdog等。

2）定義處理器上電復位地址。這里指定復位地址為外部Flash。系統在復位后會自動從外部Flash將用戶指令讀取到片內RAM中執行。

3）添加用戶自定義指令，NIOSⅡ允許用戶定制多達256個自定義指令。采用自定義指令可以用硬件來實現計算量較大的指令。對于頻繁調用的指令可以有效地節省運算時間。本設計中將ARINC429數據的拼接和拆分用自定義指令來實現。

4）在FPGA內完成NIOSⅡ與HS3282接口模塊、NIOSⅡ與PCI總線的接口模塊及復位電路等。

5）系統編譯完成后使用QuartusⅡ 5．0軟件和ByteBlasterⅡ下載電纜通過PC機在線配置FPGA，軟件設計完成后若調試通過就可以將FPGA的配置數據下載到FPGA的配置器件中。

硬件框圖如圖3所示。

4 軟件設計

4．1 ARINC429數據的接收與發送

系統上電后應該先初始化HS3282。外部工作時鐘為1MHz，內部接收和發送速率可設置為外部時鐘的1／10或1／80，即100 kb／s或12．5 kb／s。設置ARINC429數據字格式為32位或者25位。采用中斷的方式接收數據，HS3282有兩個接收器，當有一個數據字到來后。相應的接收數據有效標志DR變為低電平，向主控制器發送讀數據請求。讀取接收數據時，將SEL置為0，然后給相應的EN引腳送入一定寬度的負脈沖信號，接收第一個16位字。此后把SEL置1，再給EN引腳送入一個負脈沖信號，接收第二個16位字。如果處理器忽略了該請求，則下一個接收數據會覆蓋前一個數據。HS3282的數據字為16位．因此一個ARINC數據字（32位）要分兩次才能讀出。發送數據時要先將數據寫入HS3282的內部FIFO中，向FIFO寫操作過程中，當PL1由低電平跳變到高電平時．低16位數據寫入FIFO的輸入寄存器的低16位；當PL2由低電平跳變到高電平時．高16位數據寫入FIFO輸入寄存器的高16位，同時將輸入寄存器的內容寫入FIFO單元，連續操作8次便可將FIFO寫滿。第一個數據字寫入后TX／R由高變低。FIFO寫滿后，通過啟動發送使能信號ENTX．HS-3282便可將這8個數據字串行發送。當然也可以根據實際需要每次發送小于8個數據字。當FIFO為空時，TX／R由低變高，禁止發送使能信號。向FIFO重新寫入數據。

4．2 NIOSⅡ軟件開發

NIOSⅡ的軟件開發是在HAL （hardware abstraction layer）的基礎上進行的。HAL系統庫是一個輕量級的運行環境．提供了與硬件通訊的簡單設備驅動程序。它還集成了ANSIC標準庫，這些API允許設計者用標準C函數（例如：printf，fopen，fwrite等）去存取設備。HAL類似于ARM系統中的BSP（board—support package），提供了一個一致的設備存取界面。SoPC Builder和NIOSII IDE緊密集成，在SoPC Builder生成硬件系統以后．NIOSⅡIDE能夠自動生成對應的客戶HAL系統庫。更新硬件系統設置以后．NIOSⅡIDE能自動更新HAL的驅動設置。

軟件設計步驟如下：

1）在NIOSⅡIDE中創建軟件項目，NIOSⅡIDE會根據用戶在SoPC Builder中的硬件配置自動生成用戶HAL系統庫．如系統頭文件和初始化文件等。

2）利用用戶HAL系統庫在NIOSⅡIDE開發環境下編寫程序源代碼C／C++程序，編譯調試代碼，調試完畢后用NIOSⅡIDE提供的Flash軟件Flash Programmer將生成的可執行文件燒寫到Flash中。

在FPGA產品開發中嵌入NIOSⅡ軟核微處理器具有高度集成的特點。本設計不僅在FPGA內集成了一個CPU，而且集成了CPU周邊的硬件邏輯和外部設備接口，以及整個系統設計的邏輯譯碼電路。達到高度集成的目的。本系統的特點是：

1）NIOSⅡ嵌入式微處理器成本低。開發周期短，提高了產品的性價比和研發速度。

2）采用可編程邏輯器件使系統具有可升級和可擴展性，不僅可以更改FPGA的內部設計．還可以對NIOSⅡ的軟件進行更新升級，靈活地滿足不同的需求。

5 結束語

采用SoPC開發產品可縮短開發時間，增加系統的靈活性，減小PCB板的體積和布線難度，其設計方式正在受到越來越多設計者的重視。本文介紹的系統達到了預期目的，完成了基于NIOSⅡ軟核微處理器的應用設計，可以很方便的應用于PCI總線微處理器中。隨著新一代NIOS軟核處理器的推出。嵌入式系統的性能將更加強大，基于NIOSⅡ的開發將繼續推進系統在各個技術領域的應用和技術的創新。