CN104063347B - 多用途无线数据转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转换器，具体公开一种多用途无线数据转换器，包括有转换器本体，转换器本体上设有供电输出接口及多种数据接口，转换器本体内包括有一CPU、分别与CPU通信连接的WiFi模块及串口模块，还包括一外设的USB模块；所述CPU采用PowerPC QorIQ系列通信处理器；WiFi模块采用包括有无线接口且集成有内部可配置的以太网交换机的无线路由器芯片，WiFi模块通过以太网交换机与CPU进行通信；串口模块采用集成有多种类和数目串行总线的FPGA芯片，USB模块采用USB外设控制器；CPU、WiFi模块及串口模块分别与其对应的数据接口通信连接。本发明集成串口转Wi‑Fi功能、无线路由器功能、ARINC429航空总线无线传输功能，具有接口数量多、接口集中、设备通用性高等优点。

Description

多用途无线数据转换器

技术领域

本发明涉及一种转换器，尤其涉及一种多用途的无线数据转换器。

背景技术

ARINC429总线协议是由美国航空电子工程委员会(Airlines EngineeringCommittee)于1977年7月提出的航空电子总线，是当今众多航空器所使用的最主流的总线协议之一。

过去航空设备采用的航空总线种类各异(如ARINC453、ARINC461/568、ARINC573、ARINC575、ARINC582)，很难互相兼容。现代飞机电子系统要求各机载航空设备使用统一的航空总线，方便系统集成。ARINC429就是在这种需要下形成规范。

电子飞行包(EFB)的定义源于上世纪70年代末，最初的核心目的是用以替代繁重的纸质文件，而时至今日电子飞行包系统早已不是简单的数字化纸质文档，而是涉及地空宽带通信、地面飞行服务、机载信息处理、航空情报分析、数字航图解读、飞行性能计算、后期机务维护、飞行安全保证等多业务领域、跨地空平台的“数字化航空系统(DFS)”的前台展示终端。电子飞行包应用的主要数据来源为RS232、RS422、RS485等串口输出的机载设备及航电ARINC429总线中的数据。

基于以上原因，如何高效、便捷的从各类串口、总线读取、传输数据成为了重要问题。当前ARINC429总线数据主要采用有线方式传输，如使用：429转USB，429转PCI等设备，这些设备使用烦琐，需多次使用计算机与之连接调整参数、设定工作接口，智能性极低。且有线传输方式会在传输距离、安装走线、设备接口标准统一等多方面产生不便、产生隐患，即便通过有线方式进行无线扩展也会大大增加设备占用空间，减低集成程度。同时采用USB有线方式还需开发、安装驱动程序，增加设备运行负担，造成不必要的软件研制工作。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种多用途无线数据转换器，其集成串口转Wi-Fi功能、无线路由器功能、ARINC429航空总线无线传输功能，具有接口数量多、接口集中、设备通用性高等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种多用途无线数据转换器，其包括有转换器本体，所述转换器本体上设有供电输出接口及多种数据接口，该转换器本体内包括有一CPU、分别与CPU通信连接的WiFi模块及串口模块，还包括一外设的USB模块；所述CPU采用PowerPC QorIQ系列通信处理器，用于与WiFi模块进行数据交互，并对串口模块和USB模块进行访问；所述WiFi模块采用包括有无线接口且集成有内部可配置的以太网交换机的无线路由器芯片，WiFi模块通过该以太网交换机与CPU进行通信；所述串口模块采用集成有多种类和数目串行总线的FPGA芯片，USB模块采用USB外设控制器；CPU、WiFi模块及串口模块分别与其对应的数据接口通信连接。

其中，所述转换器本体上设有一路供电输出接口及7类数据接口，该7类数据接口分别为标准RJ45以太网接口、标准RS232接口、标准RS422接口、标准RS485接口、无线Wi-Fi接口、标准USB接口，及ARINC429接口。

具体的，所述CPU可以采用PowerPC QorIQ系列的P2020通信处理器。

可选择的，所述WiFi模块可以采用Broadcom公司的BCM5357无线路由器芯片。

本发明中，所述BCM5357无线路由器芯片上设有无线接口，以及集成了5个以太网口且内部可配置的以太网交换机；该BCM5357无线路由器芯片内部还包括有一个MIP32的处理器，用于对无线接口及以太网口进行管理，并对外提供网络参数配置服务。

其中，所述5个以太网口中的任何一个以太网口均可设置为WAN口，WiFi模块通过该WAN口与CPU通信。

进一步地，所述串口模块可以采用Xilinx的Spartan6系列FPGA芯片。

本发明中，所述FPGA芯片通过一PCIe接口与CPU无缝连接；该FPGA芯片内包括有三个串口控制器、一429发送控制器及429接收控制器，该三个串口控制器分别通过一RS232发送器、一RS422发送器、一RS485发送器与转换器本体上的4路标准RS232接口、4路标准RS422接口及4路标准RS485接口对应连接；所述429发送控制器、429接收控制器分别通过一ARINC429发送器及ARINC429接收器与转换器本体上的2路ARINC429数据接收接口、2路ARINC429数据发送接口对应连接。

再者，所述USB模块可以采用cypress公司的EZ-USBFX3外设控制器。

此外，所述转换器本体内还设有一WIFI收发控制器，CPU通过该WIFI收发控制器与一windows操作系统的用户终端通信联系。

本发明的多用途无线数据转换器，其具备无线Wi-Fi模块，能显著降低连线、接口困扰，提高设备通用性，降低使用成本，其支持Station及AP两种无线网络模式，大大提高设备使用及组网灵活程度，丰富用户使用手段；同时，其设备接口种类丰富，具备7类数据接口及一路供电输出接口，可同时连接多台外设进行工作，适用性强、使用场景多样；再者，其具有接口种类齐全，接口数量充足，设备使用方式灵活，配置简单，携带方便，功耗低等主要特点，且具备无线路由器功能，可以真正实现一机多用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多用途无线数据转换器一种具体实施例的硬件结构示意图；

图2为本发明中RS232总线接收的实现框图；

图3为本发明中ARINC429总线接收的实现框图；

图4为本发明中ARINC429总线发送的实现框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种多用途无线数据转换器，其包括有转换器本体10，所述转换器本体10上设有供电输出接口(未图示)及多种数据接口，该转换器本体10内包括有一CPU20、分别与CPU20通信连接的WiFi模块及串口模块，还包括一外设的USB模块；所述CPU20采用PowerPC QorIQ系列通信处理器，用于与WiFi模块进行数据交互，该CPU20可以直接控制WiFi模块进行数据收发，并对串口模块和USB模块进行访问；所述WiFi模块采用包括有无线接口且集成有内部可配置的以太网交换机31的无线路由器芯片，WiFi模块通过该以太网交换机31与CPU20进行通信；所述串口模块采用集成有多种类和数目串行总线的FPGA芯片41，USB模块采用USB外设控制器；CPU20、WiFi模块及串口模块分别与其对应的数据接口通信连接。本发明的多用途无线数据转换器具备无线Wi-Fi模块，能显著降低连线、接口困扰，提高设备通用性，降低使用成本，其支持Station及AP两种无线网络模式，大大提高设备使用及组网灵活程度，丰富用户使用手段；同时，其设备接口种类丰富，可同时连接多台外设进行工作，自身支持110V-240V AC交流供电及28VDC直流供电，适用性强、使用场景多样；其还具有接口种类齐全、接口数量充足、设备使用方式灵活、配置简单、携带方便、功耗低等主要特点，同时该设备具备无线路由器功能，能够真正实现一机多用。

其中，所述转换器本体10上设有一路供电输出接口及7类数据接口，该7类数据接口分别为标准RJ45以太网接口11、标准RS232接口12、标准RS422接口13、标准RS485接口14、无线Wi-Fi接口15、标准USB接口16，及ARINC429接口。在本发明具体实施例中，所述标准RJ45以太网接口11有4路，标准RS232接口12有4路，标准RS422接口13有4路，标准RS485接口14有4路，无线Wi-Fi接口15有一路，ARINC429接口有4路，其中包括两路ARINC429数据接收接口17，两路ARINC429数据发送接口17’。本发明的多用途无线数据转换器接口种类、数量丰富，大大提升了设备的可用性。

在本发明具体实施例中，所述CPU20可以采用PowerPC QorIQ系列的P2020通信处理器。该P2020通信处理器除了一如既往地继承了PowerPC系列处理器功耗低(P2020最小系统功耗仅需4w)、抗干扰能力强的特点外，更集成了2个高性能PowerArchitecture e500内核，从而为系统提供了强劲的数据处理能力。此外该P2020通信处理器更提供以下的丰富外围接口：3个10/100/1000Mbps增强型三速以太网控制器(eTSEC)，本发明设计中即利用了其中的1个实现了与WiFi模块的数据交互；增强型本地总线控制器(eLBC)，它能提供16位的数据总线，同时访问8路外设，本发明设计中通过eLBC，P2020通信处理器可访问USB模块和FPGA芯片41所提供的串口资源；一些其他的接口：如2路USB2.0，内置的安全引擎等。由上面的介绍可见，选用P2020通信处理器作为本发明的核心处理器是合适的，既提供了充足的数据处理、转发能力，又具备丰富的接口，不需要过多的其他接口器件，同时功耗不大，满足系统功耗方面的要求。在软件方面，本发明选用目前较常见的引导软件u-boot，其对PowerPC系列处理器有很好的支持，且目前u-boot的开发仍然十分活跃，对u-boot进行简单的移植后即可使用到QorIQ系列的P2020通信处理器的子系统上。同时，该P2020通信处理器的子系统选用目前最常用的嵌入式操作系统Linux，开源代码、庞大的开发群体、方便可用的众多设备驱动程序令嵌入式系统开发者将其列为嵌入式操作系统的首选。下面针对本系统中需要特别注意的部分进行说明：

a)针对USB模块、FPGA芯片41的串口模块的驱动：这两个模块均作为memory设备接入P2020通信处理器，需要针对它们分别编写驱动程序，在Linux内核中对USB、串口资源进行管理，向应用程序层提供服务，方便WiFi、以太网、USB主机访问串口数据。

b)以太网口的驱动：Linux内核已经提供了针对P2020通信处理器网口的驱动，目前所需的工作是提高网口数据转发的效率，提高网口的吞吐量。

进一步地，所述WiFi模块可以采用Broadcom公司的BCM5357无线路由器芯片。该BCM5357无线路由器芯片上设有无线接口，以及集成了5个以太网口32且内部可配置的以太网交换机31；该BCM5357无线路由器芯片内部还包括有一个MIP32的处理器，用于对无线接口及以太网口32进行管理，并对外提供网络参数配置服务。在本发明具体实施例中，所述以太网交换机31上还设有一配置口33，该配置口33与CPU20通信连接。特别的，所述5个以太网口32中的任何一个以太网口均可设置为WAN口，也就是广域网口，WiFi模块通过该WAN口与CPU20通信，其余4个以太网口通过一10/100M网络34与4路标准RJ45以太网接口11实现通信连接。由于本发明选用BCM5357无线路由器芯片，其内部集成了一个MIPS处理器，主频为533MHZ，broadcom公司为方便用户开发，提供了一套完整的收费软件开发环境FASTPATH，其核心为一个linux软件系统，可以基于FASTPATH进行本系统的定制开发工作，如以网页形式向用户提供无线数据转换器的参数设置界面等。

由于本发明中集成了较多种类和数目的串行总线，如果依靠分立元器件去一一搭建各个串口，不仅需要占据较多的印制板空间，更重要的是增加了系统的功耗、又降低了整个系统的可靠性。因此，本发明通过将RS232、RS485、RS422、ARINC429的集成到一片FPGA芯片上，仅需少量的外围电平转换电路即可实现所有串行接口。作为本发明的一种具体实施例，所述串口模块可以采用Xilinx的Spartan6系列FPGA芯片41，其门数大致在百万级，使用简单、成本低、性能稳定可靠。该FPGA芯片41可以很方便地实现16位数据总线的memory接口，从而无缝地连接到系统的CPU20的eLBC上，这样P2020通信处理器就可以很方便地存取这些串口的数据，以与WiFi、以太网、USB口进行数据的转发。

具体的，在本发明中，所述FPGA芯片41通过一路PCI-E接口42与CPU20无缝连接，串口和ARINC429的数据通过该PCIe接口42与CPU20通信进行收发。该FPGA芯片41内包括有三个串口控制器43、44、45、一429发送控制器46及429接收控制器47，该三个串口控制器43、44、45分别通过一RS232发送器432、一RS422发送器442、一RS485发送器452与转换器本体10上的4路标准RS232接口12、4路标准RS422接口13及4路标准RS485接口14对应连接；所述429发送控制器46、429接收控制器47分别通过一ARINC429发送器462及ARINC429接收器472与转换器本体10上的2路ARINC429数据接收接口17、2路ARINC429数据发送接口17’对应连接。如图2所示，为本发明中RS232总线接收的实现框图，首先对通道1 RS232的波特率进行设置，经通道1 RS232串行输入的数据，通过通道1数据串/并转换，然后经通道1并行数据输出；而经通道1并行输入的数据，通过通道1数据并/串转换，然后经通道1 RS232串行数据输出；同样的，经通道2 RS232串行输入的数据，通过通道2数据串/并转换，然后经通道2并行数据输出；而经通道2并行输入的数据，通过通道2数据并/串转换，然后经通道2 RS232串行数据输出。串行接口中的RS422，RS485实现与RS232大致相同，这里不再重复。

图3为本发明中ARINC429总线接收的实现框图，该ARINC429总线接收功能基于FPGA实现，由微控制器控制时钟及数据控制I/O口，数据时钟恢复模块及32bit移位寄存器共同构成计数模块，实现429数据的接收格式对齐功能，再由中心模块实现计数、定时等功能，完成对接收到的数据进行校验、处理，随后经过32bit移位寄存器将符合429电平特性及速率特性的数据发送至数据字典比较器进行比较，最后将符合要求的数据发至内存待用，从而实现了429总线的数据接收功能。

图4为本发明中ARINC429总线发送的实现框图，该ARINC429总线发送功能也基于FPGA实现，由微控制器控制先入先出队列(FIFO：First Input First Output)控制器与中心模块，微控制器将接收到的数据发送给32bit移位寄存器，数据经过32bit移位寄存器校验，发送给波形发生器，由波形发生器生成按照429总线电平特性发送数据，从而实现了429总线的数据发送功能。

再者，本发明中的USB模块可以采用cypress公司的EZ-USB FX3外设控制器，其具有高度集成的灵活性，利用它可方便地为任何系统添加USB3.0功能。该EZ-USB FX3外设控制器内包括有一GPIF II接口，这是一个可进行完全配置的并行通用可编程接口，它可与任何处理器、ASIC或FPGA连接。本发明正是利用这一特性将USB模块连接到P2020通信处理器的eLBC上，使得从EZ-USB FX3外设控制器到P2020通信处理器的数据传输速度达到320Mbps，完全可以满足主机通过USB总线访问串口的带宽需要。另外，所述EZ-USB FX3外设控制器为方便用户开发，提供了一套开发工具，其中包含SDK和GPIF II Designer，开发者可利用GPIF II Designer设置EZ-USBFX3外设控制器主机一侧的接口工作模式，这里我们将其设置成16位memory接口，与通信处理器的eLBC连接。开发者利用SDK对EZ-USB FX3外设控制器内的ARM9处理器进行编程，可利用SDK完成USB 3.0子系统的定制工作。

特别的，所述转换器本体10内还设有一WIFI收发控制器18，CPU20通过该WIFI收发控制器18与一windows操作系统的用户终端50通信联系。作为本发明的一种可选择实施例，所述用户终端50可以采用运行Windows8驱动软件的PAD，PAD上的Windows软件通过调用API或者虚拟设备进行数据收发。微软为Windows下的驱动程序开发提供了较好的支持，本发明所使用的Windows8驱动软件在visual studio 12和WDK8驱动开发包下进行开发，可以实现各接口数据重组、各数据时序模拟、接口通信模拟等功能。

此外，所述转换器本体10内还设有一用于与调试串口19电性连接的RS232发送器19’。在本发明中，还需要一些其他的辅助模块，如时钟、复位电路、AC/DC转换等，其实现较为简单，直接利用现有技术即可实现，因此本专利就不再单独列出。

综上所述，本发明的多用途无线数据转换器，其USB口、串口、ARINC429、以太网、WIFI之间的数据交换由CPU20控制，以太网之间的数据由无线路由器芯片直接控制，CPU20负责配置交换路径信息。在CPU20中，建立IP地址路由表，每个数据端口都有一个IP地址，数据流向关系由源IP地址和目的IP地址确定。CPU20也占用一个IP地址，如果CPU20收到的以太网数据包目的IP地址与CPUIP地址相同，则表示该数据帧为参数配置数据帧。用以上方案，可实现第一条数据传输路径：串口和ARINC429数据到WIFI功能，串口和ARINC429数据到USB功能，串口和ARINC429数据到以太网口功能；也可实现第二条数据传输路径：串口和ARINC429数据通过以太网传输，以太网之间的数据传输；也可实现第三条数据传输路径：串口和ARINC429的数据通过USB传输。因此，本发明的多用途无线数据转换器与以往旧式设备相比具有以下3点优势：

1)具备无线Wi-Fi模块，能显著降低连线、接口困扰，提高设备通用性，降低使用成本，其支持Station及AP两种无线网络模式，大大提高设备使用及组网灵活程度，丰富用户使用手段，其内嵌TCP/UDP/ICMP/DHCP/DNS/HTTP等多种网络协议，减少用户软件开发负担，作为服务器使用时，具备多种网络安全认证机制，使用更加安全。

2)具备7类数据接口及一路供电输出接口，可同时连接多台外设进行工作，自身支持110V-240V AC交流供电及28VDC直流供电，适用性强、使用场景多样。

3)接口种类齐全，接口数量充足，使用方式灵活，配置简单，携带方便，功耗低等主要特点，同时其还具备无线路由器功能，能够实现真正的一机多用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多用途无线数据转换器，包括有转换器本体，其特征在于，所述转换器本体上设有供电输出接口及多种数据接口，该转换器本体内包括有一CPU、分别与CPU通信连接的WiFi模块及串口模块，还包括一外设的USB模块；所述CPU采用PowerPC QorIQ系列通信处理器，用于与WiFi模块进行数据交互，并对串口模块和USB模块进行访问；所述WiFi模块采用包括有无线接口且集成有内部可配置的以太网交换机的无线路由器芯片，WiFi模块通过该以太网交换机与CPU进行通信；所述串口模块采用集成有多种类和数目串行总线的FPGA芯片，USB模块采用USB外设控制器；CPU、WiFi模块及串口模块分别与其对应的数据接口通信连接；

所述转换器本体上设有一路供电输出接口及7类数据接口，该7类数据接口分别为标准RJ45以太网接口、标准RS232接口、标准RS422接口、标准RS485接口、无线Wi-Fi接口、标准USB接口，及ARINC429接口；

所述串口模块采用Xilinx的Spartan6系列FPGA芯片，所述FPGA芯片通过一PCIe接口与CPU无缝连接；该FPGA芯片内包括有三个串口控制器、一429发送控制器及429接收控制器，该三个串口控制器分别通过一RS232发送器、一RS422发送器、一RS485发送器与转换器本体上的4路标准RS232接口、4路标准RS422接口及4路标准RS485接口对应连接；所述429发送控制器、429接收控制器分别通过一ARINC429发送器及ARINC429接收器与转换器本体上的2路ARINC429数据接收接口、2路ARINC429数据发送接口对应连接。

2.如权利要求1所述的多用途无线数据转换器，其特征在于，所述CPU采用PowerPCQorIQ系列的P2020通信处理器。

3.如权利要求1所述的多用途无线数据转换器，其特征在于，所述WiFi模块采用Broadcom公司的BCM5357无线路由器芯片。

4.如权利要求3所述的多用途无线数据转换器，其特征在于，所述BCM5357无线路由器芯片上设有无线接口，以及集成了5个以太网口且内部可配置的以太网交换机；该BCM5357无线路由器芯片内部还包括有一个MIP32的处理器，用于对无线接口及以太网口进行管理，并对外提供网络参数配置服务。

5.如权利要求4所述的多用途无线数据转换器，其特征在于，所述5个以太网口中的任何一个以太网口均可设置为WAN口，WiFi模块通过该WAN口与CPU通信。

6.如权利要求1所述的多用途无线数据转换器，其特征在于，所述USB模块采用cypress公司的EZ-USB FX3外设控制器。

7.如权利要求1-6任一项所述的多用途无线数据转换器，其特征在于，所述转换器本体内还设有一WIFI收发控制器，CPU通过该WIFI收发控制器与一windows操作系统的用户终端通信联系。