CN115550098A - 基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件及装置 - Google Patents

基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件及装置 Download PDF

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Abstract

基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件及装置，涉及航空总线信号通信技术。针对现有技术中存在的先前设计的ARINC429通信板卡，因为电路芯片集成度低，需要实现通信功能的硬件电路使用元器件多、规模大、复杂程度高以及目前已经推出的ARINC429通信板卡数据处理功能固定的问题，本发明提供的技术方案为：基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，组件包括：FPGA模块、ARINC429协议芯片、驱动芯片和供电电路模块；FPGA模块连接ARINC429协议芯片，用于为协议芯片提供参数初始化配置；ARINC429协议芯片连接FPGA模块，用于通过驱动芯片实现数据发送功能，以及用于数据接收；供电电路模块用于为FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。适合应用于基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信板卡的研究领域以及总线通信的应用中。

Description

基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件及装置
技术领域
涉及航空总线信号通信技术，具体涉及ARINC429总线通信结构。
背景技术
随着总线技术的发展，体积小、可靠性高的小型化系统平台不断更新换代，被广泛应用于电子系统中。MiniVPX从小型化、模块化以及多板协同处理的方向出发，依据VITA73规范，单槽模块规格为77mm×110mm×11.5mm，基于VPX电气标准，支持通过背板模块进行多板高速互联通信，且高速串行总线互联带宽高达25Gbps，满足航空电子设备间高速率互联的要求；ARINC429总线作为一种航空电子总线标准，结构简单、可靠性高、抗干扰能力强，广泛应用于航空飞行器。故设计一种基于MiniVPX的ARINC429总线通信板卡满足当前飞行器的发展需求，实现机载设备的小型化以及系统间的高效数据通信。
先前设计的ARINC429通信板卡，因为电路芯片集成度低，需要实现通信功能的硬件电路使用元器件多、规模大、复杂程度高。目前已经推出的ARINC429通信板卡成品售价高，数据处理功能固定，使用起来不够灵活方便。
发明内容
针对现有技术中存在的先前设计的ARINC429通信板卡，因为电路芯片集成度低，需要实现通信功能的硬件电路使用元器件多、规模大、复杂程度高以及目前已经推出的ARINC429通信板卡数据处理功能固定，使用起来不够灵活方便的问题，本发明提供的技术方案为：
基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，所述组件包括：FPGA模块、ARINC429协议芯片、驱动芯片和供电电路模块；
所述FPGA模块连接所述ARINC429协议芯片，用于为所述协议芯片提供参数初始化配置；
所述ARINC429协议芯片连接所述FPGA模块，用于通过所述驱动芯片实现数据发送功能，以及用于接收数据；
所述供电电路模块用于为所述FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。
进一步，提供一个优选实施方式，所述ARINC429协议芯片采用HI-3220协议芯片，所述芯片的每个接收信道连接一个电阻，用于保护电路。
进一步，提供一个优选实施方式，所述电阻阻值为40kΩ。
进一步，提供一个优选实施方式，所述驱动芯片采用HI-8597驱动芯片。
进一步，提供一个优选实施方式，所述FPGA模块与HI-3220协议芯片通过SPI总线连接。
进一步，提供一个优选实施方式，所述供电电路模块将输入的12V直流电压转化为5V直流电压后，为所述FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。
基于同一发明构思，本发明还提供了基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，所述装置包括：上位机、连接器、ARINC429总线和所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件；
所述上位机与所述连接器通过PCIe通信逻辑做信息交互，所述连接器与所述FPGA模块进行信息交互，所述ARINC429总线用于相应所述FPGA芯片发送的数据，所述ARINC429总线还连接所述协议芯片。
进一步，提供一个优选实施方式，所述ARINC429协议芯片接收数据的方法为：包括：
对比接收的数据的SDI码与预设的SDI码，若所述数据的SDI码符合预设的SDI码，则根据所述数据的码存入对应的地址空间的步骤。
进一步，提供一个优选实施方式，所述ARINC429协议芯片发送数据的方法为：根据所述FPGA模块发送的指令向所述ARINC429总线发送数据。
进一步，提供一个优选实施方式，所述装置采用MiniVPX架构。
本发明的有益之处在于：
本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，基于超小尺寸MiniVPX构架的ARINC429通信模块电路集成度高，可以有效节省系统的体积，且可以通过选用不同的板卡实现不同的功能要求，提高测试系统配置的灵活性；
本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，基于ARINC429总线，数据格式的转换在协议芯片中进行，不需要编写复杂的协议代码。
本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，为研究基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信板卡设计具有非常重要的意义；
适合应用于基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信板卡的研究领域以及总线通信的应用中。
附图说明
图1为实施方式十一提到的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置的系统原理示意图；
图2为实施方式十一提到的使用协议芯片片上内存接收数据流程图；
图3为实施方式十一提到的使用协议芯片片上过滤器和FIFO接收数据流程图；
图4为实施方式十一提到的直接传输上位机数据流程图；
图5为实施方式十一提到的使用片上调度器发送数据流程图；
图6为实施方式十一提到的供电电路模块电压转换原理示意图。
具体实施方式
为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现地更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：
实施方式一、本实施方式提供了基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，所述组件包括：FPGA模块、ARINC429协议芯片、驱动芯片和供电电路模块；
所述FPGA模块连接所述ARINC429协议芯片，用于为所述协议芯片提供参数初始化配置；
所述ARINC429协议芯片连接所述FPGA模块，用于通过所述驱动芯片实现数据发送功能，以及用于接收数据；
所述供电电路模块用于为所述FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。
实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件的进一步限定，所述ARINC429协议芯片采用HI-3220协议芯片，所述芯片的每个接收信道连接一个电阻，用于保护电路。
实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件的进一步限定，所述电阻阻值为40kΩ。
实施方式四、本实施方式是对实施方式二提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件的进一步限定，所述驱动芯片采用HI-8597驱动芯片。
实施方式五、本实施方式是对实施方式二提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件的进一步限定，所述FPGA模块与HI-3220协议芯片通过SPI总线连接。
实施方式六、本实施方式是对实施方式一提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件的进一步限定，所述供电电路模块将输入的12V直流电压转化为5V直流电压后，为所述FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。
5V电压又经各电压转换芯片转换成各模块的供电电压。
实施方式七、本实施方式提供了基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，所述装置包括：上位机、连接器、ARINC429总线和实施方式一至六任意一项提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件；
所述上位机与所述连接器通过PCIe通信逻辑做信息交互，所述连接器与所述FPGA模块进行信息交互，所述ARINC429总线用于相应所述FPGA芯片发送的数据，所述ARINC429总线还连接所述协议芯片。
其中，ARINC429总线通信板卡从功能上划分为FPGA处理器模块、ARINC429总线接口模块、数据导出模块和供电电路模块。
支持100kbs/50kbs/12.5kbs三种数据收发速率，FPGA与ARINC429协议芯片通过SPI总线连接，实现ARINC429数据收发。
ARINC429总线通信板卡与测试系统上位机之间采用PCIe高速通信。
通过JTAG接口写E2PROM，存储FPGA的工作逻辑以及协议芯片的信道通断状态、收发速率、发送数据位长(31/32bits)、奇偶校验方式、SDI组合过滤方式等初始化参数，决定ARINC429总线通信板卡的默认工作状态；上位机亦可通过PCIe发送的“位偏移+位宽”的控制指令，实现协议芯片的通信参数配置，实时改变其工作状态。
针对ARINC429数据中2位SDI实现全组合过滤规则，且能对8位Label号实现全组合筛选。
ARINC429数据输入端接40kΩ电阻，防止过压、过流损坏。
ARINC429总线通信板卡可以直接发送上位机发来的数据，也可通过配置描述附表循环发送接收信道中的数据；接收数据可以频繁触发FPGA，读取单个数据，也可以等待FIFO中数据量达到一定阈值后集中触发FPGA读取数据。
实施方式八、本实施方式是对实施方式七提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置的进一步限定，所述ARINC429协议芯片接收数据的方法为：包括：
对比接收的数据的SDI码与预设的SDI码，若所述数据的SDI码符合预设的SDI码，则根据所述数据的码存入对应的地址空间的步骤。
实施方式九、本实施方式是对实施方式七提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置的进一步限定，所述ARINC429协议芯片发送数据的方法为：根据所述FPGA模块发送的指令向所述ARINC429总线发送数据。
实施方式十、本实施方式是对实施方式七提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置的进一步限定，所述装置采用MiniVPX架构。
实施方式十一、本实施方式是对实施方式七提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置提供一个具体实施方式，同时还用于解释实施方式一至实施方式十，具体的：
本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置以FPGA为核心，配合使用HI-3220协议芯片实现ARINC429总线接口，通过高速PCIe总线与上位机实现通信，在FPGA上实现功能模块逻辑，对ARINC429通信进行配置，决定通信速率、Label号筛选等参数。该发明综合考虑航电系统的应用环境和应用目的：(1)应用环境为机载环境，要考虑到小型化、可靠性、抗干扰能力等因素；(2)应用目的是与上位机通过高速串口连接，与多设备间进行ARINC429总线数据的多路收发，实现ARINC429数据与串口数据的转换，因此本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置在信号处理的实时性和准确性方面具有很大提升。
基于上述内容，本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置采用基于FPGA的设计，利用FPGA和ARINC429协议芯片HI-3220实现ARINC429通信逻辑、与上位机间的PCIe通信逻辑，采用E2PROM对FPGA进行通信参数初始化配置，使其上电后工作在默认工作状态，上位机可利用PCIe对ARINC429板卡进行通信参数配置，改变其工作状态。
图1为本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置系统原理框图。
基于MiniVPX构架的ARINC429通信板卡的总体设计方案框图如图1所示，系统从功能上可划分为FPGA处理器模块、ARINC429总线接口模块(即ARINC429协议芯片)、数据导出模块(即连接器)和供电电路模块。FPGA处理器为板卡核心主控，通过E2PROM进行初始化，配置通信参数，写入通信逻辑；ARINC429总线接口模块由协议芯片及外围电路构成，对ARINC429总线数据进行电平转换和数据格式转换；数据导出模块实现FPGA处理器与上位机间的PCIe通信；供电电路模块则将12V的背板节点电压转换成各模块电路要求的供电电压，该部分通过专用电源芯片实现。
其中，FPGA处理器模块具体为：
ARINC429通信板卡上电后，E2PROM对FPGA进行初始化，写入通信逻辑，其中包含三部分：1)FPGA对ARINC429协议芯片进行参数初始化配置，写入配置字，决定收发信道的启停、通信速率、Label号的筛选、奇偶校验方式等，使其进入默认工作状态；2)实现FPGA与ARINC429协议芯片间的SPI通信；3)实现FPGA与上位机间的PCIe高速串口通信，用户可直接利用上位机通过PCIe串口发送控制指令，改写ARINC429协议芯片的状态字，实时更改通信参数以改变通信状态。
其中，ARINC429总线接口模块具体为：
ARINC429总线接口模块通过ARINC429协议芯片实现数据收发功能，选用Holt公司的HI-3220协议芯片，具有16路接收通道，内含模拟线接收器，每个接收信道输入只需外接一个40kΩ电阻，即满足防雷击保护DO-160标准；具有8路发送通道，需要外接驱动芯片HI-8597发送数据，支持100kbs/50kbs/12.5kbs三种总线数据收发速率，FPGA与ARINC429协议芯片通过SPI总线连接，协议芯片提供40MHz的SPI接口。
各路接收信道都有1个字节的控制寄存器，决定其通断状态、接收速率、奇偶校验方式以及SDI过滤规则等。协议芯片内置16k字节的ARINC429数据存储空间，每个接收通道分配1k字节，按照信道号和ARINC429数据Label号划分，每4个字节存储一个特定Label号的ARINC429数据，最多可以存储256个ARINC429数据，对应8位Label号。在协议芯片的存储空间中，有一个256×16b的接收中断查询表，每1位对应一个ARINC429数据存储空间，置1时，该存储空间对应的接收信道接收到对应Label号的ARINC429数据时触发中断；同时还存在一个256×16b的FIFO使能查询表，与接收中断查询表类似，接收到对应位置1的数据时，将此数据写入FIFO。
各路发送信道都有1字节的控制寄存器，决定其通断状态、发送速率、发送数据位长(31/32bits)、奇偶校验方式等。每个通道都有其独立的用户定义的传输控制器，使其以特定的序列和速率传输ARINC429数据，在重复该序列前，可以传输多达128个ARINC429数据，传输序列由各通道的描述符表决定，每个描述符表由128个描述符组成，1个描述符8字节大小，决定发送数据来源(接收信道接收/上位机配置)、传输数据参数和要传输的数据。用户也可以通过上位机发送指令，使协议芯片直接传输具体ARINC429数据。
其中的接收数据流程具体为：ARINC429协议芯片有如下两种接收数据方式。
1)使用片上内存接收数据：首先，比对SDI码，不符合的丢弃，符合的按Label号存入对应的地址空间，其次，查询接收中断查询表，若对应位置1，则产生中断，FPGA接收到中断信号，然后通过SPI总线与ARINC429协议芯片通信，发送读取指令，读取该数据。使用片上内存接收数据流程如图2所示。
2)使用片上过滤器和FIFO接收数据，首先，比对SDI码，不符合的丢弃，符合的根据其Label号存入对应的地址空间，其次查询使能查询表，ARINC429数据对应位置1时，将数据写入FIFO，当FIFO中的数据数量大于阈值时，触发中断，FPGA读取协议芯片中FIFO中的数据，FIFO的功能主要用于实现积累相同Label号的数据序列，再进行读取。使用片上过滤器和FIFO接收数据流程图如图3所示。
其中的发送数据流程，有如下两种方式：
1)可以直接传输来自上位机的数据：上位机向FPGA通过PCIe串口发送指令，FPGA将指令通过SPI总线发送给协议芯片，根据指令，特定传输信道可直接发送指令中的ARINC429数据。直接传输上位机数据流程如图4所示。
2)使用片上调度器发送数据：利用指令配置传输信道的描述符表，使其按特定序列和速率重复传输ARINC429数据。使用片上调度器发送数据流程如图5所示。
其中的数据导出模块具体为：
数据导出模块实现上位机与板卡间的PCIe串口通信，完成收发数据和通信参数配置。本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置中采用的FPGA具有通用高速串口，板卡通过MiniVPX连接器与背板连接，依据VITA73标准，1个MiniVPX单元模块与背板间的连接器分为三段位置，自上至下依次是P0、P1、P2连接器位置，其中：
P0连接器连接电源和参考地，采用ERNI公司的MicroSpeed系列连接器364704RA，每个连接器有5个端子，1-3端子为参考地，4端子为+12V电源供电，5端子不使用。
P1和P2连接器用来实现数据信道连接，建立设备间的从属关系以及实现信息传输，均采用ERNI公司的MicroSpeed系列连接器374722RA，每个连接器有50针，数据传输速率可高达25Gbit/s，其中A1、A2为PCIe接收端引脚，B1、B2为PCIe发送端引脚，A13、A14为PCIe100MHz参考差分时钟，其余引脚包括SMBus总线引脚、触发引脚等。
其中的供电电路模块具体为：
ARINC429总线通信模块由P0连接器的第4节点提供12V直流电压供电，需要对其进行电压转换，才能对HI-3220芯片及FPGA进行供电，板卡配置保险，避免供电电压过大损坏板卡。供电电路模块电压转换原理图如图6所示。
采用多级转换，先将12V电压转换成5V电压，再转换成各模块需要电压，提高效率；通过设置电压转换芯片输出软启动时间，满足FPGA上电顺序。
本发明提供的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，
采用MiniVPX小型化系统平台规范，基于MiniVPX架构，77mm(宽度)×110mm(深度)×11.5mm(高度)的小尺寸板卡上实现了ARINC429总线的16路数据接收和8路数据发送。
小尺寸单ARINC429总线通信板卡具有16路接收信道和8路发送信道，可以独立设置各信道的工作模式，实现独立的多路发送和多路接收，提高数据吞吐率。
通信板卡支持100kbs/50kbs/12.5kbs三种ARINC429总线速率，具备40MHz的SPI接口，SPI总线操作简单、可靠性高，不同的总线速率适用于不同的工作环境。
FPGA与上位机通过PCIe总线高速互联，上位机通过PCIe总线发送控制指令，可以实时改变板卡工作状态，PCIe数据传输速率高，实现系统的高速数据通信。
最大支持256种Label号和5种SDI(ALL,00-11)的组合过滤规则，可以接收特定的数据。
通信板卡具备采集电路保护功能，防止板卡元器件过压或过流损坏，保证板卡能够正常工作。
以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明的优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的修改和改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，其特征在于，所述组件包括：FPGA模块、ARINC429协议芯片、驱动芯片和供电电路模块；
所述FPGA模块连接所述ARINC429协议芯片，用于为所述协议芯片提供参数初始化配置；
所述ARINC429协议芯片连接所述FPGA模块，用于通过所述驱动芯片实现数据发送功能，以及用于接收数据；
所述供电电路模块用于为所述FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。
2.根据权利要求1所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，其特征在于，所述ARINC429协议芯片采用HI-3220协议芯片，所述芯片的每个接收信道连接一个电阻，用于保护电路。
3.根据权利要求2所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，其特征在于，所述电阻阻值为40kΩ。
4.根据权利要求2所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，其特征在于，所述驱动芯片采用HI-8597驱动芯片。
5.根据权利要求2所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，其特征在于，所述FPGA模块与HI-3220协议芯片通过SPI总线连接。
6.根据权利要求1所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件，其特征在于，所述供电电路模块将输入的12V直流电压转化为5V直流电压后，为所述FPGA模块、协议芯片和驱动芯片供电。
7.基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，其特征在于，所述装置包括：上位机、连接器、ARINC429总线和权利要求1-6任意一项所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信组件；
所述上位机与所述连接器通过PCIe通信逻辑做信息交互，所述连接器与所述FPGA模块进行信息交互，所述ARINC429总线用于相应所述FPGA芯片发送的数据，所述ARINC429总线还连接所述协议芯片。
8.根据权利要求7所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，其特征在于，所述ARINC429协议芯片接收数据的方法为：包括：
对比接收的数据的SDI码与预设的SDI码，若所述数据的SDI码符合预设的SDI码，则根据所述数据的码存入对应的地址空间的步骤。
9.根据权利要求7所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，其特征在于，所述ARINC429协议芯片发送数据的方法为：根据所述FPGA模块发送的指令向所述ARINC429总线发送数据。
10.根据权利要求7所述的基于MiniVPX构架的ARINC429总线通信装置，其特征在于，所述装置采用MiniVPX架构。
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