基于FPGA的ARINC429通信协议设计实现

摘要：介绍了在FPGA上利用SoPC技术设计实现某机载数据传榆设备与机载专用计算机进行通信的ARINC429通信协议，实现了对ARINC429数据的一发一收。该系统模块充分利用了FPGA硬件可编程性、高度集成性、实时性的特点。测试表明，该系统具有速度快、可靠性高等优点。
关键词：FPGA；SoPC；ARINC429；FIFO；NiosⅡ处理器

    某机载数据传输设备(以下简称：机载数传设备)主要用来完成空-空、空-地数据信息的传输，与HF或U／VHF频段电台配合使用，将专用计算机发来的待传信息，经过差错控制编码后，经电台调制、发射；对电台接收机送来的数据，进行校正、纠错和译码，还原成原始信息，传输给专用计算机(CUB)处理。要想实现对机载数传设备的自动检测，最重要的是要模拟实现机载数传设备与机载专用计算机的通信协议。本系统就是为了满足某部队大修厂的急需，设计实现了某机载数传设备与机载专用计算机之间的ARINC429通信协议。

1 系统硬件原理
    本系统利用Altera公司的FPGA芯片(EP2C8QPF208)，设计了该机载数传设备在机载环境中同机载计算机之间的ARINC429通信协议模块，实现一发一收。在FPGA上利用SoPC技术，PC机通过与基于NiosⅡ的UART通信，由ARINC429通信协议模块实现RS 232通信协议与ARINC429通信协议的相互转换，从而模拟机载计算机提供测试激励，完成与设备的信息交换。

2 ARINC429通信协议介绍
    ARINC429是一种在航空电子综合系统中广泛使用的数字式传输总线规范，该通信协议是双极性归零码的一种，在一个ARINC429字中包含32位，ARINC429数据传输是以电脉冲形式发送的。一个电脉冲就是1位。一个数据字传输1个参数，如速度、温度等。两个数据字之间有4位间隔，这个间隔也作为字同步用，跟在这一间隔后面发送的第1位，表示另一个新的数据字的开始。每个数据字的32位数据是以双极归零码的形式发送出去的。数据的发送是先发送高位再发送低位。

3 基于FPGA的ARINC429发送模块的实现
    在FPGA上利用SoPC技术实现与PC机的串口RS 232通信，然后在FPGA上实现将PC机通过RS 232传过来的激励信息先缓存，再转换成ARINC 429的协议信息并以一定时钟速率发给设备。
    ARINC429发送模块在QuartusⅡ8．0开发环境中设计实现如图1所示。

    ARINC429发送模块设计实现原理为：在FPGA中由NiosⅡ处理器通过UART串口接收PC机发过来的原始ARINC429信息字。在接收过程中，将这些字先缓存在FIFO发送缓存器dcfifo0中。等完全接收控制、数据信息后，再经由bc模块将缓存中待发送的控制、数据信息，通过设计的状态机按ARINC429信号时序串行发送。并在与非门电路的配合下模拟发送ARINC 429信号对应的两路差分TTL信号a，b。最后通过在FPGA外部设计的模拟电路(如图2)将两路差分TTL信号a，b转换成ARINC429信号。

    在QuartusⅡ8．O中编译并仿真发送模块，仿真结果如图3所示。

    在示波器最终测得ARINC429发送模块产生的信号波形，如图4所示。

4 基于FPGA的ARINC429接收模块的实现
    该模块实现了将数传设备发过来的ARINC429信息先通过光耦电路分解成两路差分信号，即将ARINC429电平转换成两路差分FTL电平信号a，b，然后在FPGA上缓存接收，等接收完毕后，再经由串口RS 232发给PC机进行数据处理以进行设备检测。
    ARINC429接收模块在QuartusⅡ8．O开发环境中设计实现，如图5所示。

    各个模块的具体设计如下：
    (1)RS触发器SRFF可直接在SoPC Builder中调用，32位移位寄存器由32个D触发器级联产生。
    (2)接收FIFO缓存器dcfifo1的定制过程与发送缓存器的定制过程相同，并且根据FPGA资源利用情况也设置dcfifo1为2 KB。
    (3)ARINC模块为字间隔、帧结束检测模块。该模块在QuartusⅡ8．0开发环境中利用VHDL语言进行设计，程序核心代码如下：

    在QuartusⅡ8．O中编译并仿真发送模块，仿真结果如图6所示。

5 结语
    该设计充分利用了FPGA硬件可编程性，实现了ARINC429通信协议软件算法硬件化，大大提升了ARINC429数据发送与接收的实时性和可靠性，从而实现了该数传设备自动检测系统检测速度快、集成度高、可靠性强的特点。