基于CMOS型429接口TS68C429A实现ARINC429通信的应用设计

作者：姜运生

1 改装系统简介

飞机航空电子系统的改装，就是把功能相对独立的子系统逐步走向综合，例如将雷达、惯导、GPS和机载计算机联合，组成新型航空图导航系统。通俗点讲，就是将那些“傻、大、粗、笨”的仪器仪表，集成为“少而精”的智能仪表，减轻飞行员的操作难度。

系列多机型改装时的多功能显示器，它将原来分散显示的信息和数据集中在一台多功能显示器上。替换掉原来“老死不相往来”的各种导航仪表，不再需要领航员大量记忆枯燥的数据，减少了仪表种类，节省了宝贵的空间，极大减轻了领航员工作强度。图1中除了地图视频采用LVDS外，其它仪表通信都采用ARINC429总线。显然，解决多通道的ARINC429通信成为本次改装的瓶颈。

传统的ARINC429通信设计中，大多采用HARRIS公司的HS3282或Device Engineering公司的DEI1016。但在此则极不经济，完成多通道429通信，需要多个芯片和更多的布板空间，功耗也线性增加。

特别地，传统的多通道的429需要更加多的CPU中断请求线，需要外部复杂的逻辑设计。TS68C429A则是目前解决多通道429通信最为有效的途径。和传统的“两收一发”的芯片相比较，它是“八收三发”，“一片顶四片”。

2 TS68C429A的主要特征

ATMEL公司的TS68C429A是高性能、多通道、低功耗的CMOS型429接口，亦能满足类似的时分多路串行数据通信。

整个芯片只需单5V工作电源。它具有8路接收、3路发送。所有的接收通道和发送通道都是彼此互独立，可同时并行工作。8个接收通道之间也是独立的并行接收，可以直接连接到ARINC429总线，而不需电平转换。数据字长是标准的32-bit，25-bit的并不支持。

主要特征有如下几点：

8个独立的接收通道；3个独立的发送通道；和所有的TS68K系列的微处理器接口兼容；16-bit数据总线；符合ARINC2429接口，归零制编码（Return Zero Code）；支持所有的ARINC429数据传输率，最高可达2.5Mbit／s，传统的ARINC429芯片的速率只有2种可选；多标号能力，传统的芯片要么不检查标号，要么就接收一个指定的标号；校验控制（奇校验、偶校验、无校验，中断能力）；RX、TX的数据率可独立编程；每个发送通道有8个信息单元的FIFO；向量式中断；可组成菊花链中断；所有的寄存器都是可直接寻址的；具有自测试能力；工作频率为20MHz；低功耗：400mW。

3 硬件设计

TS68C429A接收和发送通道都成倍增加，但毕竟不是通道的简单叠加，不是传统接口的线性扩展，在相关器件选型和设计中需要仔细推敲。

3.1 基本硬件接口

基本硬件接口就是和嵌入式CPU的接口电路。根据ARINC429数据特点，至少要选16-bk数据总线以上的CPU。TS68C429A和所有的TS68K系列的CPU接口兼容，像TS68000、TS68020都可以只需要增加非常简单的接口逻辑。特别是TS68302完伞可以“无缝连接”。无缝连接就是两个复杂芯片不需要“粘合逻辑”，对应信号直接相连。

在设计基本电路时需要注意以下几点：

3.1.1 嵌入式CPU选型。

CPU的数据总线至少应该是16bit的，否则在硬件上要增加字节转发电路，设计复杂度上升。如果在中断响应时想迅速判断中断源，CPU存中断响应时应该能够发出中断响应（IACK）信号，由TS68C429输出中断向量，由CPU回读后硬件判断，直接进入对应中断服务例程，节省软件响应时间。除TS68K系列外，符合这个要求的还有最广泛使用在PC机上的X86系列，如Inte180486等。显然，TS68C429的中断响应机制，完全类似X86系列中的8259 中断控制器时序，可以直接无缝连接。值得指出的是，X86系列的中断请求是高有效，中断请求信号需要反相。

3.1.2 时钟

传统的ARINC429芯片只有一个时钟，人多数是1MHz，用以控制收发速率。速率有2种选择，即速率是时钟的十分之一或八十分之一，亦即100K或12.5K。在这里，TS68C429需要2种时钟，系统时钟和ARINC429收发时钟。系统时钟CLKSYS用来控制CPU接口时序，应该和CPU时钟相同，在这里直接使用TS68302的输出时钟CLK0。在使用其它型号的CPU时，CLKSYS可以直接和CPU时钟连接在一起。CLK429使用了定时器输出TOUT1，用来决定429串行数据传输速率。存使用其它型号的CPU时，也可以设计一个独立的时钟做CLK429。

3.1.3 高、低字节访问

处理器对TS68C429每次访问都应该是16Bit的，除了这里和TS68302的无缝连接，还可以把高字节选通信号（／UDS）和低字节选通信号（／LDS）一起直接接地。CPU一般足字节编址的，所以应该足A9…A1对应TS68C429的A8…A0。

3.1.4 存储器周期

无论是读周期还是写周期，TS68C429都要用／DTACK应答CPU。TS68K系列中的／DTACK，即数据传输周期应答（Data Transfer Acknowledge），本质上就是许多CPU的READY信号。如果使用别的型号CPU，READY属于高有效，需要对／DTACK进行反相。

3.2 中断菊花链电路

对于大多数应用来讲，一片TS68C429基本可以满足多通道429通信要求。当要求更多通道时，TS68C429A可以采用菊花链的彤式设计。

菊花链（Daisy Chain）是一种阻塞式级联结构，排在前面的优先级高于其后的所有单元。在任一时刻，高优先级若果发出中断，就禁止了比它自身优先级低的中断。共有U1、U2…Un个单元，其中U1具有最高优先级，Un优先级最低。当某一单元需要发出中断时，首先要判断前面是否有高优先级的中断，即判断传递下来的中断使能信号／IEIxx，当其为低电平时，可以发出，当其为高电平时禁止发出。禁止中断发出时，要一直等待到前面中断响应完成后再发出。最极端的情况就是，某些低优先级的中断单元永远没有机会发出中断，设计菊花链电路时，要综合平衡各通道的数据流量。

4 软件设计

上电复位后，软件应在正式工作前初始化TS68C429。传统的芯片只需要要写一次控制寄存器，但多通道的初始化要复杂一些。

4.1 寄存器映像

在传统的ARINC429只有一个控制寄存器，由于通道少，每个通道分配专用的选通信号，硬件简单译码即可。在多通道的芯片中，不可能继续采用这种办法。整个芯片只有一个总的片选（／CS），然后由地址A8..A0来寻址片内寄存器。系统的初始化，本质就是正确配置这些寄存器。

8个接收通道，每个都有自己的4类专用寄存器区。

4.1.1 接收控制寄存器（receive control register）

这是一个可读可写的寄存器，它控制本通道的中断优先级、校验、标号、测试模式以及通道使能等配置。如果有2个通道的中断优先级相同，就有一个永远发不出中断。如果设置本通道处于测试模式，则第三发送通道的数据在内部回环到本通道。这个特征是用来做通道自检的。

4.1.2 间隙寄存器（gap register）

间隙寄存器是一个只写寄存器。写入值是以CLK429时钟周期为单位的计数值，实际是定义了相邻两个429数据的最小间隙。在传统的芯片中，最小间隙是固定的。在这里，必须显式地设置这个寄存器，决不能隐含使用复位缺省值。

4.1.3 数据缓冲区（message buffer）

数据缓冲区是2个16bit的只读寄存器，存放接收到的ARINCA29数据。采用中断接收时，主要就是读这2个寄存器。高16bit（most significant word，MSW）存放在低地址，低16bit（least significant word，LSW）存放在高地址。读数据时先读MSW，再读LSW。

4.1.4 标号控制矩阵（label Control matrix）

这是一个256×1bit的存储器区。许多人不理解这个区的含义，不会配置，以致系统不能正确运行。众所周知，ARINC429规范的低8bit属于标号区（label），标号代表了数据类型，例如72H代表高度数据，73H代表角速度等。这样总计有256个标号。标号控制矩阵的某地址设置为“1”，就允许该通道接收对应标号的数据，清除为“0”，就禁止该标号的数据。硬件复位之后全部清“0”，也就是禁止接收一切数据，这就是系统不运行的原因。

3个发送通道，每个都有自己的3个专用寄存器。

4.1.5 频率寄存器（Frequency Register）

这是一个只写的寄存器，写入值是发送速率的除数因子。

发送速率=CLK429／FR除数因子

根据这个公式，用户可设定选择的速率。传统的ARINC429没有这个功能，只有2种固定的速率。

4.1.6 发送控制寄存器（Transmitter Control Register）

和接收控制寄存器类似，这是一个可读可写的寄存器，它控制本通道的中断优先级、校验、是否作为测试模式的发送、以及通道使能等配置。其中的发送间隙是控制连续发送的两个32bit的AKINC429信息之间最小间隙，防止接收方覆盖溢出。

4.1.7 发送FIFO

FIFO，即“先进先出”（First In First Out），基本元素可以认为是2个16bit的寄存器。软件必须先写入MSW，再写入LSW，这和接收通道顺序是一致的。FIFO深度为8个ARINC429信息。存写入之前，必须验证FIFO未满，否则写入数据被丢弃。在FIFO只要满队列的FIFO发送了一个元素，此时FIFO虽然未空，但也未满，就可以写入后一个数据。

除了接收通道和发送通道的专用寄存器，还有儿个通用的寄存器，如通道状态寄存器、中断屏蔽寄存器，中断向量基址寄存器等，不再赘述。

4.2 复位初始化

上电复位之后，所有寄存器清“0”，各通道处于禁止状态，需要软件显式初始化。下面给出接收通道和发送通道的初始化流程。





4.3 ARINC429数据的接收与发送

系统工作后，初始化的通道就可以接收发送了。一般的，因为不可预测接收数据何时到达，正式工作后接收采用中断驱动，发送采用查询，这样既可以不丢失数据，又可以掌控发送节奏。查询接收的办法，一股使崩在系统初期硬件调试阶段。在上篇文章中，介绍了中断采用环形接收队列，这个方法非常有效。在此不再赘述环形队列访问算法。下而给出查询／中断收发流程。





TS68C429集成度高，是改装原来分散的ARINC429设备的一种合理有效的选择。我们已将上述设计应用在多个不同种类的航空电子系统中，证明是十分有效的。随着航空电子系统的更新换代，TS68C429的应用将更加广泛。