CN110471880B - 一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块及其数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块，用于实现ARINC429总线与主控设备之间数据的传输，包括：ARINC429通信模块、核心主控模块、通信配置模块和串口通讯模块；本发明还公开了基于上述总线模块的数据传输方法；本发明采用FPGA芯片进行设计，利用FPGA和EEPROM实现通信参数配置逻辑、ARINC429接收数据的筛选和发送逻辑、串口数据的接收和发送逻辑，FPGA芯片搭载ARINC429协议芯片，用于发送和接收ARINC429信号，同时使用串口RS422构建ARINC429总线模块和主控设备之间的通信，提高了通信的可靠性和稳定性。充分利用了FPGA的灵活可配置性及快速并行性，实现了对通信参数的配置以及ARINC429信号的筛选、过滤和信号的有效准确快速地传输。

Description

一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块及其数 据传输方法

技术领域

本发明涉及总线信号处理技术领域，更具体的说是涉及一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块及其数据传输方法。

背景技术

随着航电系统的不断发展，各航空电子设备之间需要进行大量的信息交互，人们对航空总线的要求渐渐提高。在众多航空总线中，ARINC429总线凭借其性能稳定、结构简单、可靠性高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于航天飞行器，更是在大型民用客机领域占据统治地位，而依据ARINC429数据总线的通信协议设计高速收发接口电路是实现ARINC429通信的关键。

目前国内研制开发的ARINC429总线接口存在着诸多缺点，比如采用单片机开发ARINC429通信板，难以保证相邻ARINC429数据字之间的4位间隔，而且硬件电路复杂、集成度不高；而使用DSP来开发ARINC429接口，外围需要扩充很多数字电路，无法达到系统的最小化。现在已经产品化的ARINC429通信板其价格昂贵，且相对编码格式固定，使用起来不够灵活方便，因而需要研究人员找到相应的解决办法。

另一方面，在ARINC429通信总线中传输着来自各个航空电子设备的参数信息，对于某一个接收设备而言，并不需要接收所有的信号，因此有必要对接收到的ARINC429数据进行筛选。现有技术主要使用PCI总线或以太网作为ARINC429总线接口模块的扩展接口，PCI总线结构复杂，功耗高，环境适应性差，不适合在机载强振动环境下工作，而网口也存在着网络延迟不固定的缺点。

综上所述，研制出一种能有效对信号进行筛选且准确性高能够灵活配置的ARINC429总线接口模块是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实时性强、通用性广的ARINC429总线模块及其数据传输方法，在与ARINC429总线进行通信的过程中，该应用的目的是在4bits字间隔内接收ARINC429信号并对其进行筛选并转换成串行数据通过串口发送。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块，用于实现429总线与主控设备之间数据的传输，包括：ARINC429通信模块、核心主控模块、通信配置模块和串口通讯模块；

所述ARINC429通信模块中包括ARINC429协议芯片和ARINC429接口电路，所述ARINC429协议芯片与所述ARINC429接口电路相连，所述ARINC429接口电路连接所述ARINC429总线，且所述ARINC429接口电路与所述核心主控模块相连，所述ARINC429协议芯片用于实现ARINC429数据的接收和发送；

所述核心主控模块中包括FPGA芯片，所述FPGA芯片与所述ARINC429接口电路相连，所述FPGA芯片用于实现通信参数配置逻辑和通信逻辑；

所述通信参数配置逻辑用于实现通信参数的配置；

所述通信逻辑包括转换逻辑和筛选逻辑，所述转换逻辑用于实现串口数据与所述ARINC429数据之间的转换，所述筛选逻辑用于实现基于Label号对所述ARINC429数据的筛选；

所述通信配置模块中包括EEPROM芯片，所述EEPROM芯片分别与所述FPGA芯片相连，所述EEPROM芯片用于实现对通信参数的写入和读取，所述FPGA芯片用于完成通信参数的配置；

所述串口通讯模块中包括异步RS232通讯电路和异步RS422通讯电路，所述异步RS232通讯电路通过RS232串口与所述FPGA芯片相连，所述异步RS422通讯电路通过RS422串口与所述FPGA芯片相连，且所述异步RS422通讯电路与所述主控设备相连；

所述异步RS232通讯电路用于对所述通信参数进行更改，所述异步RS422通讯电路用于导出经过筛选的所述ARINC429数据传输至所述主控设备，根据异步RS422通讯协议与所述主控设备通信。

优选的，所述FPGA芯片内包括配置参数寄存器，所述配置参数寄存器包括RS422配置参数寄存器和ARINC429配置参数寄存器；

所述RS422配置参数寄存器和所述ARINC429配置参数寄存器均与所述EEPROM芯片相连，所述RS422配置参数寄存器用于存储RS422串口通信参数；所述ARINC429配置参数寄存器用于存储与所述ARINC429通信相关的参数；

其中，所述RS422串口通信参数包括通信速率和奇偶校验位的设置参数；与所述ARINC429通信相关的参数包括通信速率、字节位数、奇偶校验方式、SDI码和Label号。

优选的，所述FPGA芯片内还包括FIFO存储器，所述FIFO存储器包括第一FIFO存储器和第二FIFO存储器；所述第一FIFO存储器的写入位宽为8bits，读取位宽为16bits，所述第二FIFO存储器写入位宽为16bits，读取位宽为8bits；

所述第一FIFO存储器与所述ARINC429配置参数寄存器相连，用于存储筛选后的ARINC429数据；

所述第二FIFO存储器与所述RS422串口相连，用于存储串口数据。

一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块的数据传输方法，包括以下步骤：

S1：FPGA芯片向EEPROM芯片读取通信参数，通过所述FPGA芯片根据配置逻辑完成参数的配置或根据更改后的通信参数进行重新配置；

S2：所述FPGA芯片检测所接收到的数据，判断数据类型，并对数据进行收发；

S21：若检测到的数据为ARINC429总线数据，由所述FPGA芯片根据筛选逻辑对所述ARINC429总线数据进行筛选，并将筛选后的ARINC429总线数据经过转换后通过异步RS422通讯电路经过RS422串口发送至相应的主控设备；

S22：若检测到的数据为串口数据，则将所述串口数据经过转换后发送至所述ARINC429总线。

优选的，S1的具体步骤为：

RS422配置参数寄存器从所述EEPROM芯片内读取RS422串口通信参数完成配置；

ARINC429配置参数寄存器从所述EEPROM芯片内读取与ARINC429通信相关的参数，并向所述ARINC429协议芯片写入相应的控制字完成配置；

所述控制字内包含通信速率、字节位数、奇偶校验方式以及SDI码信息，且配置完成后的工作状态即为默认工作状态。

优选的，根据更改后的通信参数进行重新配置的具体步骤为：

所述异步RS232通讯电路通过所述RS232串口将新的通信参数写入所述EEPROM芯片中覆盖之前存储的通信参数，与此同时，所述新的通信参数直接写入所述RS422配置参数寄存器中，实时完成所述通信参数的更改。

优选的，S21的具体步骤为：

(1)当检测到有效的ARINC429数据时，在所述ARINC429协议芯片内将当前ARINC429数据分为第一字节和第二字节，所述第一字节的0-7bit代表当前接收的ARINC429数据字的Label号；并向所述ARINC429配置参数寄存器发出数据接收请求；

(2)所述ARINC429协议芯片将所述第一字节和第二字节先后通过16bits并行数据线传输至所述ARINC429配置参数寄存器；在接收第二字节的同时，将当前接收的ARINC429数据的Label号和所述ARINC429配置参数寄存器中的Label号进行匹配，若匹配到相同的Label号，则将当前ARINC429数据全部写入第一FIFO存储器中；

(3)当前ARINC429数据经过RS422串口发送至相应的主控设备。

优选的，S22的具体步骤为：

当检测到有效的串口数据后，生成ARINC429数据奇偶校验位，将当前串口数据写入第二FIFO存储器中同时串口数据转换为ARINC429数据，待接收完完整的ARINC429数据后，通过16bits并行数据线传输至所述ARINC429协议芯片，同时给出相应的控制命令，所述ARINC429协议芯片将按照预先配置的通信参数向所述ARINC429总线发送数据。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块及其数据传输方法。

首先，本发明采用FPGA芯片进行设计，利用FPGA和EEPROM实现通信参数配置逻辑、ARINC429接收数据的筛选和发送逻辑、串口数据的接收和发送逻辑，FPGA芯片搭载ARINC429协议芯片，用于发送和接收ARINC429信号，同时使用串口RS422构建ARINC429总线模块和主控设备之间的通信，提高了通信的可靠性和稳定性。充分利用了FPGA的灵活可配置性及快速并行性，实现了对通信参数的配置以及ARINC429信号的筛选、过滤和信号的有效准确快速地传输。

其次，本发明可采用RS232实时对FPGA芯片的通信参数进行配置，未配置时采用默认工作状态，可以实时更改其工作方式，可配置性好、灵活度高。

最后，本发明中还公开了该总线模块数据收发的方法，其在ARINC429数据存入FIFO存储器之前对其进行数据的筛选，以缓解FIFO存储器缓存的压力，同时提高了通信效率。

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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的结构示意图；

图2附图为本发明提供的发送ARINC429数据至主控设备的整体流程示意图；

图3附图为本发明提供的接收串口数据至ARINC429总线的整体流程示意图。

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做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。

实施例一：

本实施例公开了一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块，用于实现ARINC429总线与主控设备之间数据的传输，如图1所示，包括：ARINC429通信模块、核心主控模块、通信配置模块和串口通讯模块；

ARINC429通信模块中包括ARINC429协议芯片和ARINC429接口电路，ARINC429协议芯片与ARINC429接口电路相连，ARINC429接口电路连接ARINC429总线，且ARINC429接口电路与核心主控模块相连，ARINC429协议芯片用于实现ARINC429数据的接收和发送；

核心主控模块中包括FPGA芯片，FPGA芯片与ARINC429接口电路相连，FPGA芯片用于实现通信参数配置逻辑和通信逻辑；

通信参数配置逻辑用于实现通信参数的配置；

通信逻辑包括转换逻辑和筛选逻辑，转换逻辑用于实现串口数据与ARINC429数据之间的转换，筛选逻辑用于实现基于Label号对ARINC429数据的筛选；

通信配置模块中包括EEPROM芯片，EEPROM芯片分别与FPGA芯片相连，EEPROM芯片用于实现对通信参数的写入和读取，FPGA芯片用于完成通信参数的配置；

串口通讯模块中包括异步RS232通讯电路和异步RS422通讯电路，异步RS232通讯电路通过RS232串口与FPGA芯片相连，异步RS422通讯电路通过RS422串口与FPGA芯片相连，且异步RS422通讯电路与主控设备相连；

异步RS232通讯电路用于对通信参数进行更改，异步RS422通讯电路用于导出经过筛选的ARINC429数据传输至主控设备，根据异步RS422通讯协议与主控设备通信。

为了进一步优化上述技术方案，FPGA芯片内包括配置参数寄存器，配置参数寄存器包括RS422配置参数寄存器和ARINC429配置参数寄存器；

RS422配置参数寄存器和ARINC429配置参数寄存器均与EEPROM芯片相连，RS422配置参数寄存器用于存储RS422串口通信参数；ARINC429配置参数寄存器用于存储与ARINC429通信相关的参数；

其中，RS422串口通信参数包括通信速率和奇偶校验位的设置参数；与ARINC429通信相关的参数包括通信速率、字节位数、奇偶校验方式、SDI码和Label号。

为了进一步优化上述技术方案，FPGA芯片内还包括FIFO存储器，FIFO存储器包括第一FIFO存储器和第二FIFO存储器；第一FIFO存储器的写入位宽为8bits，读取位宽为16bits，第二FIFO存储器写入位宽为16bits，读取位宽为8bits；

第一FIFO存储器与ARINC429配置参数寄存器相连，用于存储筛选后的ARINC429数据；

第二FIFO存储器与RS422串口相连，用于存储串口数据。

本发明充分发挥FPGA芯片快速并行性的优势，利用FPGA实现串行通讯逻辑、ARINC429总线通信逻辑、数据筛选逻辑，利用FPGA配合EEPROM实现通信配置逻辑，还可通过RS232进行通信参数的更新配置，可以实时更改其工作方式，可配置性好、灵活度高，并且通过RS422外传ARINC429数据，提高了通信的可靠性和稳定性；FIFO的使用能有效缓解FIFO缓存的压力，同时提高通信效率。

实施例二：

本实施例公开了一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块的数据传输方法，包括以下步骤：

S1：FPGA芯片向EEPROM芯片读取通信参数，通过FPGA芯片根据配置逻辑完成参数的配置或根据更改后的通信参数进行重新配置；

S2：FPGA芯片检测所接收到的数据，判断数据类型，并对数据进行收发；

S21：若检测到的数据为ARINC429总线数据，由FPGA芯片根据筛选逻辑对429总线数据进行筛选，并将筛选后的ARINC429总线数据经过转换后通过异步RS422通讯电路经过RS422串口发送至相应的主控设备；

S22：若检测到的数据为串口数据，则将串口数据经过转换后发送至ARINC429总线。

为了进一步优化上述技术方案，S1的具体步骤为：

RS422配置参数寄存器从EEPROM芯片内读取RS422串口通信参数完成配置；

ARINC429配置参数寄存器从EEPROM芯片内读取与ARINC429通信相关的参数，并向ARINC429协议芯片写入相应的控制字完成配置；

控制字内包含通信速率、字节位数、奇偶校验方式以及SDI码信息，且配置完成后的工作状态即为默认工作状态。

为了进一步优化上述技术方案，根据更改后的通信参数进行重新配置的具体步骤为：

异步RS232通讯电路通过RS232串口将新的通信参数写入EEPROM芯片中覆盖之前存储的通信参数，与此同时，新的通信参数直接写入RS422配置参数寄存器中，实时完成通信参数的更改。

为了进一步优化上述技术方案，S21的具体步骤为：

(1)当检测到有效的ARINC429数据时，在ARINC429协议芯片内将当前ARINC429数据分为第一字节和第二字节，第一字节的0-7bit代表当前接收的ARINC429数据字的Label号；并向ARINC429配置参数寄存器发出数据接收请求；

(2)ARINC429协议芯片将第一字节和第二字节先后通过16bits并行数据线传输至ARINC429配置参数寄存器；在接收第二字节的同时，将当前接收的ARINC429数据的Label号和ARINC429配置参数寄存器中的Label号进行匹配，若匹配到相同的Label号，则将当前ARINC429数据全部写入第一FIFO存储器中；

(3)当前ARINC429数据经过RS422串口发送至相应的主控设备。

为了进一步优化上述技术方案，S22的具体步骤为：

当检测到有效的串口数据后，生成ARINC429数据奇偶校验位，将当前串口数据写入第二FIFO存储器中同时串口数据转换为ARINC429数据，待接收完完整的ARINC429数据后，通过16bits并行数据线传输至ARINC429协议芯片，同时给出相应的控制命令，ARINC429协议芯片将按照预先配置的通信参数向ARINC429总线发送数据。

具体地，如图2所示，本发明发送ARINC429数据至主控设备的整体流程为：

(1)FPGA芯片控制读取通信配置参数完成配置；

(2)开启ARINC429接收通道、串口发送通道，实时监测ARINC429总线数据，并进一步检测是否存在有效ARINC429数据，若有，则进行下一步，若无，则继续检测有效ARINC429数据；

(3)将该有效ARINC429数据与ARINC429配置参数寄存器中的Label号进行匹配，匹配成功则将ARINC429数据送入FIFO存储器中，匹配不成功则返回步骤(2)重新检测有效ARINC429数据；

(4)将存入FIFO存储器中的数据通过422串口发送至主控设备。

如图3所示，本发明接收串口数据至ARINC429总线的整体流程为：

(1)FPGA芯片控制读取通信配置参数完成配置；

(2)开启串口接收通道、ARINC429发送通道，实时监测串口数据；

(3)检测是否存在有效的串口数据，若有，则进行下一步，若无，则继续检测有效串口数据；

(4)将串口数据送入FIFO存储器中，并通过ARINC429接口电路将数据发送至ARINC429总线。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块，用于实现ARINC429总线与主控设备之间数据的传输，其特征在于，包括：ARINC429通信模块、核心主控模块、通信配置模块和串口通讯模块；

所述ARINC429通信模块中包括ARINC429协议芯片和ARINC429接口电路，所述ARINC429协议芯片与所述ARINC429接口电路相连，所述ARINC429接口电路连接ARINC429总线，且所述ARINC429接口电路与所述核心主控模块相连，所述ARINC429协议芯片用于实现ARINC429数据的接收和发送；

所述核心主控模块中包括FPGA芯片，所述FPGA芯片与所述ARINC429接口电路相连，所述FPGA芯片用于实现通信参数配置逻辑和通信逻辑；

所述通信参数配置逻辑用于实现通信参数的配置；

所述通信逻辑包括转换逻辑和筛选逻辑，所述转换逻辑用于实现串口数据与所述ARINC429数据之间的转换，所述筛选逻辑用于实现基于Label号对所述ARINC429数据的筛选；

所述通信配置模块中包括EEPROM芯片，所述EEPROM芯片与所述FPGA芯片相连，所述EEPROM芯片用于实现对通信参数的写入和读取，所述FPGA芯片用于完成通信参数的配置；

所述串口通讯模块中包括异步RS232通讯电路和异步RS422通讯电路，所述异步RS232通讯电路通过RS232串口与所述FPGA芯片相连，所述异步RS422通讯电路通过RS422串口与所述FPGA芯片相连，且所述异步RS422通讯电路与所述主控设备相连；

所述异步RS232通讯电路用于对所述通信参数进行更改，所述异步RS422通讯电路用于导出经过筛选的所述ARINC429数据传输至所述主控设备，根据异步RS422通讯协议与所述主控设备通信；

所述FPGA芯片内包括配置参数寄存器，所述配置参数寄存器包括RS422配置参数寄存器和ARINC429配置参数寄存器；

所述RS422配置参数寄存器和所述ARINC429配置参数寄存器均与所述EEPROM芯片相连，所述RS422配置参数寄存器用于存储RS422串口通信参数；所述ARINC429配置参数寄存器用于存储与所述ARINC429通信相关的参数；

其中，所述RS422串口通信参数包括通信速率和奇偶校验位的设置参数；与所述ARINC429通信相关的参数包括通信速率、字节位数、奇偶校验方式、SDI码和Label号；

所述FPGA芯片内还包括FIFO存储器，所述FIFO存储器包括第一FIFO存储器和第二FIFO存储器；所述第一FIFO存储器的写入位宽为8bits，读取位宽为16bits，所述第二FIFO存储器写入位宽为16bits，读取位宽为8bits；

所述第一FIFO存储器与所述ARINC429配置参数寄存器相连，用于存储筛选后的ARINC429数据；

所述第二FIFO存储器与所述RS422串口相连，用于存储串口数据。

2.一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：FPGA芯片向EEPROM芯片读取通信参数，通过所述FPGA芯片根据配置逻辑完成参数的配置或根据更改后的通信参数进行重新配置；

根据更改后的通信参数进行重新配置的具体步骤为：

异步RS232通讯电路通过所述RS232串口将新的通信参数写入所述EEPROM芯片中覆盖之前存储的通信参数，与此同时，所述新的通信参数直接写入RS422配置参数寄存器中，实时完成所述通信参数的更改；

S2：所述FPGA芯片检测所接收到的数据，判断数据类型，并对数据进行收发；

S21：若检测到的数据为ARINC429总线数据，由所述FPGA芯片根据筛选逻辑对所述ARINC429总线数据进行筛选，并将筛选后的ARINC429总线数据经过转换后通过异步RS422通讯电路经过RS422串口发送至相应的主控设备：

(1)当检测到有效的ARINC429数据时，在所述ARINC429协议芯片内将当前ARINC429数据分为第一字节和第二字节，所述第一字节的0-7bit代表当前接收的ARINC429数据字的Label号；并向所述ARINC429配置参数寄存器发出数据接收请求；

(2)所述ARINC429协议芯片将所述第一字节和第二字节先后通过16bits并行数据线传输至所述ARINC429配置参数寄存器；在接收第二字节的同时，将当前接收的ARINC429数据的Label号和所述ARINC429配置参数寄存器中的Label号进行匹配，若匹配到相同的Label号，则将当前ARINC429数据全部写入第一FIFO存储器中；

(3)当前ARINC429数据经过RS422串口发送至相应的主控设备；

S22：若检测到的数据为串口数据，则将所述串口数据经过转换后发送至所述ARINC429总线。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块的数据传输方法，其特征在于，S1的具体步骤为：

RS422配置参数寄存器从所述EEPROM芯片内读取RS422串口通信参数完成配置；

ARINC429配置参数寄存器从所述EEPROM芯片内读取与ARINC429通信相关的参数，并向所述ARINC429协议芯片写入相应的控制字完成配置；

所述控制字内包含通信速率、字节位数、奇偶校验方式以及SDI码信息，且配置完成后的工作状态即为默认工作状态。

4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA支持Label号筛选的ARINC429总线模块的数据传输方法，其特征在于，S22的具体步骤为：

当检测到有效的串口数据后，生成ARINC429数据奇偶校验位，将当前串口数据写入第二FIFO存储器中同时串口数据转换为ARINC429数据，待接收完完整的ARINC429数据后，通过16bits并行数据线传输至所述ARINC429协议芯片，同时给出相应的控制命令，所述ARINC429协议芯片将按照预先配置的通信参数向所述ARINC429总线发送数据。

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