第２５卷增刊 贵 州 科 学 Ｖｏ１．２５，Ｓｕｐｐ ２００７年５月 ＧＵＩＺＨ０Ｕ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｍａｙ．２００７ 基于８位单片机的ＡＲＩＮＣ４２９航空数据总线接口设计 陈怀平 （贵州双阳飞机制造厂，贵州安顺５６１０００） 摘要ＡＰｄＮＣ４２９数字信息传输规范是航空电子设备通信标准，目前已经成为航空机栽电子设备通信的主要 通信方式，本文介绍了用８位单片机和高性能数据通信芯片ＨＳ一３２８２的ＡＲＩＮＧ４２９航空数据总线接口的设计 方法． 关键词单片机；ＡＲＩＮＧ４２９；总线；ＨＳ一３２８２ 中图分类号Ｖ３５１．３６，Ｖ２４３．１ 文献标识码Ａ 文章编号１００３—６５６３（２００７）增刊一０３２１—０７ ＴＨＥ ＤＥＳ聃Ｅ ｏＦ ＡＲＩＮＣ４２９ ＤＡＴＡ ＢＵＳ ＴＥＲＦＡＣＥ、ＶＩＴＨ ８一 ＢＩＴ ＤＡＴＡ ＭＣＵ ＣＨＥＮ Ｈｕａｉ—ｐｉｎｇ （Ｓｈｕａｎｇｙａｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｏｒｙ，Ａｎｓｈｕｎ ５６１０００，Ｇｕｉｚｈｏｕ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｇａｕｇｅ ｏｆ ＡＲＩＮＣＡ２９ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ａｉｒｃｒａｆｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐ— ｍｅｎｔ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｂｕｓｓｅｓ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｈｏｗ ａ ｗａｙ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ Ａｒｉｎｅ４２９ ｄａｔａ ｂｕｓ ｉｎｔｅｒ— ｆａｃｅ ｗｉｔｈ ８一ｂｉｔ ｄａｔａ ＭＣＵ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＣＭＯＳ ｂｕｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ＨＳ一３２８２． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ＭＣＵ；ＡＲＩＮＣＡ２９；ｄａｔａ ｂｕｓ；ＨＳ一３２８２ １ 引言 ＡＲＩＮＣ４２９是美国航空无线电公司（ＡＲＩＮＣ）制定的民用航空数字总线传输标准．随着计算机技术的不 断发展，航空电子设备由过去各自独立的部件逐步向航空电子综合化系统发展，ＡＲＩＮＣ４２９标准的出现和应 用提高了航空电子设备的通用性、可靠性和灵活性．在航空电子综合化系统中，快速、有效地传输数据对整 个航空电子系统的性能有很大影响．我国也相应制定了“航标Ｓｚ—Ｏｌ数字信息传输系统（ＨＢ６０９６—８６）”作 为航空数据总线传输标准．机载航空电子设备，如ＧｅＳ（全球卫星定位系统）、ＩＮＳ（惯性导航系统）、ＥＦＩＳ（电 子飞行仪表系统）等，都是通过ＡＲＩＮＣ４２９总线与外设进行数据交换的．本文论述了以８位单片机为平台的 ＡＲＩＮＣ４２９总线接口的设计方法．目前，该方法以很便宜的价格，已成功应用到我厂某型外贸飞机的地面检 测设备上． ｔ 收稿日期：２００７—０４—２７ 作者简介：陈怀平，（１９７４一），贵州安顺人，１９９６年毕业于西北工业大学飞行器制造工程系，贵州双阳飞机制造厂航空仪表技术员，高级工程 师，主要研究方向为航空测试技术、虚拟仪器技术应用及开发． 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２２ 贵州科学 ２５卷 ２ ＡＲＩＮＣＡ２９数据信息传输规范 ＡＲＩＮＣＡ２９ 总线是通过一对双绞屏蔽线从一个端口向设备以串行方式传输数字信息的．ＡＲＩＮＣＡ２９总 线规定高速传输速率为１００ ｋｂｉｔ／ｓ，低速为１２．５ ｋｂｉｔ／ｓ．表１为空载输出电平． 表１ ＡＲＩＮＣ４２９总线空载输出电平 Ｔａｂ．１ ＡＲＩＮＣ．４２９ ｄａｔｅ ｂｕｓ ａｖｉａｔｉｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ｌｅｖｅｌ ㈣㈨㈣㈣洲洲洲洲伽 洲卧 一个数据字有３２位，它们被分为５组： （１）标号（１ａｂｅ１）：第１—８位，用于表示信息的类型． （２）源／目的识别码（ＳＤＩ）：第９—１Ｏ位，当需要将一些专用字传输到一个多系统的特定系统时，就可以 用ＳＤＩ来识别字的目的地． （３）数据区（ｄａｔａ）：第１１—２９位． №丽眦 №一 Ｉ蕈一（４）状态位（ＳＳＭ）：第３Ｏ一３ｌ位，表示数据发生器硬件状态，是无效数据还是试验数据． （５）奇偶校验位（ｐａｒｉｔｙ）：第３２位，奇校验． ‘ＨＳ一３２８２（ＣＥＲＤＩＰ） ＴＯＰ ＶＩ ＦＷ 图１ ＨＳ３２８２的引脚排列 Ｆｉｇ．１ Ｐｉｎ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆＨＳ３２８２ ３ ＨＳ一３２８２简介 ＨＳ一３２８２是美国Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司生产的高性能ＡＲＩＮＣＡ２９总线接口芯片，外接驱动芯片ＨＳ一３ １８２便可产 Ⅲ 叭呲陌舢叫 一维普资讯 http://www.cqvip.com
增刊 陈怀平：基于８位单片机的ＡＲＩＮＣＡ２９航空数据总线接口设计 ３２３ 生ＡＲＩＮＣＡ２９电平，可通过编程设置为３２位字长或２５位字长；还可通过编程使它工作在１００ ｋｂｉｔ／ｓ或１２．５ ｋｂｉｔ／ｓ．ＨＳ一３２８２由两个接收器和发送器组成．两个分别独立的接收器直接与ＡＲＩＮＣＡ２９总线连接，并以十 倍于接收数据速率的频率工作，接收到的数据带有奇偶校验状态；发送器由先进先出（ＦＩＦＯ）存储器和定时 器组成，ＦＩＦＯ存储器用于保存串行传输的８个数据位，定时器按照ＡＲＩＮＣ４２９规范的要求分隔每个字自动 产生奇偶校验位．在接收器和发送器中附加了外接时钟输入ＣＬＫ，允许ＨＳ一３２８２工作速率从０—１００ ｋｂｉｔ／ Ｓ，从而使器件的通用性更强．该芯片为单电源５ Ｖ供电，功耗低，工作温度范围符合军用标准．美国ＤＥＩ公 司的ＤＥＩ１０１６的功能和封装完全兼容ＨＳ一３２８２．ＨＳ３２８２的引脚排列和引脚功能如图１、表２所示． ４原理设计 ＡＲＩＮＣＡ２９总线协议芯片设计为１６位数据总线．从原理上来看，适用于１６位数据总线系统的单片机； 但从应用范围上来说，因航空机载电子系统具有很严格的工作温度要求，而８位单片机目前在市场上较容易 获得符合军用标准的芯片，并且还不断有很多低功耗、低辐射的新品出现，用此设计出的产品更容易通过要 求严格的电磁兼容试验，因此，在ＡＲＩＮＣＡ２９总线接口的设计中通过增加外围电路，使ＨＳ一３２８２适用于８位 数据总线的单片机８０３１． 外围电路由可编程逻辑器件ＧＡＬ２０Ｖ８和两个数据锁存器（７４ＨＣ５７３）组成，其中一个作为输入锁存器， 一个作为输出锁存器，作用是锁存数据的高８位，以便８０３１与ＨＳ一３２８２完成１６位数据的传送．由于一个 完整的ＡＲＩＮＣ４２９数据字是３２位，而ＨＳ一３２８２是１６位数据总线，因此，一个ＡＲＩＮＣＡ２９数据字要分成两个 １６位的字分两次进行读／写．ＧＡＬ２０Ｖ８通过编程对单片机控制线实现一定的逻辑运算，完成对数据锁存电 路和ＨＳ一３２８２收发器读／写的工作时序控制． 表２ ＨＳ一３２８２的引脚功能 Ｔａｂ．２ Ｐ－ｍｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆＨＳ一３２８２ 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２４ 贵州科学 ２５卷 对收发器读／写控制电路和数据锁存电路的控制采用直接访问的方式．也就是说，将收发器读／写控制 电路和数据锁存电路当成单片机的一个外设，由单片机的Ｐ＝２口、Ｐｏ口产生１６位地址和单片机的读／写口（／ ＲＤ和／ｗｒｔ）一起访问外设，其中，Ｐ０口产生低８位地址，Ｐ２口产生高８位地址．图２为ＨＳ一３２８２的８位单 片机接口原理图． 在向ＦＩＦＯ或ＨＳ一３２８２的控制寄存器写操作时，输出寄存器向ＨＳ一３２８２提供数据字的高８位，在读取 ＨＳ一３２８２接收到的数据字时输入寄存器锁存高８位．因此，写操作时，首先写入高８位数据，输出锁存器锁 存，再写低８位，与此同时，使输出锁存器输出高８位，与低８位一起出现在ＨＳ一３２８２的１６位数据线上；读 操作时顺序与写操作相反，先读低８位数据，同时将高８位数据送人输入锁存器锁存，再读人高８位，使高８ 位数据出现在８０３１的数据总线上，通过两次这样的操作就可完成对一个３２位数据的双向传输．图２所示 电路实现的一收一发功能，当接收器接收到一个ＡＲＩＮＣ４２９数据字时，ＨＳ一３２８２向８０３１发出中断请求， ８０３１在中断服务程序中读取收到的数据，采用中断响应的方式接收数据，有效地满足了ＡＲＩＮＣ４２９总线数 据传输的实时性要求；对于数据发送功能，采用定时器计数溢出中断的方法，根据数据刷新速率的要求，设置 相应的计数初值． 图２ ＨＳ一３２８２的８位单片机接口原理图 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ８ ｂｉｔｓ ＭＣＵ ｏｆ ＨＳ一３２８２ 直接访问占用单片机Ｉ／Ｏ口少．由于将ＨＳ一３２８２及 写控制电路当成单片机的一个外设来访问，因 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊 陈怀平：基于８位单片机的ＡＲＩＮＣ４２９航空数据总线接口设计 ３２５ 此软件代码量小，执行时间短，容易保证ＨＳ一３２８２严格的工作时序，但是设计复杂，其中最关键的就是地址 的确定及根据地址和工作时序计算出控制逻辑（表３）．其中，表３中ＧＡＬ２０Ｖ８的编程逻辑如下： 输出锁存器锁存信号： Ｃ１＝Ａ０：ｌｃ ＷＲ 输出锁存器输出允许信号： ／ＯＣ１＝Ａ０＋／ＷＲ 输入锁存器锁存信号： Ｃ２＝／Ａ０术ＲＤ：ｌｃ Ａ３ 输入锁存器输出允许信号： ／０Ｃ２＝／Ａ０＋／Ａ３ 控制字输人选通信号： ／ＣＷＳＴＲ＝Ａ０＋／Ａ２＋／ＷＲ 接收器１的数据到达数据总线信￣／．ＥＮ１＝Ａ０＋Ａ２＋／Ａ３＋／ＲＤ 第１个１６位数据发送到ＦＩＦＯ： ／ＰＬ１＝Ａ０＋Ａ１＋Ａ２＋／ＷＲ 第２个１６位数据发送到ＦＩＦＯ： ／ＰＬ２＝Ａ０＋／Ａ１＋Ａ２＋／ＷＲ ５软件设计 软件开发环境为ＫＥＩＬ ｉｘＶｉｓｉｏｎ２，系统软件用单片机Ｃ语言编写． ／：ｌｃ ＨＳ３２８２的读写地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｌ＿ｈｉｇｈ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆＳ００］ ／：ｌｃ写入控制字寄存器高８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｌ—ｌｏｗ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆ４００］ ／：ｌｃ写入控制字寄存器低８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｒｘ１ｓｔ一—ｌｏｗ ＸＢＹＴＥ［０ｘｔＳ００］ ／：ｌｃ接收数据第１字的低８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｒｘ一１ｓｔ—ｈｉｇｈ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆ９００］ ／：ｌｃ接收数据第１字的高８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｒｘ２ｓｔ一—ｌｏｗ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆａ００］ ／：ｌｃ接收数据第２字的低８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｉｆｎｅ Ｒｘ＿２ｓｔ＿ｈｉｇｈ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆｂ００］ ／：ｌｃ接收数据第２字的高８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｔｘ一１ｓｔ—ｈｉｇｈ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆｌ００］ ／：ｌｃ发送数据第１字的高８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｔｘ１ｓｔ一—ｌｏｗ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆ０００］ ／：ｌｃ发送数据第１字的低８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｉｆｎｅ Ｔｘ＿２ｓｔ＿ｈｉｇｈ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆ３００］ ／：ｌｃ发送数据第２字的高８位地址：ｌｃ／ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｔｘ一２ｓｔ—ｌｏｗ ＸＢＹＴＥ［０ｘｆ２００］ ／：ｌｃ发送数据第２字的低８位地址：ｌｃ／ 表３ ＨＳ一３２８２读／写操作时各端口的电平 Ｔａｂ．３ Ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｐｏｒｔ ｄｕｒｉｎｇ ｒｅａｄ ｏｒ ｗｒｉｔｅ ＨＳ一３２８２在工作时必须先对其初始化，以规定数据收发速率、字长选择、是否奇偶校验等．以下是ＨＳ 一３２８２的初始化函数： 维普资讯 http://www.cqvip.com
３２６ 贵州科学 ２５卷 ｖｏｉｄ ｉｎｉｉｔａｌ（ｖｏｉｄ） ｛ Ｃｏｎｔｒｌ—ｈｉｇｈ＝０ｘ００； ／ 写入控制字的高８位 ／ Ｃｏｎｔｄ—ｌｏｗ＝０ｘ２０； ／ 写入控制字的低８位 ／ ｝ 单片机中断响应函数，用于接收数据，以接收气压修正高度数据为例： ｖｏｉｄ ｉｎｔｓｖｒｌ（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ２ ｕｓｉｎｇ １／ ＩＮＴ１的中断服务子程序，用于接收数据 ／ ｛ Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［０］＝Ｒｘ一１ ｓｔ＿ｌｏｗ； ／ 接收数据第１字的低８位 ／ Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［１］＝Ｒｘ一１ ｓｔ—ｈｉｇｈ； ／ 接收数据第１字的高８位 ／ Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［２］＝Ｒｘ一２ｓｔ—ｌｏｗ； ／ 接收数据第２字的低８位 ／ Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［３］＝Ｒｘ＿２ｓｔ＿ｈｉｇｈ； ／ 接收数据第２字的高８位 ／ ｉｆ（Ｐ＿ｘ＿ｗｏｒｄ［０］＝＝０ｘａ２） ／ 标号判断 ／ ｛ Ｒｘ—ｈｅｉｇｈｔ＝（Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［３］＆０ｘ７ｆ） ２５６＋Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［２］；／ 从接收到的数据中解算出气压修正高度 ／ ｉｆ（（（Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［３］＞＞７）＆０ｘ０１）＝＝１）／ 符号判断 ／ ｛ Ｒｘ—ｈｅｉｇｈｔ＝（Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［３］＆０ｘ７ｆ） ２５６＋Ｒｘ＿ｗｏｒｄ［２］一１；／ 如果是负值，按２进制补码规则还原 ／ ｝ ｝ ｝ 单片机定时器中断响应函数，用于发送数据，以发送气压修正高度数据为例： ｖｏｉｄ ｔｉｍｅｒ０（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ １ ｕｓｉｎｇＡ ＴＯ的中断服务函数，用于发送数据 ／ ｛ Ｔｘ＿ｗｏｄｒ［０］＝０ｘ８４； ／ 气压修正高度的标号 ／ Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［１］＝０ｘ０６； ／ 状态矩阵 ／ ｉｆ（Ｔｘ—ｓｉｇｎ）／ 符号判断，如果是负值，按２进制补码规则编码 ／ ｛ Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［２］＝（（一（Ｔｘ＿ｈｅｉｇｈｔ （～１）））＋１）＆０ｘｆ； Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［３］＝（（（一（Ｔｘ—ｈｅｉｇｈｔ （一１）））＋１）＞＞８）＆０ｘ７ｆ； Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［３］＝Ｔｘ ｗｏｒｄ［３］＋０ｘ８０； ｝ ｅｌｓｅ ｛ Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［２］＝（Ｔｘ—ｈｅｉｇｈｔ％２５６）＆０ｘｆｆ； Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［３］＝（Ｔｘ＿ｈｅｉｇｈｔ／２５６）＆０ｘ７ｆ； ｝ Ｔｘ＿ｌ ｓｔ—ｈｉｇｈ＝Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［１］；／ 发送数据第１字的高８位 ／ Ｔｘ＿ｌ ｓｔ—ｌｏｗ＝Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［０］；／ 发送数据第１字的低８位 ／ Ｔｘ２ｓｔｈｉｇｈ＝Ｔｘ＿—＿ｗｏｒｄ［３］；／ 发送数据第２字的高８位 ／ Ｔｘ＿２ｓｔ＿ｌｏｗ＝Ｔｘ＿ｗｏｒｄ［２］；／ 发送数据第２字的低８位 ／ ｝ 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊 陈怀平：基于８位单片机的ＡＲＩＮＣ４２９航空数据总线接口设计 ３２７ ６软件设计合理性分析 以数据接收的中断响应子函数为例，经过ＫＥＩＬ ｉ￣Ｖｉｓｉｏｎ２编译后生成以下汇编代码： ＭＯＶ ＤＰＴＲ＃０ＦＳ００Ｈ；／ 接收数据第１字的低８位 ／ ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ； ‘ ＭＯＶ ４３Ｈ，＃００Ｈ； ＭＯＶ ４４Ｈ，Ａ； ＭＯＶ ＤＰＴＲ＃０Ｆ０００Ｈ；／ 接收数据第１字的高８位 ／ ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ； ＭＯＶ ４５Ｈ，＃００Ｈ； ＭＯＶ ４６Ｈ，Ａ； ＭＯＶ ＤＰＴＲ＃０ＦＡ００Ｈ；／ 接收数据第２字的低８位 ／ ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ； ＭＯＶ ４７Ｈ，＃００Ｈ； ＭＯＶ ４８Ｈ，Ａ； ＭＯＶ ＤＰＴＲ＃０ＦＢ００Ｈ；／ 接收数据第２字的高８位 ／ ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ； ＭＯＶ ４９Ｈ，＃００Ｈ； ＭＯＶ ４ＡＨ，Ａ； 其中，“ＭＯＶ ＤＰＴＲ＃ｄａｔａ”和“ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ”指令是双周期指令， “ＭＯＶ ａｄｄｒ，ｄａｔａ”和“ＭＯＶ ａｄｄｒ，Ａ”指令是单周期指令，接收一个完整的ＡＲＩＮＣ４２９数据字需要（２＋２＋ １＋１）×４＝２４个机器周期，在该接口电路设计中中晶振频率是８ ＭＨｚ，一个机器周期是１／８×１２＝１．５ ｓ， 因此接收一个数据字需要的时间是１．５ ｓ×２４＝３６ ｓ，一个完整的ＡＲＩＮＣ４２９数据字包括３２位数据位，字 与字之间有４位间隔作为位同步信息，由此计算出该系统的通信速率为（１０００／３６）×（３２＋４）＝１０００ ｋｂｉｔ／ｓ， 远远大于ＡＲＩＮＣ４２９总线规定的最大１００ ｋｂｉｔ／ｓ的标准，完全可以满足高速数据通信的需要． ７ 结语 ＡＲＩＮＣＡ２９总线是目前应用最广泛的航空数据总线，在我厂某型飞机上体现更加明显．多年来，其技术 核心 直被各机载设备厂商所控制，使我们的工作处于被动地位．通过采用廉价的８０３１为平台实现其接口 设计，目前已推广到多种航空机载电子设备的地面检测中，从很大程度上缓解了我们处处受制于人的局面， 尤其是ＧＡＬ可编程逻辑器件在ＡＲＩＮＣ４２９总线接口设计中的应用，使产品具有保密性高、抗干扰能力强、性 价比高的特点，具有良好的应用前景．
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