（机械电子工程专业论文）基于嵌入式的arinc429数据总线测试系统的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 基于嵌入式的a r i n c 4 2 9 数据总线测试系统的设计 机械电子工程专业 研究生解庆指导老师余愚 在现代航空工业领域当中，现代飞机要求大量数据信息能够快速、有效 的在飞机系统与系统、系统与部件之间进行高速传递。目前相当数量的军用 机、民用机及运输机的数据通信都采用美国航空无线电公司( a r i n c ) 制定的民 用航空数字总线传输标准a r i n c 4 2 9 ，它定义了航空电子设备和系统之间相互 通信的一种规范。此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。本文针对飞机机载设备间数据通信所采用的航 空数字总线传输标准a r i n c 4 2 9 ，设计了一种基于嵌入式l i n u x 系统的 a r i n c 4 2 9 数字总线数据测试系统，能够模拟飞机机载设备的接收数据方式， 通过航空a r i n c 4 2 9 数据总线接收多种飞机机载设备的数据内容，以便根据机 载设备发出的参量来对机载设备进行测试和校正，并在地面上对飞机的惯性 导航系统、捷联航姿系统、雷达高度等机载设备进行联合调试。该系统可以 应用于各种高速数据采集场合，不仅可以实现各个航空电子系统信息共享和 功能综合，而且可以通过数据总线实现对机载电子设备工作状态、故障信息 等相关数据的传送，便于完成机载电子设备的检测及维护，具有很强的通用 性。 本系统以嵌入式l i n u x 为核心，采用了3 2 位a r m 微处理器为主控核心， 由a r m 、s d r a m 和f l a s h 组成系统核心单元，并由外围模拟电路共同组成系统 硬件平台；软件架构以l i n u x 操作系统为平台，硬件驱动程序作为底层程序， 建立了q t 人机交互界面( g u i ) 作为上层应用程序。以硬软件结合的方式快速、 有效地接收到机载设备发送的a r i n c 4 2 9 数据参量，实现了一个低功耗、智能 i 西华大学硕七学位论文 化、软硬件可根据具体测量任务适当裁减的高速数据总线检测平台。 本文介绍了基于嵌入式l i n u x 系统的a r i n c 4 2 9 数据总线测试系统设计平台， 主要包括硬件的设计、软件架构的搭建两方面内容。在硬件上，对本系统的方 案选择和设计、系统实现原理和流程、硬件组成以及器件功能给与了着重介绍； 在软件上，针对以l i n u x 操作系统为平台的软件架构组成，对l i n u x 操作系统平 台搭建和q t 软件开发给与了详细介绍，并且对l i n u x 操作系统的i o 操作和进程 控制、g u l 人机图形交互界面的开发、底层驱动程序的设计做了详细的说明。最 后，根据系统设计要求，模拟了机载设备数据发送过程，对本系统进行仿真测 试，测试成功表明该系统达到了设计要求。 关键词：a r i n c 4 2 9 ；嵌入式设备；l in u x ： o l 两华大学硕士学位论文 d e sig no fa r i n c 4 2 9b u sm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e qo ne m b e q q e q上1 n u x 11 111 e l e c t r o n i c s & m a c h i n e r ye n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：x ie qin g s u p e r vis o r ：y u y u i nt h em o d e ma v i a t i o ni n d u s t r y , t h ea i r c r a f td a t ab e t w e e nt h ee l e c t r o n i c a v i a t i o n e q u i p m e n tn e e dq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y t r a n s m i s s i o n a tp r e s e n t ，a c o n s i d e r a b l en u m b e ro fm i l i t a r ya i r c r a f ta n dc i v i la 沁r a f td a t ac o m m u n i c a t i o n u s i n ga r i n c 4 2 9b u ss t a n d a r dd e v e l o p e db ya m e r i c a na i r l i n e sw i r e l e s s ( a m n c ) ， i td e f i n e sas t a n d a r do nt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e na v i o n i c sa n ds y s t e m s a i m e d a ta ri n c 4 2 9b u ss t a n d a r do nd a t ac o m m u n i c a t i o no fe l e c t r o n i ca v i a t i o n e q u i p m e n to fc i v i la i r c r a f t , t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e sad e s i g no fa r i n c 4 2 9b u s m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，w h i c hr e c e i v ea r i n c 4 2 9b u sd a t a s e n tf r o me l e c t r o n i ca v i a t i o ne q u i p m e n tf o rt e s t i n ga n dc a l i b r a t i o n ，a n da i mt ot h e a i r c r a f ti n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m s 、i n e r t i a la t t i t u d eh e a d i n gr e f e r e n c es y s t e m a n dr a d a ra l t i m e t e r sf o rj o i n td e b u g g i n go i lt h eg r o u n d t h es y s t e mc a l lb ea p p l i e d t oav a r i e t yo fo c c a s i o n s ，h i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ，n o to n l yc a nb ea c h i e v e di n v a r i o u sa v i a t i o ne l e c t r o n i c s y s t e m s f o ri n f o r m a t i o n s h a r i n g a n d i n t e g r a t e d f u n c t i o n s ，a n d a l s os e n dd a t aa b o u t e q u i p m e n tw o r k i n gs t a t u s a n df a u l t i n f o r m a t i o n ，r e a l i z et h ea v i o n i c st e s t i n ga n dm a i n t e n a n c e t h es y s t e mu s i n ga3 2 - b i ta r mm i c r o p r o c e s s o rf o rc o n t r o lc o r e ，a n dt h e h a r d w a r ep l a t f o r mi sc o m p o s e do fc o r eu n i ta n dt h ee x t e m a la n a l o gc i r c u i ts y s t e m t h ec o r eu n i tc o n s t i t u t e db ya r m 、s d r a ma n df l a s h t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ， t ot h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma st h eb a s i cp l a t f o r m , i sc o m p o s e do fh a r d w a r e d r i v e r sa n dg u i i nt h ew a yo fc o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i ta c h i e v e s i i i 西华大学硕士学位论文 al o w - p o w e r , i n t e l l i g e n c e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a l lb em e a s u r e di na c c o r d a n c e w i t ht h e s p e c i f i c m i s s i o no fa na p p r o p r i a t er e d u c t i o no fh i g h s p e e dd a t ab u s d e t e c t e dp l a t f o r m i nt h i sp a p e r , i n t r o d u c e sad e s i g no fa r i n c 4 2 9b u sm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do i le m b e d d e dl i n u x ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i n t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m , i tf o c u s e do nt h e p r o p o s a ls e l e c t i o na n dd e s i g n ， s y s t e mp r i n c i p l e sa n dp r o c e s s e s ，a sw e l la st h eh a r d w a r ed e v i c ef u n c t i o n s i nt h e s o f t w a r eo ft h es y s t e m ，a i mt ot h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eb a s eo nl i n u xo p e r a t i n g s y s t e mp l a t f o r m , i ti n t r o d u c e st h eb u i l d i n go fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r ma n d q t s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 【k e yw o r d s 】：a r i n c 4 2 9 ：e m b e d d e dd e v i c e ：l i n u x ：q t i v 两华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名 导师签名 a ? - e l 瑚) 口日 西华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密彰适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 指导教师签名： b 朔：一。fl 卜 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题来源与应用意义 在现代航空飞行器上，大量信息在系统与系统、系统与部件之间高速传递， 目前。相当数量的军用机、民用机及运输机的数据通信都采用美国航空无线电 公司( a r i n c ) 制定的民用航空数字总线传输标准a r i n c 4 2 9 ，定义了航空电子 设备和系统之间相互通信的一种规范。随着数字技术、微电子技术的迅速发展， 航空电子设备的性能日臻完善，航空电子系统的系统结构和通信方式也发生了 极大变化与进步。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，a r i n c 4 2 9 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。 目前航空飞行器的惯性导航系统、捷联航姿系统、雷达高度等机载设备在 装载飞机前，需在地面对其进行联合调试，而联合调试不能提供飞机飞行的实 际环境。因此，需要模拟飞机实际飞行中所接收到的参量，航空数据总线检测 就是用来模拟产生飞机实际飞行所接收到的飞行参量和接收机载设备发出的参 量来对机载设备进行校正。检测仪能够通过航空4 2 9 数据总线接收和发送多种机 载设备的数据内容。 本文介绍的基于3 2 位a r m 微处理器的a r i n c 4 2 9 嵌入式的数据总线检测系统， 取代了以往以8 位单片机为控制核心( 无操作系统，系统结构复杂，抗干扰性差， 无法处理多线程任务) 的a r i n c 4 2 9 数据总线接口系统，嵌入了l i n u x 操作系统并 以q t 为基础开发了友好的人机交互界面，实现了一个低功耗、智能化、软硬件 可根据具体测量任务适当裁减的高速数据总线检测平台。该平台可以应用于各 种高速数据采集场合，不仅可以实现各个航空电子系统信息共享和功能综合， 而且可以通过数据总线实现对机载电子设备工作状态、故障信息等相关数据的 传送，便于完成机载电子设备的检测及维护，具有很强的通用性。 嵌入式技术的发展使得开发嵌入式系统变得容易，开发成本降低，产品通 用性提高，可更新换代。结合传统嵌入式系统体积小、耗能少、抗干扰能力强、 稳定的特点，开发嵌入式航空数据总线检测系统，不管是作为一个独立的产品， 1 两华大学硕十学位论文 还是某一系统的某个功能模块，都是具有一定的现实意义和广泛的应用前景。 1 2a r i n c 4 2 9 总线背景 航空飞行器上应用数字数据总线曾有一个发展的过程，来不断满足各代飞 机的种种要求。曾经的飞机只是在个别系统中用了数字式数据总线，如惯性导 航系统、数字式大气数据计算机等。而现在的飞机已有将在整个飞机上应用航 空数据总线的趋势，即所谓体系结构上应广泛使用数据总线。在a r i n g4 2 9 数据 总线出现之前，就已有8 至l o 个不同的数字数据传输准标，它们分别规定了字 的标号、字格式和电气特性。此外，早期的数字式航空电子系统( 如a r i n c 5m a r k 3 亚音速数字式大气数据系统) 并不要求数据传输速率高达每秒1 0 0 千位。对于新 一代数字式航空电子分系统，要求1 0 0 千位秒的数据传输速率去支持新的传感 器、控制器和仪表设备，因此需要采用a r i n c 4 2 0 数据总线。就分系统来讲采 用阴极射管( c r t ) 的新型罗盘显示器、电子姿态航向指示器( e a d i ) 都要求有每秒 1 0 0 干位的数据传输速率。以前这些传感器是用模拟同步信号来驱动的。 a r i n c 4 2 9 接口标准由美国航空无线电公司( 即a i l i n g 公司) 颁布实施，它 将飞机的各系统间或系统与设备间通过双绞线互连起来，是各系统间或系统与 设备间数字信息传输的主要路径，是飞机的神经网络。规范是在a r i n c 4 19 的 基础上立草的，但又独立于a r i n c 4 1 9 。过去许多航空设备采用的航空总线种 类各异( 如a r i n c 4 5 3 、a r i n c 4 6 1 5 6 8 、a r i n c 5 7 3 、a r i n c 5 7 5 、a r i n c 5 8 2 ) ， 很难互相兼容。现代飞机电子系统要求各机载航空设备使用统一的航空总线， 方便系统集成。a r i n c 4 2 9 就是在这种需要下形成规范。a r f n c 4 2 9 它具有 接口方便、数据传输可靠的特点。a r i n c a 2 9 现已广泛应用于波音、空中客车、 中小型直升飞机中，目前已经是商务运输航空领域应用最广泛的航空电子总线， 如空中客车的a 3 1 0 a 3 2 0 、a 3 3 0 a 3 4 0 飞机，波音公司的7 2 7 、7 3 7 、7 4 7 、7 5 7 和7 6 7 飞机，麦道公司( 9 7 年与波音公司合并) 的m d 11 飞机等等。另外 a r i n c 4 2 9 也有在导弹、雷达等领域得到了应用。 我国也相应制定了“航标s z 卅l 数字信息传输系统( h b 6 0 9 6 - - 8 6 ) 作为航 空数据总线传输标准。机载航空电子设备，如g e s ( 全球卫星定位系统) 、i n s ( 惯 性导航系统) 、e f i s ( 电子飞行仪表系统) 等，都是通过a r i n c 4 2 9 总线与外设进行 2 两华大学硕士学位论文 数据交换的。我国的航空惯导系统也是以a r i n c 4 2 9 为主要通讯总线，目前出厂 新机加装的机载电子设备，如大气数据计算机、火控计算机、惯性导航系统都 采用了此标准总线。 1 3a r i n c4 2 9 数据总线简介 1 3 ia r i n c 4 2 9 的电气特性 a r i n c 4 2 9 航空数据总线上是一对单向、差分耦合、双绞屏蔽线，总线规定 高速传输速率为1 0 0k b i t s ，低速为1 2 5k b i t s 。每条线上的信号电压范围 为+ 5 v n 一5v 之间。一条线称为a ( 或+ ) ，而另一条线称为b ( 或) 。接收线路上 的电压取决于线路长度和挂接在总线上的接收器的个数( 接收器不能超过2 0 个) 。线路上的码型为双极性归零码。两条线路的差分信号的逻辑关系有三种： 1 当a _ b 的差分电压为7 2 5 v 一11 v 时，表示逻辑1 ； 2 当a b 的差分电压为0 5 v o 5 v 时，表示n u l l ； 3 当a b 的差分电压为一11 v 一7 2 5 v 时，表示逻辑0 ； a r i n c 4 2 9 数据编码举例如下图1 1 所示： 咀 + 5 a 嘲j l ld 岍5 h 匹+ s b n u l lo l 口v - s i 1 i o i 1 l i i o l 1 i o i l i o i o l ii i iiil iii i f i g 1 ia r i n c 4 2 9d a t ac o d i n g 图1 1a r i n c 4 2 9 数据编码 町啪 。 。l e f t 矿l e f t d t 一hh 制“制“ 两华大学硕十学位论文 1 3 2a r i n c 4 2 9 总线传输模式 a r i n c4 2 9 技术标准将航空总线描述为“开环传送模式。一般这种类 型总线被描述成支持多接收器的单工总线，其他术语则将它称为“传叫”或 “广播”总线。在a r i n c 4 2 9 总线中，发送线可替换单元( l r u ) 被认为是“起 源”，接收线l r u 被认为是“收点”。任何一个l r u 都可能有多个起源和收 点。对于错误检测，技术标准规定了奇校验指示和可选的错误核查方法。一般， 数据组是由一组字和包含二进制( b n r ) 、二进位代码的十进制( b c d ) 或字符 的数据对每个i s oa l p h a b e tn o 进行编码的。当应用需要超过一个字时， a r i n c 4 2 9 也提供文件数据传输方式。绘画文本的传输和符号c r t 映像和其他 显示功能尚未定义。 每个总线只有一个发送器和最多2 0 个接收器；不管怎样，一个终端都可能有 许多不同总线上的发送器或接收器。发送器发送3 2 位字，最前面是l s b ( 最 低有效位) 字，实际传输率可低、可高( 1 2 5 k b p s 或l o o k b p s ) 。a r i n c 4 2 9 总线上的l r u 没有地址；它有设备编号，为设备系统类型进行分组。设备和 系统辨识编号用于系统管理，并不编码进a r i n c 字。一个l r u 在总线上可以 程序控制接听a r i n c 数据字。 1 3 3a r i n c 4 2 9 字格式 a r i n c 4 2 9 字由3 2 个数据位组成，分为5 个基本区域，分别为p a r i t y 、s s m 、 d a t a 、s d i 、l a b e l ，如下图1 2 所示： _ r b3 1扮 l l da1 f 诩 熬驮一一淞一麓搿! 遐乏 篮l嫩 孵a l s s f 适1 2g e n e r a l i z e da r i n c 4 2 9w o r df o r m a t 图1 2a d n c 4 2 9 数据位组成 4 西华大学硕士学位论文 传输的基本单位是字，每个字由3 2 位组成。位同步信息是在双极归零码 信号波形中携带着，字同步是以传输同期间至少4 位的零电平时间间隔为基 准，紧跟该字间隔后要发送的第一位的起点即为新字的起点。 按照a r i n g4 2 9 总线规定，每个字格式( 二进制或二十进制) 由3 2 位 组成： 1 8 位是标号位( l 蛆e l ) ： 它标记出包括在这个传送字内的信息的类型，也就是传送的代码的意义 是什么。如传送的是v h f 信息，则标号为八进制数0 3 0 ：若是d m e 数据， 则标号为八进制数2 0 1 等。 9 1 0 位是源终端识别( s d i ) ： 它指示信息的来源或信息的终端，例如一个控制盒的调谐字要送至3 个 甚高频收发机，就需要标示出信息的终端，即把调谐字输送至那个甚高频接 收机。 1 1 2 8 或2 9 位是数据组( d a t af i e l d ) ： 根据字的类型可确定为是1 1 到2 8 还是1 1 到2 9 。它所代表的是所确定的 特定数据。如标号为0 3 0 ，则1 1 到2 9 位为频率数据，使用的是b c d 编码数 据格式，即位1 l 到2 9 。 2 9 到3 0 或3 1 位为符号状态矩阵位( s s m ) ： 根据字的类型号为2 9 或3 0 到3 l 。它指出数据的特性，如南，北，正， 负等或它的状态。在甚高频内使用3 0 到3 1 位( b c d 编码) 。 3 2 位为奇偶校验位( p ) ： 它用于检查发送的数据是否有效。检查方法是当由1 位到3 1 位所出现的 高电平的位数( 即1 的数) 的总和为偶数时，则在第3 2 位上为“1 ”。如果为 奇数，则显示为“0 ”。 在发送每组数据后有四位零周期，它是隔离符号，以便于发送下一组数 据。 两华大学硕士学位论文 2 系统方案设计 本文所设计的基于嵌入式的a r i n c 4 2 9 航空数据总线测试系统主要功能为 接收来自各种符合a r i n c 4 2 9 航空数据总线标准的航空设备的数据信息，经过 a r m 中央处理器以及外设电路的数据提取、电平转换、串并行转换等一系列数 据处理过程，将航空设备发送来的a r i n c 4 2 9 数据双极性归零码提取出有 效信息，再转换为3 2 位二进制数字信号显示在液晶屏幕上，并从中分析出数据 各个部分的信息，以硬软件结合的方式快速、有效地接收到机载设备发送的 a r i n c 4 2 9 数据参量，实现了一个低功耗、智能化、软硬件可根据具体测量任务 适当裁减的高速数据总线检测平台，可应用于各种高速数据采集场合，实现对机 载电子设备工作状态、故障信息等相关数据的传送，便于完成机载电子设备的 检测及维护。图2 1 为系统结构示意图。 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 图2 1系统整体结构示意图 6 西华大学硕士学位论文 本系统在研究的过程中考虑到了多种设计方案，结合各自的优缺点总结出 一个最终更加合理的设计方案，下面将详细介绍三种不同的设计方案。 2 1方案一 根据a r i n c 4 2 9 总线数据的电气特性，接收器部分采用模拟器件组合的方 式进行设计，经过信号提取、电平转换等过程完成a r i n c 4 2 9 信号到t t l 电平的 转化，再以串行的方式将3 2 位发送到中央处理器，电路示意图为图2 2 所示。 r 3 f i g 2 2r e c e i v e rc i r c u i td i a g r a mo fp r o g r a mi 图2 2 方案一的接收器电路图 本电路由运算放大器构成模拟加法器和比较器，与时域位移器件组合而 成的a r i n c 4 2 9 信号接收器，可以实现a r i n c 4 2 9 信号双极性归零码到 t t l 电平的转换处理，图2 3 为信号转换示意图。 本接收器首先将发送来的a r i n c 4 2 9 信号经行时域位移( 右移一个单 位) ，得到的信号为上图a 点所示；然后与原a r i n c 4 2 9 信号通过模拟加法 器进行电压相加，这样的相加出来的信号就滤去了原a r i n c 4 2 9 信号中的时 钟脉冲信号，两个码重新合并为双极性非归零码，为b 点所示：此双极性非 归零码再通过比较器进行双极性到单极性的变换，将此信号中所有小于0 v 的 7 西华大学硕士学位论文 电压统一升至0 v ，而大于o v 的电压限制在+ 5 v ，这样就转换为数字电路中所 接受的单极性非归零码一t t l 电平，为c 点所示。 l f i g 2 3s i g n a lc o l l v e l t e r sd i a g r a mo fp r o g r a mi 图2 3 方案一的信号转换示意图 此方案通过模拟电路组合的方式可实现接受a r i n c 4 2 9 信号并转换为 t t l 电平的功能，此转换方式简单，通用性比较强，但由于模拟器件过多， 电路过于繁琐，难免系统的稳定性和抗干扰能力会下降。 2 2方案二 本方案充分利用3 2 位a r m 微处理器的强大数据处理能力，将a r i n c 4 2 9 数据总线信号的解码过程转移到c p u 中经行数据转换，以编程实现双极性归 a b c v v v v v v v 5 v 5 5 v 5 5 v 5 5 v + 0 一 + 0 一 + 0 一 十 o 西华大学硕士学位论文 零码到单极性非归零码的转换。 由于a r m 的数据线电平为3 3 v ，所以需进行电平转换，系统先将 a r i n c 4 2 9 信号通过运算放大器转换为单极性信号( 转换完成的信号由图2 5 所示) ，再发送至a r m 处理器进行数据处理。图2 4 为系统结构示意图。 f i g 2 4s y s t e ms t r u c t u r eo fp r o g r a mi i 图2 4 方案二的系统结构示意图 f i g 2 5s i g n a ld i a g r a mo fp r o g r a m 图2 5 方案二的信号示意图 此方案对处理器的数据处理能力有着很高的要求，要满足可以接收到 a r i n c 4 2 9 数据总线信号规定的高速传输速率为1 0 0k b i t s ，低速为1 2 5 k b i t s 的要求，而且需要执行效率高的程序代码来实现信号的转换。以l i n u x 操作系统为平台的程序代码是以c 语言为基础的，本方案将会大大简化硬件 的数量，压缩系统成本。但同时也会增加软件的负担，也会增加c p u 的占用 率，虽然有实时操作系统l i n u x 的任务调配，但多增加任务进程就意味着多 线程之间的通信将变得复杂，因此本方案对于本系统的软件编程将是一个考 验。 9 几几几几uv 几 3q u v + 0 两华大学硕十学位论文 2 3方案三 本方案的数据总线接收部分采用a r i n c 4 2 9 总线接口芯片，该芯片完全独 立实现a r i n c 4 2 9 数据到t t l 电平的转换。目前a r i n c 4 2 9 收发器以h a r r i s 公 司的h s 3 2 8 2 和h s 3 1 8 2 最为著名，分别和d e v i c ee n g i n e e r i n g 公司的d e i1 0 1 6 及b d 4 2 9 完全兼容。h s 3 2 8 2 是高性能的c m o s 型4 2 9 接口，亦能满足类似的时 分多路串行数据通讯。整个芯片只需单5 v 工作电源。它具有二路接收、一路 发送。接收器和发送器相互独立，同时工作。双通道接收器之间也是独立的 并行接收，可以直接连接到a r i n c 4 2 9 总线，而不需电平转换。 f i g 2 6s y s t e ms t r u c t u r eo fp r o g r a mi i i 图2 6 方案三的系统结构示意图 h s 3 2 8 2 接口芯片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( f i f o ) 存储器和定时器组成，f i f o 存储器 用于保存串行传输的8 个数据位，定时器按a r i n c 4 2 9 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c l k ，允许 h s 3 2 8 2 工作速率从卜1 0 0k b i t s ，从而使器件的通用性更强。该芯片为单 电源5v 供电，功耗低，工作温度范围符合军用标准。 使用a r i n c a 2 9 总线接口芯片h s 3 2 8 2 作为系统接收器，使得a r i n c a 2 9 总 线信号向t t l 电平数据的转换更加稳定，抗干扰性强，大大降低了系统电路 的复杂度，减少了程序代码的分量并同时为微处理器的数据处理减轻了负担。 经过详细论证与研究，综合三个方案的优缺点，最终决定使用方案三来 进行本系统的设计。 l o 西华大学硕士学位论文 3系统硬件整体架构及功能模块设计 整个硬件系统由主控制单元、数据接收单元、电平转换单元、数据存储 单元和人机交互单元组成，如图3 1 所示。主控制单元主要核心是3 2 位a r m 9 微处理器，负责各模块间的控制和数据的处理；数据接收单元接收来自 a r i n c 4 2 9 总线数据并进行相应的数据转换；电平转换单元负责将数据接收单 元发送出来的信号转换为c p u 可识别的信号；人机交互单元用于显示c p u 处 理出的数据，通过t f t 液晶屏以图文的方式向操作者提供信息，用户可观察 至4 接收到的a r i n c 4 2 9 总线数据以便进行判断；存储单元用来实现l i n u x 操作 系统内核、系统运行参数和系统数据存储功能。系统内存和f l a s h 的地址映 射，以及串口等连接方式都是参照三星公司的a r m 9s 3 c 2 4 1 0 核心版设计的， 由于多数系统支持此核心板，所以为以后操作系统和引导程序的移植提供了 便利。 f i g 3 1s y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a m 图3 1 系统硬件整体架构示意图 西华大学硕士学位论文 3 1主控制单元与数据存储单元 主控制单元与数据存储单元统一集成为系统核心板，负责接收到并转换完 毕的总线信号，进行数据处理，并将数据发送给人机交互单元以便操作者可以 进行监控和检测。本系统的核心板是以s a m s u n 6 公司的$ 3 c 2 4 1 0a r m 9 芯片为整个 核心的，主频可达到2 6 6 删z ，外部输出频率也能达到i o o m h z ，是一款主要应用 于开发手持设备的a r m 处理器。其外部扩展6 4 m 的n a n df l a s h 作为程序存储器， 用来存储a r ml i n u x 操作系统以及应用程序，扩展6 4 m 的s d r a m 作为系统的内存， 并且2 m 的n o rf l a s h 运行启动代码。同时利用该芯片丰富的外设接口，可以方 便的进行外部设备的扩展，本系统可以扩展s d 卡接口，可以用来将采集到的数 据保存到容量为l g 的s d 卡中，从而实现了大容量存储；可以用u s b 接口用来与上 位机通信，实现巡检任务的下达以及数据的回收；另外，s 3 c 2 4 1 0 内部还集成了 l c d 控制器，本系统在此基础上外接6 5 5 2 6 色3 2 0 x 2 4 0 分辨率的3 5 英寸的l c d ( 带 触摸屏) ，为友好的图形界面作好了硬件基础。 系统核心板是系统的心脏，由a r m 处理器，s d r a m ，f l a s h 3 部分组成： ( 1 ) 处理器：$ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核， 采用0 1 8 u m 带i j 造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o e ，r t c ，8 路1 0 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c b u s 接口，i i s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。$ 3 c 2 4 1 0 芯片集成大量的功能单元，包括： 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部i 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h e ，1 6 k b 指 令c a c h e ，m m u 。 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 l c d 控制器，一个l c d 专业d m a 。 4 个带外部请求线的d m a 。 3 个通用异步串行端口( i r d a i 0 ，1 6 一b y t et xf i f oa n d1 6 一b y t er x f i f o ) ，2 通道s p i 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器。 西华大学硕十学位论文 s d 主接口版本1 o 和多媒体卡协议版本2 1 1 兼容。 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 4 个p w m 定时器和一个内部定时器。 看门狗定时器。 1 1 7 个通用i o 。 5 6 个中断源。 2 4 个外部中断。 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口。 带日历功能的实时时钟。 芯片内置p l l 。 设计用于手持设备和通用嵌入式系统。 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集。 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 。 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了 对主存储器带宽和性能的影响。 a r m 9 2 0 tc p u 核支持a r m 调试的体系结构。 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 。 小端大端支持 地址空间：每个b a n k l 2 8 m b ( 全部为1 g b ) 。 每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线。 b a n k o 到b a n k 6 为固定起始地址。 b a n k 7 可编程b a n k 起始地址和大小。 一共8 个存储器b a n k 。 前6 个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 和其它。 两个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 、和s d r a m ( 同步随机存储器) 。 支持等待信号用以扩展总线周期。 支持s d r a m 掉电模式下的自刷新。 支持不同类型的r o m 用于启动( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 和其它) 。 ( 2 ) n a n of l a s h ：引导程序和嵌入式操作系统内核存储在n a n of l a s h 上，选择 1 3 西华大学硕士学位论文 容量为6 4 m ，还有足够的空间来存储数据和用户应用程序。 ( 3 ) s d r a m ：s d r a m 用来运行操作系统和应用程序，并作为运行中数据的 缓存，它很好的配合处理器会提高系统的性能。 ( 4 ) n o rf l a s h ：n o rf l a s h 的读取和我们常见的s d r a m 的读取是一样， 用户可以直接运行装载在n o rf l a s h 里面的代码，这样可以减少s r a m 的 容量从而节约了成本，主要来运行启动代码。 3 2 数据接收单元 由a r i n c 4 2 9 总线接口芯片h s 3 2 8 2 构成的数据接收器实现了a r i n c 4 2 9 信 号的接收和双极性归零码到单极性非归零码的转换，完成发送时得数据缓存 和并行、串行的相互转换。在整个系统电路中起到了重要的作用，为主控单 元发送了c p u 可以识别的信号。 h s 3 2 8 2 是美国i n t e r s i l 公司生产的高性能a r i n c 4 2 9 总线接口芯片，该 集成芯片可同众多的微型电子计算机接口，接口简单、控制灵活、可靠性好， 克服了以往用分离元件实现a r i n c4 2 9 信息传输带来的电路复杂、性能较差 等缺点。外接驱动芯片h s 3 1 8 2 便可产生a r i n c 4 2 9 电平，可通过编程设置为 3 2 位字长或2 5 位字长；还可通过编程使它工作在1 0 0k b i t s 或 1 2 5 k b i t s h s 3 2 8 2 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a r i n c 4 2 9 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( f i f o ) 存储器和定时器组成，f i f o 存储器用于保存串行传输的8 个数据位，定时器按a r i n c 4 2 9 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c l k ， 允许h s 3 2 8 2 工作速率从o - - l o o k b i t s ，从而使器件的通用性更强。该芯片为 单电源5v 供电，功耗低，工作温度范围符合军用标准。图3 2 为h s 3 2 8 2 内 部结构框图。 1 4 两华大学硕士学位论文 y 4 2 翻d ) ( ) 4 2 9 0 ! 日b ) 4 2 9 dj 1 ( ) 2 口d 1 2 佃 d i 冀1 d i 也 $ e l 翻1 鼬 目d 5 1 4 b b ，3 0 0 1 2 1 f ”o 啪 嘲 曩7 的 f i g 3 2p i nh s 3 2 8 2 图3 2h s 3 2 8 2 引脚排列图 f i g 3 3i n t e r n a ls t r u c t u r ed i a g r a mo fi t s 3 2 8 2 图3 3h s 3 2 8 2 内部结构框图 1 5 l蓄姒一一一一一一蕊耵一一一姗 两华大学硕士学位论文 由于a r i n c 4 2 9 总线的数据宽度为3 2 位，而h s 3 2 8 2 的数据位宽为1 6 位， 因此用了两个字w o r d l 、w o r d 2 与c p u 交换收发的3 2 位a r i n c 4 2 9 总线 上的数据，其数据的对应关系如表1 和表2 所示： f i g 3 4d a t ar e l a t i o n s h i pb e t w e e nw o