一種機(jī)載TM總線接口設(shè)計(jì)

摘要：在研發(fā)第四代戰(zhàn)機(jī)過程中，TM總線成為機(jī)載航空總線的研究熱點(diǎn)之一。提出一種利用EDA技術(shù)的TM總線接口設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)方面通過對(duì)TM總線協(xié)議的分析，采用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)了主／從一體化TM總線控制器，并對(duì)TM總線控制結(jié)構(gòu)和接口狀態(tài)機(jī)運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了描述。軟件部分實(shí)現(xiàn)了USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)和固件開發(fā)。
關(guān)鍵詞：機(jī)載計(jì)算機(jī)；測(cè)試維護(hù)總線；總線控制器；USB；固件

    航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)上的一個(gè)重要系統(tǒng)，它決定著飛機(jī)的作戰(zhàn)性能。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，作戰(zhàn)環(huán)境的變化，技術(shù)的進(jìn)步與需求的改變，使航空電子技術(shù)不斷出新，航空電子技術(shù)的進(jìn)步也極大地提高了飛機(jī)的作戰(zhàn)性能。飛機(jī)功能的不斷增強(qiáng)，使得F-22／F-35等先進(jìn)飛機(jī)航電設(shè)備的成本也直線上升。為了使飛機(jī)的造價(jià)與壽命成正比，只有提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。當(dāng)飛機(jī)具有良好的可維護(hù)性時(shí)，系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用、維護(hù)難度和全壽命周期費(fèi)用才能得到降低，軍機(jī)戰(zhàn)斗力和快速反應(yīng)能力才能得到提高。

1 TM總線概述
    TM(Test and Maintenance，測(cè)試與維護(hù))總線是用于電子設(shè)備的子系統(tǒng)和模塊的測(cè)試、診斷與維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)底板總線，是針對(duì)模塊和子系統(tǒng)而提出的一項(xiàng)新的檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于以F-22為代表的第四代飛機(jī)中。現(xiàn)提出一種TM總線的接口設(shè)計(jì)。
    TM總線采用主從式工作方式，系統(tǒng)中存在一個(gè)TM總線主設(shè)備和多個(gè)TM總線從設(shè)備，從設(shè)備在主設(shè)備的命令下工作。本文的設(shè)計(jì)主要是從測(cè)試數(shù)據(jù)角度出發(fā)，測(cè)試數(shù)據(jù)通過主／從模塊的控制器經(jīng)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、采集、處理后，送入計(jì)算機(jī)。各模塊通過TM總線控制器掛接到TM總線上，圖1為總體設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括總線控制器、USB接口平臺(tái)及PC連接幾個(gè)部分，本文將介紹TIU(傳輸接口單元)通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    由圖2可知，硬件總體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸可分為以下兩大塊：
    (1)在USB接口接收從TIU傳送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解析，把數(shù)據(jù)解釋成有實(shí)際意義的參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)的顯示畫面上。
    (2)從PC機(jī)來的數(shù)據(jù)，通過USB接口，發(fā)往TIU。
2．2 TIU設(shè)計(jì)
    在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中，TM總線主／從模塊上都有一個(gè)TIU，其基本功能是完成TM總線協(xié)議及實(shí)現(xiàn)主從模塊間的數(shù)據(jù)通信。
2．2．1 TIU詳細(xì)設(shè)計(jì)
    在TM-BUS控制器的研制中，主／從TM-BUS控制器實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，通過控制使TIU工作在主／從兩種模式下，主方式下的TIU發(fā)送命令，從方式下的TIU接收并執(zhí)行命令。TIU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2．2．2 TIU的設(shè)計(jì)原理
    從數(shù)據(jù)信號(hào)流程方面來說：接收數(shù)據(jù)時(shí)，TM總線上的輸入信號(hào)經(jīng)過譯碼轉(zhuǎn)換進(jìn)入寄存器，在這里完成數(shù)據(jù)串/并格式轉(zhuǎn)換，進(jìn)行奇偶校驗(yàn)檢查，檢查后如果正確，則通過地址比較邏輯，進(jìn)行命令譯碼，按照所給出的命令送入所定義的不同作用的寄存器中。
    TIU執(zhí)行控制命令的過程如下：TIU鏈路層狀態(tài)機(jī)控制命令的接收，核心狀態(tài)機(jī)執(zhí)行該命令，并把待傳送的應(yīng)答傳送至移位寄存器中，再由TIU鏈路層狀態(tài)機(jī)控制應(yīng)答傳送。由軟件實(shí)現(xiàn)的命令其執(zhí)行過程是核心狀態(tài)機(jī)將該命令傳送至輸入接口緩沖器并產(chǎn)生中斷信號(hào)，模塊中的CPU響應(yīng)中斷，從輸入接口緩沖器中讀取命令，進(jìn)行測(cè)試操作和模塊維護(hù)操作，并把結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器或輸入緩沖器，然后TM總線主控制器取走該測(cè)試結(jié)果。
2．3 TM總線狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
    TM總線協(xié)議規(guī)定其鏈路層狀態(tài)機(jī)分為主從兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，由于TIU不存在同時(shí)既做主又做從的工作模式，因此可以把主／從兩個(gè)狀態(tài)機(jī)合為一個(gè)。通過控制使TIU工作在主／從兩種模式下，主方式下的TIU發(fā)送命令，從方式的TIU接收并執(zhí)行命令。圖4為主狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

    在TM-BUS主狀態(tài)機(jī)狀態(tài)標(biāo)記中，最后兩位表示在該狀態(tài)下MCTL和MMD的值，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件由狀態(tài)變量M1，M2，M3表示。圖4中所標(biāo)的轉(zhuǎn)換條件為[M1，M2，M3]取值。
    POWERUP2_00為上電后或復(fù)位后的狀態(tài)；XFERl6_1X～XFER00_1X為數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)；WAIT_00為出錯(cuò)狀態(tài)，該狀態(tài)結(jié)束的條件是MCTL與MMD發(fā)生傳輸沖突消失且消息傳送結(jié)束；在PAUSE_01狀態(tài)下插入等待；EOM_00為消息傳送的起始和結(jié)束狀態(tài)。主／從兩個(gè)狀態(tài)機(jī)合為一個(gè)狀態(tài)機(jī)后，MCS和主權(quán)控制狀態(tài)機(jī)控制作何種狀態(tài)機(jī)運(yùn)行[M1，M2，M3]控制主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換由MCTL和MMD控制。
2.4 USB接口設(shè)計(jì)
   USB接口芯片采用了ISP1581。ISP1581是Phil-lps 公司提 不應(yīng)求的高速USB接口芯片，符合USB2．0規(guī)范。它的內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、并行接口引擎(PIE)、FIFO存儲(chǔ)器(8 KB)、存儲(chǔ)管理單元(MMU)、微控制器接口和DMA(直接內(nèi)存訪問)管理器。外部電路接口簡(jiǎn)單，因ISP1581內(nèi)部不帶有微控制器，需外接。本文的微控制器采用AT89C52單片機(jī)。USB硬件模塊主要包括ISP1581，AT89C52，總體框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    ISP1581通過16位數(shù)據(jù)總線與FPGA相連，AT89C52負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的DMA傳輸。ISP1581與微控制器的通信通過一個(gè)高速(15 MB／s或15 Mword／s)的通用并行接口AD[7:O]實(shí)現(xiàn)，并具有高速DMA接口。
2．4．1 USB接收數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)
    本文采用的USB器件是帶有DMA控制器的ISP1581，為了簡(jiǎn)化電路，采用ISP1581的DMA主控制器方式。如圖6所示，當(dāng)FPGA的FIFO滿標(biāo)志為1時(shí)，單片機(jī)給ISP1581發(fā)送請(qǐng)求有效信號(hào)、寫信號(hào)和寫周期信號(hào)，給FIFO發(fā)送讀請(qǐng)求信號(hào)和讀周期信號(hào)，當(dāng)讀出的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定的數(shù)目時(shí)，單片機(jī)把ISP1581請(qǐng)求信號(hào)設(shè)置為無效，等待下一組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2．4．2 讀數(shù)據(jù)和并／串轉(zhuǎn)換
    單片機(jī)把接收的控制信號(hào)通過DMA傳輸通道把數(shù)據(jù)傳到FIFO中，其DMA傳輸過程和圖6相似，只要把DIOW改成DIOR，把rdreq改成wreq就可以了，然后通過FPGA的內(nèi)部邏輯取出16位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 USB固件(Firmware)程序開發(fā)
    固件其實(shí)就是單片機(jī)的程序文件，主要完成設(shè)備初始化、USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理以及其他應(yīng)用程序。一般來說，固件程序的軟件結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為基于中斷的分層結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

    在固件程序中，后臺(tái)的中斷服務(wù)例程(ISR)負(fù)責(zé)從ISP1581收集數(shù)據(jù)，當(dāng)ISR收集到了足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，通知前臺(tái)主程序循環(huán)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，由主程序循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。以的批量傳輸端點(diǎn)為例，當(dāng)從主機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，就會(huì)向?yàn)榭刂破鳟a(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，微控制器立即響應(yīng)中斷。在中斷服務(wù)例程中，固件程序?qū)?shù)據(jù)包從內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零以使該端點(diǎn)可以接收新的數(shù)據(jù)包，這時(shí)微控制器可以繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前更為緊急或者還未處理完的任務(wù)，例如讀取采集數(shù)據(jù)，然后返回到主循環(huán)中檢查循環(huán)緩沖區(qū)是否有新的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。
3．2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
   驅(qū)動(dòng)程序的基本功能是建立應(yīng)用程序與USB接口之間的數(shù)據(jù)通訊。本設(shè)計(jì)采用Driver Works開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序。
    應(yīng)用程序可以利用Win32API直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。讀操作是從應(yīng)用程序調(diào)用Win32API函數(shù)的ReadFile開始的。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用ReadFile函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)通過ntdll.dll調(diào)用ntreadfile向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送一個(gè)IRP，驅(qū)動(dòng)程序接收到該IRP后，開辟用以接收數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)，判斷所讀數(shù)據(jù)是否大于端點(diǎn)的最大信息包規(guī)格(Maxsize)，如果所讀數(shù)據(jù)大于端點(diǎn)的最大信息包規(guī)格，則此次只能讀取Maxsize個(gè)字節(jié)，這樣就會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。因此，固件程序應(yīng)避免發(fā)送大于端點(diǎn)Maxs- ize的信息包，然后建立相應(yīng)端點(diǎn)的URB并向下層驅(qū)動(dòng)提交該URB，此時(shí)I／O管理器執(zhí)行Read，把設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)內(nèi)。具體過程如圖8所示。

4 結(jié) 語
    本文對(duì)TM-BUS技術(shù)在四代機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，運(yùn)用VHDL語言、FPGA、USB等技術(shù)，設(shè)計(jì)了TM-BUS接口板。在對(duì)TM-BUS控制協(xié)議分析的基礎(chǔ)上，基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了TM總線協(xié)議，利用USB芯片ISP158l實(shí)現(xiàn)接口電路與上位機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)編寫了USB設(shè)備端的固件程序和PC機(jī)端的USB的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。通過試驗(yàn)得出結(jié)論：

    (1)TM總線技術(shù)為綜合航空電子系統(tǒng)可測(cè)試性的發(fā)展提供了必要的技術(shù)途徑；
    (2)基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的TM-BUS協(xié)議芯片，可有效實(shí)現(xiàn)總線各項(xiàng)控制功能。
    對(duì)于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，初始階段可能會(huì)存在功能上的不足，這些會(huì)逐步得到改正，因而本設(shè)計(jì)有提高和升級(jí)的空間。