基于SOPC 的1553B 總線接口邏輯設(shè)計(jì)

　　摘要:針對(duì)1553B 總線協(xié)議控制器基本依賴于進(jìn)口專用芯片現(xiàn)狀，提出了以Xilinx 公司Virtex-II Pro FPGA 為核心實(shí)現(xiàn)1553B 總線接口邏輯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用SOPC 技術(shù)，將PowerPC 405 硬核處理器與總線接口邏輯集成在一片F(xiàn)PGA 上，從而使系統(tǒng)集成度高、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性強(qiáng)。通過(guò)測(cè)試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足1553B 總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　1 引言

　　數(shù)據(jù)總線是飛機(jī)航電系統(tǒng)中首先運(yùn)用的數(shù)字電子設(shè)備之一，MIL-STD-1553B 就是其典型代表，它利用一條屏蔽的雙絞線進(jìn)行帶有時(shí)鐘信息的數(shù)據(jù)傳輸。1553B 具有高可靠性的特點(diǎn)，它已經(jīng)成為我國(guó)航空航天領(lǐng)域廣泛采用的軍用總線標(biāo)準(zhǔn)。由于1553B 總線協(xié)議控制器基本依賴于進(jìn)口的專用芯片，價(jià)格昂貴，還受到限制，并且這些芯片需要很多外圍的硬件電路配合工作，如果完成整個(gè)總線接口板的設(shè)計(jì)，還需要單獨(dú)的MCU，集成度不高，這樣就在某種程度上限制了設(shè)計(jì)能力。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)(System on aProgrammable Chip,SOPC)技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。本文采用SOPC 技術(shù)，以Xilinx 公司的Virtex-II Pro FPGA 為核心，實(shí)現(xiàn)1553B 總線傳輸協(xié)議的接口邏輯設(shè)計(jì)。

　　2 1553B 數(shù)據(jù)總線傳輸協(xié)議簡(jiǎn)介

　　現(xiàn)在廣泛采用的 1553B 標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)1973 年軍標(biāo)1553 原版基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。1553B是一種集中控制式、飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分指令/響應(yīng)型多路串行數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性和靈活性，已經(jīng)成為現(xiàn)代航空機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船等武器平臺(tái)上。1553B 數(shù)據(jù)總線的傳輸速率為1Mbps，協(xié)議規(guī)定3 種字：命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。字的長(zhǎng)度為20 個(gè)bit，且由3 部分組成：同步頭(3bit),消息塊(16bit)和奇偶位(1bit)。信息量最大長(zhǎng)度為32 個(gè)字?？偩€系統(tǒng)由一個(gè)總線控制器(BC)與不多于31 個(gè)的遠(yuǎn)程終端(RT)組成，有時(shí)系統(tǒng)中還可以加入總線.(MT)，由于終端類型的不同，可辨別出命令字和狀態(tài)字，命令字由BC 發(fā)出，而狀態(tài)字則由RT 發(fā)出?？偩€上傳輸?shù)男畔⒏袷街饕蠦C 到RT，RT到BC，RT 到RT，廣播方式和系統(tǒng)控制方式。

　　3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

　　系統(tǒng)采用 Xilinx 公司的Virtex-II Pro XC2VP30 FPGA 為核心，其內(nèi)部帶有2 個(gè)PowerPC405 處理器核?？偩€接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)是基于Xilinx Virtex-II Pro 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)的，Virtex-II Pro開(kāi)發(fā)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以快速的搭建1553B 總線實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由Virtex-II Pro 開(kāi)發(fā)板、總線轉(zhuǎn)換器、總線終端設(shè)備和PC 機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，為了提高開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)系統(tǒng)主要驗(yàn)證的就是1553B 總線協(xié)議模塊，因此可以充分利用Xilinx 公司的Virtex-II Pro 開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板上具有豐富的資源，主要包括：XC2VP30 芯片、SDRAM(可以擴(kuò)展到2GB)、高速SelectMAP FPGA 配置PROM、RS232 串口、嵌入平臺(tái)的USB 配置端口、高速系統(tǒng)擴(kuò)展接口(與FPGA 的I/O 管腳相連)并可選擇差分或單端模式、PS2 接口、AC97 音頻接口、板上10/100M 以太網(wǎng)設(shè)備等等。這些豐富的板上資源為1553B 總線協(xié)議邏輯的開(kāi)發(fā)提供了支持。

　　1553B 總線協(xié)議開(kāi)發(fā)主要在FPGA 芯片中開(kāi)發(fā)，因此FPGA 本身性能的好壞將影響系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。XC2VP30 內(nèi)部具有兩個(gè)PowerPC 405 處理器核、13969 個(gè)Slices、分布式RAM 為428Kb、136 個(gè)乘法器單元、塊RAM 為2448Kb、8 個(gè)DCM、8 個(gè)多吉比特收發(fā)器。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)選用的FPGA 完全可以滿足1553B 總線邏輯開(kāi)發(fā)的需求?；赬ilinx 公司的Virtex-IIPro 開(kāi)發(fā)板搭建起來(lái)的1553B 總線開(kāi)發(fā)平臺(tái)共分為4 個(gè)部分。其中各部分的功能說(shuō)明如下：Virtex-II Pro 開(kāi)發(fā)板：主要完成與PC 機(jī)通信功能，接收或向總線終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成1553B 總線協(xié)議格式。

　　PC 機(jī)：系統(tǒng)通過(guò)PC 機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，如開(kāi)始、運(yùn)行、結(jié)束等命令都是通過(guò)PC 機(jī)由串口發(fā)送給開(kāi)發(fā)板。

　　總線終端設(shè)備：采用單片機(jī)作為總線終端設(shè)備的核心，它與 FPGA 采用8 位并行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。由總線終端設(shè)備向開(kāi)發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)1553B 總線協(xié)議模塊轉(zhuǎn)換成協(xié)議格式，同時(shí)1553B 總線協(xié)議模塊也可以接收來(lái)自總線的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成總線終端設(shè)備可以接收的數(shù)據(jù)格式，總線終端設(shè)備通過(guò)判斷發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)，可以確定

　　1553B 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的有效性。

　　總線轉(zhuǎn)換器：由于 1553B 總線上傳輸?shù)氖请p極性的差分信號(hào)，因此，開(kāi)發(fā)板在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)首先要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以及相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)，總線轉(zhuǎn)換器就是完成這部分功能的。

　　4 1553B 總線接口邏輯的SOPC 設(shè)計(jì)

　　SOPC 的開(kāi)發(fā)過(guò)程與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，可以分為硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)流程。Xilinx 公司的嵌入式開(kāi)發(fā)工具EDK(Embeded Development Kit)SOPC 開(kāi)發(fā)套件，可以進(jìn)行Power PC 硬核嵌入式微處理器的開(kāi)發(fā)工作，使用靈活方便，帶有豐富的IP 資源，是目前性能比較優(yōu)異的嵌入式微處理器開(kāi)發(fā)工具，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的為EDK8.2 版本。應(yīng)用EDK開(kāi)發(fā)SOPC 系統(tǒng)過(guò)程中可以與ISE(Integrated Software Environment)軟件配合使用，ISE 是Xilinx 公司FPGA/CPLD 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，該軟件環(huán)境集成了FPGA 的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程所用到的工具。在本文1553B 總線接口邏輯的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于1553B 的編碼、解碼等核心模塊，就是在ISE 環(huán)境下利用Verilog HDL 編寫(xiě)并調(diào)試通過(guò)，然后通過(guò)EDK 嵌入到系統(tǒng)當(dāng)中的。

　　4.1 編碼/解碼模塊

　　曼徹斯*編碼/解碼是1553B 總線接口重要的組成部分，曼徹斯*編解碼模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響總線接口的性能。系統(tǒng)編碼模塊完成的是曼徹斯*的編碼及解碼，并檢測(cè)錯(cuò)誤。它能夠接收具有有效同步字頭的曼徹斯*，并進(jìn)行譯碼，以及識(shí)別其類型和串并轉(zhuǎn)換、奇偶校驗(yàn)等；編碼模塊能將處理器輸出的并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯*編碼，再加上同步字頭及奇偶位，從而滿足符合1553B 標(biāo)準(zhǔn)的字進(jìn)行輸出。

　　曼徹斯*是一種廣泛應(yīng)用于航空電子綜合系統(tǒng)中的總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p極性碼。它在每個(gè)碼位中點(diǎn)存在一個(gè)跳變，1 信號(hào)是一個(gè)由1 到0 的負(fù)跳沿，而0 信號(hào)是由0 到1 的正跳沿。在MIL-STD-1553B 協(xié)議中其數(shù)據(jù)格式如圖2 所示。

　　在系統(tǒng)的編碼/解碼模塊設(shè)計(jì)中采用同步設(shè)計(jì)的方法，這樣，所有的觸發(fā)器都由一個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步。因此，可以很好的解決毛刺和一些競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)。

　　編碼模塊主要分為三個(gè)部分，分別為檢測(cè)編碼周期是否開(kāi)始并產(chǎn)生同步字頭、串并轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)位、對(duì)數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行編碼。下面給出了部分編碼模塊的源代碼：

　　always @(posedge enc_clk or negedge rst_n)//檢測(cè)編碼周期開(kāi)始,根據(jù)字型確定同步頭

　　begin

　　if (!rst_n)

　　sync_bits <= 6'b000_000 ;

　　else if (tx_csw)

　　sync_bits <= 6'b111_000 ;//當(dāng)寫(xiě)入命令字，同步頭為111000

　　else if (tx_dw)

　　sync_bits <= 6'b000_111 ;//當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)字，同步頭為000111

　　else

　　sync_bits <= sync_bits ;

　　end

　　解碼模塊也可以分為三個(gè)部分，分別為同步字頭檢測(cè)、數(shù)據(jù)解碼、串并轉(zhuǎn)換與奇偶校驗(yàn)。

　　這個(gè)過(guò)程與編碼模塊是類似的。

　　4.2 消息處理模塊

　　消息處理模塊主要是接收來(lái)自 PC 機(jī)的命令，并且將運(yùn)行結(jié)果上傳到PC 機(jī)。為了能夠快速完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，采用EDK 自帶的串口控制器IP Core。由于在Virtex-II Pro 開(kāi)發(fā)板上面已經(jīng)設(shè)計(jì)了與PC 機(jī)相連的RS232 串口，并且配有標(biāo)準(zhǔn)的DB-9 接口，因此只需要通過(guò)IPCore 16450-UART 控制器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC 機(jī)的消息處理功能。

　　4.3 PC 機(jī)和終端機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程是，通過(guò)PC 機(jī)上的應(yīng)用程序控制FPGA 是否開(kāi)始工作，如果FPGA開(kāi)始工作，則接收終端設(shè)備單片機(jī)發(fā)送來(lái)的并行數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)送往編碼模塊，編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)總線轉(zhuǎn)換器送到1553B 總線上，通過(guò)測(cè)試儀器接收分析。同時(shí)，F(xiàn)PGA 也可以接收來(lái)自總線上的數(shù)據(jù)，在解碼模塊的作用下，完成同步字頭檢測(cè)、數(shù)據(jù)解碼、串并轉(zhuǎn)換以及奇偶校驗(yàn)等處理，然后根據(jù)用戶邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并送給終端設(shè)備，終端設(shè)備接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并連同原始發(fā)送數(shù)據(jù)一起通過(guò)FPGA 上傳到PC機(jī)，以便對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行判斷與驗(yàn)證。對(duì)于PC 機(jī)程序在VC6.0 環(huán)境下采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)；終端設(shè)備單片機(jī)程序在Keil 編程環(huán)境，采用c51 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。由于PC 機(jī)和單片機(jī)程序只是為了驗(yàn)證基于SOPC 開(kāi)發(fā)的1553B 接口邏輯，不是本文論述重點(diǎn)，這里不過(guò)多贅述。

　　5 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

　　本文采用基于 SOPC 的設(shè)計(jì)方法，完成了MIL-STD-1553B .接口邏輯的開(kāi)發(fā)，并且通過(guò)儀器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。圖3 是通過(guò)Tektronix 公司的TDS3032B 型示波器測(cè)得的系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)波形。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠正確的接收和發(fā)送符合1553B 總線接口協(xié)議的數(shù)據(jù)，工作穩(wěn)定可靠。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將 SOPC 技術(shù)應(yīng)用于1553B 總線接口邏輯的開(kāi)發(fā)中，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，配置更靈活，易于擴(kuò)展，從而擺脫了1553B 總線控制器依賴于國(guó)外進(jìn)口芯片的束縛，具有良好的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。初步預(yù)測(cè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益約為300 萬(wàn)元。