摘要：針對基于LXI儀器總線的1553B通訊模塊開發(fā)需求，提出了一種基于SOPC的1553B總線通訊解決方法。以SOPC技術為支撐，在一塊FPGA上嵌入NiosⅡ軟核處理器、以太網(wǎng)控制組件、1553B控制組件和RAM模塊；通過移植嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OSⅡ和LwIP協(xié)議，實現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議和1553B總線協(xié)議；最后開發(fā)了模塊的儀器驅動程序。本文設計方法開發(fā)難度低，設計模塊體積小、便于升級，具有較強的工程應用和經(jīng)濟價值。
關鍵詞：可編程片上系統(tǒng)；LXI總線；1553B總線；嵌入式實時操作系統(tǒng)
自2005年9月LXI總線推出以來，已經(jīng)顯示出其組建測試系統(tǒng)的眾多優(yōu)點?；贚XI總線組建測試系統(tǒng)具有易于使用、靈活性高、模塊化和可擴縮性、實現(xiàn)更快的系統(tǒng)吞吐率、可分布式應用、長壽命、低成本、通過IEEE1588時鐘同步、機架空間小、合成儀器等諸多優(yōu)點。
1553B總線的全名為“時分制指令／響應式多路傳輸數(shù)據(jù)總線”，國內(nèi)多型戰(zhàn)斗機、軍艦等武器平臺都采用其作為傳輸總線。因此研制基于LXI總線的1553B通訊模塊，不僅能滿足多型武器裝備對1553B總線的測試需求，也對LXI總線在國內(nèi)的研究和應用有推動作用。
1 模塊總體方案
模塊基本設計指標為：滿足LXI規(guī)范C類儀器標準；支持DHCP、自動配置IP地址和手動配置IP地址；支持ICMP協(xié)議、TCP／IP協(xié)議和UDP協(xié)議；同步采用網(wǎng)絡命令方式；能完成1553B在BC模式下的所有功能。
根據(jù)指標要求采用基于SOPC的32位處理器+實時多任務操作系統(tǒng)(Real Time Operation System，RTOS)總體方案，在一塊FPGA芯片上集成了控制器和邏輯單元，既降低了開發(fā)的難度、減少了模塊體積，也易于以后的升級。32位處理器有足夠的資源可以擴充利用，RAM和ROM可以做的足夠大，整個TCP／IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里面去，甚至可以嵌入一個帶TCP／IP協(xié)議族的操作系統(tǒng)。
2 基于SOPC的硬件設計與開發(fā)
片上可編程系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SOPC)將處理器、存儲器、I／O口、LVDS和CDR等系統(tǒng)設計需要的功能模塊集成到一個PLD器件上構建成一個可編程的片上系統(tǒng)，是一種靈活高效的SOC解決方案。SOPC結合了SOC和可編程邏輯器件各自的優(yōu)點，具有靈活的設計方式、可剪裁、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，成為SOC設計的新趨勢。
2．1 模塊硬件架構
模塊硬件主要由NiosII軟核處理器、以太網(wǎng)組件、1553B總線組件、存儲器、片內(nèi)RAM、通用I／O接口和調(diào)試配置模塊7部分組成，架構示意如圖1所示。
1)NiosII軟核處理器：模塊的CPU，負責系統(tǒng)工作調(diào)度。在其內(nèi)部移植了μC／OSII實時操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議；它接受客戶端通過以太網(wǎng)發(fā)送過來的請求，經(jīng)解析后回復Web界面或控制1553B功能接口；2)以太網(wǎng)組件(DM9000A)：完成對以太網(wǎng)控制器的操作，將網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)控制器送到網(wǎng)際層，由NioslI軟核處理器內(nèi)的LwIP協(xié)議處理；或者將網(wǎng)際層送來的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)接口發(fā)送出去：3)1553B總線組件(BU-61580)：受NiosllI軟核處理器控制，完成在BC模式下各類消息和命令的發(fā)送及狀態(tài)的讀?。?)Flash存儲器：主要用來存儲模塊的一些固定參數(shù)和靜態(tài)Web界面；5)片內(nèi)RAM：RAM是在FPGA剩余邏輯中用Quartusll內(nèi)所帶的MegaWizard管理器生成的，這樣就不需要外加RAM芯片。片內(nèi)RAM主要是用來存儲程序運行過程中所接收和產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)；6)通用I／O接口：用來完成對LED或按鍵的控制；7)JTAG調(diào)試模塊和EPCS配置模塊：J1TAG模塊用來完成對程序的調(diào)試工作。配置是對FPGA的內(nèi)容進行編程的過程，每次上電后都需要配置，EPCS配置模塊允許NioslI訪問EPCS串行配置器件。
具體開發(fā)主要有3部分工作：1)NiosII軟核處理器及其外設的設計。2)自定義宏功能模塊RAM的開發(fā)，這部分工作在QuartuslI軟件中完成；3)應用軟件程序的編寫，在NiosIIIDE軟件開發(fā)環(huán)境中完成。
2．2 模塊硬件設計
SOPC Builder是Altera公司為用戶自定義系統(tǒng)而開發(fā)的工具。用戶使用SOPC Builder可以將IP核、存儲器、接口、微處理器和自定義組件等復雜系統(tǒng)組件簡單又快速的集成到Ahera高密度FPGA芯片上。按照模塊硬件系統(tǒng)的要求，借助SOPC Builder生成的模塊硬件結構，包括：32位標準NiosII軟核處理器：cpu；JTAG調(diào)試接口：jtag-debug-module；外部SDRAM存儲器接口：sdram；Avalon三態(tài)橋：tri_state_brid ge；EPCS串行閃存控制器：EPCS_controller；外部FLASH存儲器接口：cfi_flash；定時／計數(shù)器：time0／timel；以太網(wǎng)接口：dm9000a；1553B接口：bu61580；LED接口：led；64KRAM接口：RAM；按鍵接口：key；系統(tǒng)識別模塊：sysid。
2．3 宏功能模塊RAM生成
CycloneII器件內(nèi)部的RAM塊只有M4K一種，可用來實現(xiàn)真正的雙端口、簡單雙端口和單端口的RAM，可以支持移位寄存器和ROM方式。用QuartusII內(nèi)所帶的MegaWizard管理器來生成RAM，首先運行MegaWizard管理器選擇“創(chuàng)建一個新的宏功能”，在出現(xiàn)的對話框內(nèi)選擇Insta lled Plug-Ins下的memory compiler下的RAM：1-PORT，如圖3所示。
在接下來的各頁中選擇如下參數(shù)：數(shù)據(jù)線寬度16位；存儲64個字；自動單時鐘驅動；選擇生成*．v，*.bsf，*_inst．v，*_bb．v，*_waveforms．html 5個文件。其他參數(shù)默認即可。
2．4 以太網(wǎng)接口設計
以太網(wǎng)控制器選用DM9000A，芯片為48管腳的LQFP封裝，支持處理器接口以字節(jié)／字模式的I／O命令操作內(nèi)部存儲器數(shù)據(jù)，集成10／100M帶有AUTO-MDIX的接收器，支持用于全雙工流控制的IEEE802．3x標準，提供IP／TCP／UDP校驗和生成以及校驗過程，可選的EEPROM配置。
DM9000A與控制器和RJ45連接器的連接如圖4所示。DM9000A與控制器有兩種數(shù)據(jù)總線寬度的連接方式，即8位／16位模式，論文選用16位操作模式。DM9000A通過TX+、TX-、RX+和RX- 4條線與自帶隔離變壓器的RJ45轉換器相連。RESET引腳為DM9000A的復位引腳，低電平有效；X1外接25 Hz時鐘頻率。
2．5 1553B接口設計
BU-61580與控制器的接口形式非常靈活，本文根據(jù)需求和資源情況選擇16位緩沖連接方式。為了提高本模塊的抗干擾性，論文采用變壓器耦合方式。BU-61580的外圍電路連接圖如圖5所示。
3 模塊軟件設計與開發(fā)
3．1 軟件結構設計
軟件結構層次由NiosII處理器系統(tǒng)硬件、設備驅動程序、HAL API、μC／OSII、LwIP協(xié)議棧、系統(tǒng)初始化和應用程序7部分組成，如圖6所示。
1)NiosII處理器系統(tǒng)硬件：模型的核心，包括在FPGA中實現(xiàn)的NiosII軟核處理器和硬件外設；2)設備驅動程序：管理以太網(wǎng)、1553B組件和其它外設的軟件函數(shù)；3)HAL API：硬件抽象層應用程序接口，對設備驅動程序提供標準化的接口，對外層提供類似于POSIX的API；4)μC ／OSII：實時操作系統(tǒng)層，為LwIP協(xié)議棧、1553B任務和嵌入式Web任務提供多任務和任務間通訊服務；5)LwIP協(xié)議棧：通過套接字API為應用程序和應用系統(tǒng)初始化提供網(wǎng)絡服務；6)系統(tǒng)初始化：包括μC／OSII、LwIP協(xié)議棧和1553B組件初始化函數(shù)，也包括所有應用程序的任務、信號量、隊列和事件性標志等實時操作系統(tǒng)任務間通訊資源的創(chuàng)建；7)應用程序：最外一層是建立的各項應用任務。
應用程序工作過程如下：首先進行系統(tǒng)初始化，然后進入工作等待狀態(tài)。以太網(wǎng)任務等待客戶端通過以太網(wǎng)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，當有數(shù)包到達時，經(jīng)物理層處理后交于TCP／IP層處理。在TCP／IP協(xié)議層之上，建立了3個套接字接口來偵聽套接字連接：嵌入式Web端口、PING端口和1553B端口。對于1553B任務，根據(jù)客戶端不同的請求，將啟動不同的任務來完成相應的數(shù)據(jù)命令的發(fā)送或狀態(tài)的讀取。
3．2 基于μC／OSII的LwIP協(xié)議實現(xiàn)
輕量型IP(Light Weight IP，LwIP)協(xié)議是用于嵌入式系統(tǒng)開放源代碼的TCP／IP協(xié)議棧。LwIP在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。
LwIP協(xié)議棧在設計時就考慮了移植問題，把所有與硬件、OS和編譯器相關的部分獨立了出來，因此LwIP在μC／OSII上移植只需修改目錄下的文件即可。
3．3 1553B總線協(xié)議任務的實現(xiàn)
為方便對BU-61580芯片操作，開發(fā)了BU-61580的驅動程序。驅動程序包括BU-61580芯片的初始化函數(shù)、BC發(fā)送接收命令函數(shù)、BC發(fā)送發(fā)送命令函數(shù)、BC發(fā)送接收／發(fā)送命令函數(shù)、BC發(fā)送不帶數(shù)據(jù)字的方式命令函數(shù)和BC發(fā)送帶數(shù)據(jù)字的方式命令函數(shù)。
參考嵌入式Web服務器的實現(xiàn)方式，基于LwIP和μC／OSII建立了端口號為8000的1553B套字接口任務，流程如圖7所示。
首先建立1553B任務接口守護進程，創(chuàng)建TCP套接字，綁定端口，將TCP套接字轉換成偵聽套接字，進入循環(huán)結構，等待接受用戶的連接請求。當有客戶端請求連接端口8000時，調(diào)用套接字數(shù)據(jù)接收函數(shù)recv()將客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取過來，將數(shù)據(jù)映射到定義的結構體變量alt_avalon_BU61580*bdev上；用請求解析函數(shù)int 1553B_request(alt_avalon BU61580*bdev)根據(jù)messagemode判斷需要采取什么操作方式：然后BU-61580的發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)將數(shù)據(jù)內(nèi)容寫到相應的寄存器或存儲器內(nèi)，啟動BC發(fā)送；如果調(diào)用讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，則將存儲器或寄存器地址傳遞給讀取函數(shù)，將讀取到的數(shù)據(jù)調(diào)用函數(shù)int 1553B_transmit(&bdev[i]，i)經(jīng)以太網(wǎng)打包后發(fā)送給客戶端。
4 儀器驅動程序開發(fā)
儀器驅動程序是介于上層用戶應用程序和底層儀器硬件之間的一組函數(shù)，用戶在開發(fā)上層應用程序時，可以調(diào)用這些基本動作函數(shù)來使用儀器，而無須與底層硬件通訊。
參閱VPP規(guī)范，模塊提供了基于VISA函數(shù)的儀器驅動程序。通過調(diào)用VISA函數(shù)，向模塊發(fā)送命令來完成模塊的功能。開發(fā)環(huán)境為LabWindo ws／CVI，而選用Agilent VISA作為VISA函數(shù)庫，主要是考慮Agilent是LxI總線的發(fā)起者，而且其提供的Agilent I／O Libraries封裝了許多關于LxI的功能。VISA函數(shù)所用的LxI儀器描述符有兩種：
1)對于VXI-11規(guī)范為：TCPIPO：：192．168．4．10：：instO：：INSTR；
2)對于Sockets接口為：TCPIPO：：192．168．4．10：：8000：：SOCKET。
其中192．168．4．10為模塊地址(非固定)，8000為1553B接口任務的端口號。開發(fā)的驅動程序以動態(tài)鏈接庫形式提供給上層應用程序使用。
儀器驅動程的開發(fā)步驟、驅動函數(shù)原形以及發(fā)送的具體命令本文不再贅述。具體的驅動程序函數(shù)及其功能如下：
系統(tǒng)函數(shù)：
5 結論
針對基于LxI總線的1553B模塊開發(fā)需求，本文提出了一種利用SOPC技術實現(xiàn)LxI總線到1553B總線通訊的硬件解決方法。在NioslI軟核處理器上移植了μC／OSII嵌入式實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議；開發(fā)了以太網(wǎng)和1553B自定義組件，并開發(fā)了其相應的DM9000A和BU-61580驅動程序；最終開發(fā)了儀器的驅動函數(shù)為便于模塊工程應用。
文中設計方法降低了儀器的開發(fā)難度，減少了模塊體積，同時也便于模塊的升級，具有良好的工程應用和經(jīng)濟價值。
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