基于DSP的1553B總線通訊檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)
MIL－STD－1553B總線協(xié)議已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)際公認(rèn)的數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于航空電子綜合系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的各種1553B總線采集卡，大多采用的是美國(guó)DDC公司生產(chǎn)的BU－6150接口芯片，但是該芯片價(jià)格比較昂貴，開發(fā)成本較高，另許多商家望而興嘆。本文介紹的基于DSP的1553B總線通訊模塊的設(shè)計(jì)，采用TI公司TMS320F206DSP芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，用FPGA進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)編程，降低了設(shè)計(jì)成本，滿足了1553B通訊模塊的開發(fā)需求。
1 TMS320F206的簡(jiǎn)介
該1553B總線通訊模塊的DSP采用TI公司的TMS320F206，用來(lái)實(shí)現(xiàn)1553B總線協(xié)議的主體部分，實(shí)現(xiàn)字和消息的處理等功能，TMS320F206是TI公司近年來(lái)推出的一種性價(jià)比較高的定點(diǎn)DSP芯片，采用靜態(tài)CMOS集成電路工藝制造而成，DSP芯片先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)，兩條總線可允許數(shù)據(jù)與指令的讀取同時(shí)進(jìn)行，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍；專用的指令集提供了功能強(qiáng)大的信號(hào)處理操作。TMS320F206主要特點(diǎn)如下：
（1）5V工作電壓，20MHz主頻時(shí)，指令周期50ns；3個(gè)外部引腳中斷；8級(jí)內(nèi)部硬件堆棧，存放調(diào)用/中斷返回地址；硬件等待；休眠的IDLE模式，低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1149.1仿真口。
（2）片內(nèi)64k程序空間，64k數(shù)據(jù)空間，64kI/O空間，32k全局存儲(chǔ)空間，片內(nèi)544×16b雙尋址RAM，32k×16b用戶可編程FLASH，作為程序空間，4k×16b單尋址RAM，程序空間和數(shù)據(jù)空間之前可以進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移。
（3）片內(nèi)16b定時(shí)器，片上軟等待產(chǎn)生器，可以分別為程序空間，數(shù)據(jù)空間，I/O空間產(chǎn)生0－7個(gè)等待，片上振蕩器和鎖相環(huán)有倍頻和分頻功能，32b算術(shù)邏輯單元/累加器，16×16b乘法器，全雙工異步串口UART，增強(qiáng)的同步串口，帶4級(jí)FIFO。
2 系統(tǒng)的組成框圖和工作原理
檢測(cè)儀采用單片機(jī)技術(shù)，可編程邏輯器件（FPGA）技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，結(jié)合1553B總線收發(fā)技術(shù)研制而成。既可以對(duì)單個(gè)航空電子設(shè)備進(jìn)行離線檢測(cè)，也可對(duì)飛機(jī)的整個(gè)總線的運(yùn)行和各個(gè)記載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行在線檢測(cè)。檢測(cè)儀整體采用個(gè)人數(shù)字助理（PDA）技術(shù)，數(shù)據(jù)輸入、輸出、處理、控制、顯示等均集中在檢測(cè)儀。
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
從數(shù)據(jù)信號(hào)流程方面：收數(shù)據(jù)時(shí)，外部數(shù)據(jù)送到收發(fā)器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后，成為一組20b的串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FPGA芯片EP20K200處理成16b并行數(shù)據(jù)經(jīng)擴(kuò)展口送到DSP處理，然后經(jīng)雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，需要顯示數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)CPU對(duì)雙口RAM送來(lái)的16b并行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲(chǔ)，按要求轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，二進(jìn)制或者工程單位制送顯示器顯示，發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將鍵盤輸入的數(shù)據(jù)按照十六進(jìn)制、二進(jìn)制或者工程單位制經(jīng)轉(zhuǎn)換后送雙口RAM緩存，DSP從雙口RAM讀入數(shù)據(jù)，預(yù)處理后送EP20K200，EP20K200再進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，輸出一組20b的串行數(shù)據(jù)到收發(fā)器，經(jīng)變壓耦合成符合1553B標(biāo)準(zhǔn)要求的串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)收發(fā)接口發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 接收器和發(fā)送器
1553B航空電子系統(tǒng)中，各終端設(shè)備與總線之間采用的是耦合的方式，分為變壓器耦合和直接耦合，采用的美國(guó)DDC公司的BU－63152芯片，具有兩個(gè)完全獨(dú)立的雙余度端口，完全滿足1553B總線收、發(fā)的要求，接收器操作模式下，在引腳STROMB控制下，數(shù)據(jù)被變成雙向的TTL電平，從RX DATA OUT和其非腳輸出到下一級(jí)譯碼電路，發(fā)送器操作模式下，在引腳INHIBIT控制下，發(fā)送器部分從編碼電路接收數(shù)據(jù)，發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。
3.2 FPGA模塊
將FPGA技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理DSP技術(shù)相結(jié)合是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中常用的方法，該模塊中的FPGA芯片接口主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）將總線上的串行信息流轉(zhuǎn)換成處理機(jī)可以處理的并行信息或者與之相反；
（2）接收或發(fā)送信息時(shí)，能夠識(shí)別或生成標(biāo)準(zhǔn)的1553B信息字和消息。
（3）完成與處理機(jī)之間的信息交換，包括1553B信息地址的分配，命令字（或狀態(tài)字）的譯碼或返回狀態(tài)字、發(fā)送數(shù)據(jù)字等。
用FPGA實(shí)現(xiàn)編解碼器，其基本功能與前面提到的BU－61580芯片相似，是該1553B總線檢測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)。
3.3 DSP模塊
TMS320F206是TI公司近年推出的一款設(shè)計(jì)成本最低，結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜度也較低的定點(diǎn)DSP，片內(nèi)32k FLASH，4.5k RAM可以滿足處理規(guī)模適中的任務(wù)，該檢測(cè)儀中DSP模塊的設(shè)計(jì)主要是對(duì)時(shí)鐘電路，中斷以及數(shù)據(jù)和地址總線的接口技術(shù)的把握，其主要接口電路如圖2所示。
由DSP接口電路圖可以看出，DSP模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供了時(shí)鐘電路，DSP芯片的中斷由EP20K200產(chǎn)生，一方面通知F206讀取數(shù)據(jù)，一方面通知DSP進(jìn)行錯(cuò)誤處理，由于DSP芯片的流水線操作方式，數(shù)字信號(hào)處理速度功能強(qiáng)大，滿足了1553B協(xié)議傳輸速率大的特點(diǎn)。
3.4 雙口RAM和顯示模塊
由于在高速數(shù)據(jù)處理和采集系統(tǒng)中容易造成數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象，高速數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ㄆ鹬匾淖饔?，該設(shè)計(jì)中采用的美國(guó)DDC公司的8k雙口靜態(tài)RAM IDT7025解決了數(shù)據(jù)堵塞的問(wèn)題。
在該設(shè)計(jì)中顯示模塊采用了一種內(nèi)存接顯示模塊的硬件連接方式。DSP將欲顯示的數(shù)據(jù)送入雙口RAM，51單片機(jī)不斷掃描內(nèi)存，根據(jù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理，不斷刷新顯示屏上的內(nèi)容，雙口RAM的BUSY信號(hào)線為避免左右端口同時(shí)對(duì)同一存儲(chǔ)單元寫操作提供了硬件支持。設(shè)計(jì)中液晶顯示模塊采用16×16點(diǎn)陣的中文顯示模塊。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該1553B航空電子總線檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)主要包括3大部分，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集板卡，完成對(duì)各寄存器的配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)檢測(cè)。
4.1 FPGA控制程序
該部分采用硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)行編程，用Synplify進(jìn)行綜合，以及采用Max＋Plus II進(jìn)行時(shí)序仿真，在FPGA上實(shí)現(xiàn)的MIL－STD－1553B總線接口中的曼徹斯特碼編碼、解碼器，該邏輯可由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，可劃分為4個(gè)狀態(tài)進(jìn)行；第1個(gè)狀態(tài)行是空閑狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)跳變沿時(shí)，進(jìn)入第2個(gè)狀態(tài)；第2個(gè)狀態(tài)為有效同步字頭檢測(cè)狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到有效同步字頭時(shí)，啟動(dòng)第3個(gè)狀態(tài)，用鎖相環(huán)分離時(shí)鐘，進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換；當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)進(jìn)入第4個(gè)狀態(tài)，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換及奇偶校驗(yàn)。FPGA接收數(shù)據(jù)流程如圖3所示。
4.2 DSP模塊控制程序
DSP部分的軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，即具有C語(yǔ)言可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言執(zhí)行速率快和直觀的特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)中DSP軟件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)FPGA和其內(nèi)部通訊寄存器初始化；向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的控制命令操作，接受數(shù)據(jù)時(shí)命令字，狀態(tài)字的處理，以及通知FPGA接受數(shù)據(jù)等，是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心部分。圖4給出DSP軟件控制流程圖。
5 結(jié)語(yǔ)
基于1553B總線的航空電子檢測(cè)儀主要用于部隊(duì)航空電子設(shè)備在線和離線檢測(cè)，同時(shí)滿足BC和RT的功能，PDA的設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)也提供了極大便利，當(dāng)然由于設(shè)計(jì)處于樣機(jī)階段，還存在一些不完善的地方，今后的改進(jìn)空間還比較大。
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