基于ARM9的1553B與CAN總線轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引　言

20世紀(jì)70年代誕生的1553B總線是一種主從式多冗余度總線對總線硬件有嚴(yán)格的規(guī)定，可靠性和實(shí)時(shí)性好，傳輸速率達(dá)到1　Mb/s，對于大多數(shù)的應(yīng)用都能滿足，通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今軍用電子總線的首選。而由德國BOSCH公司開發(fā)的CAN總線，采用多主方式，最高速率為1　Mb/s，由于其在汽車電子系統(tǒng)中的卓越表現(xiàn)，現(xiàn)在受到了越來越多的用戶的關(guān)注和認(rèn)可。這兩種總線都是傳輸速率高、可靠性高、實(shí)時(shí)性能好的總線，但是他們都存在一定的不足。1553B總線的任一次數(shù)據(jù)傳輸都是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令開始，從節(jié)點(diǎn)接到命令后解析并執(zhí)行，同時(shí)把相應(yīng)狀態(tài)反饋給主節(jié)點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸率大大降低，并使主節(jié)點(diǎn)控制器非常繁忙，而且在下端出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)不能立即上傳，必須等待主節(jié)點(diǎn)的傳輸命令，靈活性較差。而CAN總線為多主競發(fā)總線，能較好解決這個(gè)問題。但是CAN總線也存在很多不足，例如他無法和1553B總線一樣給出一個(gè)比較確定的響應(yīng)時(shí)間，而且沒有雙冗余或多冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這使得他的可靠性和實(shí)時(shí)性不如1553B，而在軍用電子中，可靠性和實(shí)時(shí)性是最重要的。因此軍用電子系統(tǒng)中，1553B總線得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)1553B總線硬件成本非常高，相同條件下是CAN總線的幾百倍，對于測試系統(tǒng)來說是很難承受的，所以在現(xiàn)在的測控系統(tǒng)中對于控制仍舊采用1553B總線，對于測試采用CAN總線，而這兩者之間的信息交互就成了整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，促使了對1553B和CAN總線轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2　設(shè)計(jì)思想

1553B總線的幀結(jié)構(gòu)有2種，其實(shí)命令字和狀態(tài)字共用一種幀結(jié)構(gòu)。而這兩種幀僅僅是同步頭不同

1553B的幀中，開始3位為同步位，數(shù)據(jù)字是上跳沿，而命令字和狀態(tài)字為下降沿，4～19位為數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)字中為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而命令字和狀態(tài)字中為命令或狀態(tài)位，最后一位為奇偶校驗(yàn)位。而在CAN總線中，只有一種幀結(jié)構(gòu)，僅僅是是否采用擴(kuò)展幀而已。

其中幀起始由單個(gè)顯位組成，仲裁場由標(biāo)識符和RTR位組成，一共12位，控制場由2個(gè)保留位和4個(gè)DLC位組成，數(shù)據(jù)場由0到8個(gè)字組成，每個(gè)字8位，CRC場由15位的CRC序列和1位標(biāo)識位組成，ACK場由1位ACK間隙和一位ACK界定符組成，最后的幀結(jié)束由連續(xù)的7個(gè)隱性位組成。

由此可見，1553B和CAN總線不但幀結(jié)構(gòu)不同，命令體系不一樣，而且不同的1553B與CAN總線之間的轉(zhuǎn)換方法也是不一樣的，因此1553B與CAN總線之間的轉(zhuǎn)換不僅僅是幀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，還涉及到兩個(gè)系統(tǒng)之間命令的解析，所以采用軟件的方式可以更加靈活的實(shí)現(xiàn)這兩種總線的轉(zhuǎn)換。

而要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換就需要在CAN和1553B總線端點(diǎn)之間需要搭建一個(gè)能夠運(yùn)行并合理調(diào)度多個(gè)應(yīng)用程序的平臺。綜合整個(gè)轉(zhuǎn)換板的考慮，采用帶操作系統(tǒng)的ARM9處理器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)平臺是比較合適的。cAN總線部分，可以設(shè)計(jì)成一般的主節(jié)點(diǎn)，而對于1553B總線部分，由于1553B有3種不同的端點(diǎn)，為了擴(kuò)展轉(zhuǎn)換板的功能，可以把轉(zhuǎn)換板的這個(gè)端點(diǎn)設(shè)計(jì)成為可以通過不同的配置來實(shí)現(xiàn)不同功能，因此這需要1553B端點(diǎn)的協(xié)議和上層應(yīng)用程序可配置，為此可以采用FPGA和ARM共同工作的方式來實(shí)現(xiàn)這個(gè)端點(diǎn)。而為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以通過從ARM9上擴(kuò)展串口和LCD接口來實(shí)現(xiàn)。

3　轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1　轉(zhuǎn)化卡硬件的選擇

轉(zhuǎn)換卡的硬件是整個(gè)轉(zhuǎn)換卡功能的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。而在轉(zhuǎn)換卡的硬件設(shè)計(jì)中，器件的選擇決定了設(shè)計(jì)的實(shí)際方案和電路。對于CAN節(jié)點(diǎn)，采用了PHILIPS公司的SJA1000T　CAN總線控制器和TJA1050CAN總線收發(fā)器來共同實(shí)現(xiàn)。對于1553B節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議部分功能的FPGA采用ALTERA的EP1C3T144，收發(fā)器和變壓器采用了HOLT公司的HI-1567和PD2725，他們與ARM9共同完成了1553B端點(diǎn)協(xié)議。最后的核心處理器ARM9則采用ATMEL的AT91RM9200T，他擁有180　MHz的頻率，4個(gè)PIO接口，不但能夠與FPGA共同完成1553B端點(diǎn)功能，滿足1553B對實(shí)時(shí)性的要求，而且還能運(yùn)行需要的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，完成整個(gè)轉(zhuǎn)化工作。而對于用于實(shí)時(shí)監(jiān)控，LCD芯片采用了EPSON的S1D13506擴(kuò)展芯片，而串口則采用了傳統(tǒng)的MAX3232。以上的這些芯片構(gòu)成了整個(gè)轉(zhuǎn)換卡的框架，通過他們就構(gòu)成了轉(zhuǎn)換卡的硬件。

在這種方案中，RAM采用了雙口RAM，1553B和ARM9共用一個(gè)口，這樣CAN總線出來的數(shù)據(jù)和1553B總線過來的數(shù)據(jù)不用轉(zhuǎn)存就可以直接通過另外一段輸出或者緩沖等待發(fā)送。S1D13506芯片是一個(gè)多功能擴(kuò)展芯片，他還有多種功能擴(kuò)展，可以擴(kuò)展出音頻和視頻接口。

3.2　轉(zhuǎn)換卡軟件實(shí)現(xiàn)方式

在整個(gè)的轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)中面臨的最大問題就是轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性和緩沖數(shù)據(jù)管理，為此轉(zhuǎn)換卡通過使用實(shí)時(shí)性非常好的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux來解決。他不但能滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，完成總線兩邊緩沖數(shù)據(jù)管理，還能為應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換程序提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。轉(zhuǎn)換程序主要完成兩個(gè)功能：把1553B總線來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN總線的幀結(jié)構(gòu)，或者相反;把1553B總線來的命令解析，轉(zhuǎn)換成CAN總線系統(tǒng)的命令并組成CAN的幀結(jié)構(gòu)發(fā)送。轉(zhuǎn)換卡采用MiniGUI來為用戶提供實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的圖形界面，這個(gè)圖形界面可以通過轉(zhuǎn)換卡擴(kuò)展的LCD很好地完成信息交換過程實(shí)時(shí)監(jiān)視的任務(wù)。最后通過ARM9的JTAG口可以對ARM9中運(yùn)行的應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行修改與調(diào)試。

3.3　轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換機(jī)制

設(shè)計(jì)中采用中斷源優(yōu)先級控制機(jī)制，不同的中斷源設(shè)置不同的中斷等級，以滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。這種機(jī)制主要是基于下列考慮：

(1)來自1553B，CAN以及串口的硬中斷請求信號及來自應(yīng)用程序的軟中斷信號都是隨機(jī)的。中斷機(jī)制可以使ARM9能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)各個(gè)中斷，并做出相應(yīng)的動(dòng)作。實(shí)時(shí)性要求相對比較高的1553B端點(diǎn)中斷被賦予高優(yōu)先級，可以剝奪CAN，串口等相對低優(yōu)先級的中斷的服務(wù)。而CAN被賦予次高優(yōu)先級，應(yīng)用程序以及串口被賦予最低優(yōu)先級。

(2)1553B和CAN的數(shù)據(jù)傳輸速率是不同的。CAN總線的不同配置，1553B總線控制器的不同調(diào)度都會引起1553B和CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率的變化，可能1553B比CAN快，也可能CAN比1553B快。采用中斷方式可以大大降低慢速對較高速設(shè)備的處理延時(shí)。

同時(shí)在硬件的設(shè)計(jì)中考慮到軟件編程的靈活性，因此所有的中斷信號都設(shè)計(jì)成可以通過查詢得到。

3.4　硬件測試

在硬件完成后，對整個(gè)硬件進(jìn)行了測試。首先把1553B端點(diǎn)聯(lián)入1553B總線系統(tǒng)中，他能正確地響應(yīng)總線，通過示波器觀測由變壓器和收發(fā)器變換后的信號和序列，得到的信號電平和序列都符合既定的要求。然后把1553B端點(diǎn)協(xié)議寫入FPGA和ARM，測試端點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間，即接收命令字到發(fā)出狀態(tài)字之間的間隔，這個(gè)時(shí)間為1.5～2.5μs之間，完全滿足1553B總線的協(xié)議要求。最后把CAN總線、串口、LCD接口都連接上，整個(gè)硬件工作良好。[!--empirenews.page--]

4　轉(zhuǎn)換卡功能及特點(diǎn)

4.1　轉(zhuǎn)換卡的主要功能

(1)轉(zhuǎn)換卡在一個(gè)既定的協(xié)議下能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線系統(tǒng)與1553B總線系統(tǒng)的信息交互，同時(shí)滿足兩總線系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

(2)轉(zhuǎn)換卡可以單獨(dú)作為一個(gè)CAN總線的節(jié)點(diǎn)或者1553B總線端點(diǎn)連入總線系統(tǒng)，完成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)功能。

(3)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和監(jiān)控。應(yīng)用轉(zhuǎn)換卡的LCD擴(kuò)展口和串口，用戶可以通過LCD顯示屏或者外部計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制兩總線之間的信息轉(zhuǎn)換。

4.2　硬件主要特點(diǎn)

(1)1553B端點(diǎn)協(xié)議采用FPGA與ARM芯片共同實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)不但可以通過更改協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序把端點(diǎn)配置成遠(yuǎn)程端點(diǎn)、控制器、監(jiān)視器等3種不同功能的端點(diǎn)，而且因?yàn)槭峭ㄟ^ARM9與FPGA共同實(shí)現(xiàn)的總線協(xié)議，所以當(dāng)接收完1553B總線數(shù)據(jù)后可以直接觸發(fā)總線轉(zhuǎn)換程序，從而減少單獨(dú)采用1553B協(xié)議芯片時(shí)對ARM9的數(shù)據(jù)中斷請求時(shí)間，更好地滿足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。最后這種設(shè)計(jì)與直接購買1553B端點(diǎn)協(xié)議芯片相比明顯地減少了硬件成本，有利于1553B總線的推廣和應(yīng)用。

(2)可以兼容不同速率的CAN總線，通過改變初始化配置，可以實(shí)現(xiàn)不同速率的CAN總線與1553B總線系統(tǒng)通信。轉(zhuǎn)換卡對ARM9實(shí)現(xiàn)了存儲擴(kuò)展，外擴(kuò)了16　MB　FLASH和32　MB　RAM，因此當(dāng)總線兩邊數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配時(shí)，就可以把等待發(fā)送的數(shù)據(jù)放到專門開辟的緩沖區(qū)中存放，等待總線空閑時(shí)再發(fā)送，雖然CAN總線的最快傳輸速率與1553B相同，但是由于1553B是主從式總線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)只能傳輸一定的數(shù)據(jù)量，所以他的數(shù)據(jù)傳輸速率有可能還比CAN總線慢，因此數(shù)據(jù)的緩沖是兩方面的。

(3)擴(kuò)展了LCD接口和串口。在現(xiàn)場可以通過40針接口的LCD或者上層的計(jì)算機(jī)監(jiān)控兩總線之間的信息交互，還可以通過串口和ARM9的JTAG口實(shí)時(shí)地調(diào)試ARM9中的程序。

(4)良好的實(shí)時(shí)性。在接口中，通過對CAN和1553B總線中斷應(yīng)答優(yōu)先級的設(shè)置，可以非常好地滿足整個(gè)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

5　結(jié)　語

通過實(shí)際應(yīng)用證明，基于ARM9的1553B和CAN總線轉(zhuǎn)換卡無論硬件還是軟件都能夠很好地滿足1553B和CAN總線對實(shí)時(shí)性、可靠性以及速率的要求，在一定的命令體系中能夠很好地完成CAN與1553B總線之間的信息轉(zhuǎn)換。