基于FPGA和DSP技術的某型飛機總線系統(tǒng)通訊軟件設計方案

時間：2018-06-19 14:00:01

關鍵字： DSP FPGA 總線與接口系統(tǒng)通訊飛機總線

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[導讀]在分析某型飛機MILSTD1553B數(shù)據總線系統(tǒng)構成的基礎上，結合其通信協(xié)議與其消息傳輸格式，建立了某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構，并運用FPGA和DSP技術設計了此型飛機總線系統(tǒng)通訊軟件。

在分析某型飛機MILSTD1553B數(shù)據總線系統(tǒng)構成的基礎上，結合其通信協(xié)議與其消息傳輸格式，建立了某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構，并運用FPGA和DSP技術設計了此型飛機總線系統(tǒng)通訊軟件。

目前，隨著工藝和技術的進步，集成電路技術的發(fā)展已經使得在一個芯片上集成一個可編程系統(tǒng)（Programmable System On a Chip，PSOC）成為可能。其中，現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）由于其設計靈活、速度快，在數(shù)學專用集成電路的設計中得到廣泛的應用。數(shù)字信號處理（DSP）的理論與實現(xiàn)手段獲得了快速發(fā)展，已成為當代發(fā)展最快的學科之一。由于其高速的處理速度和強大而又靈活的接口與通信能力，在很多領域已經得到了廣泛的應用。

MILSTD1553B數(shù)據總線具有雙向輸出特性，實時性和可靠性高，廣泛應用在當代的運輸機和相當數(shù)量的民航客機以及軍用飛機上。

1 1553B數(shù)據總線系統(tǒng)構成

1553B總線系統(tǒng)主要由3部分組成：總線控制器BC；遠程終端RT；數(shù)據總線D ata Bus。

某飛機的總線系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖中CIP1為BC，CIP2為CIP1備份，其他子系統(tǒng)都是RT，并且此總線系統(tǒng)是雙余度的，兩套總線互為備份。

CIP1為通信和信息處理系統(tǒng)；CIP2為通信和信息處理系統(tǒng)備份；DTE為數(shù)據傳輸設備；INS為慣性導航系統(tǒng)；FDR為飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)；ADC為大氣數(shù)據計算機；IFU為接口組件；FCC為火控計算機；SMS為外掛管理系統(tǒng)；LRS為激光測距系統(tǒng)。

2 1553B數(shù)據總線通信協(xié)議

1553B總線的工作頻率是1 Mb/s 。采用曼徹斯特II碼，半雙工工作方式。主要的硬件部分為總線控制器（BC）、遠端終端（RT）和可選用的總線監(jiān)控器（MT）。一般情況下，這3部分通過1個多路總線接口（MBI）來完成?？砂袽BI嵌在計算機內。該總線有10種消息格式。每個消息至少包含2個字，每個字有16個消息位，1個奇偶校驗位和3個位長的同步頭，所有的消息字都采用曼徹斯特II碼構成。1553B的數(shù)據總線傳輸?shù)淖值母袷饺鐖D2所示。

1553B數(shù)據總線用的是指令／響應型通信協(xié)議。他有3種類型的終端，分別為：

(1)總線控制器（BC）
他是在總線上惟一被安排為執(zhí)行建立和啟動數(shù)據傳輸任務的終端。

(2)遠程終端(RT)
他是用戶子系統(tǒng)到數(shù)據總線上的接口，他在BC的控制下提取數(shù)據或吸收數(shù)據。

(3)總線監(jiān)控器（MT）
他“監(jiān)控”總線上的信息傳輸，以完成對總線上的數(shù)據源進行記錄和分析，但他本身不參與總線的通信。

3 1553B數(shù)據總線消息傳輸格式

1553B總線上的信息的傳遞是以消息為單位的。所有的消息都是由數(shù)據字、指令字、狀態(tài)字組成。下面是1553B協(xié)議允許的10種消息格式，如圖3所示。

4 某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構

參考ISO的開放式互連系統(tǒng)七層模式，某型飛機機載系統(tǒng)分為5層：應用層、驅動層、傳輸層、數(shù)據鏈路層和物理層，如圖4所示。

這5層之間功能劃分明確，接口簡單，從而為硬軟件的設計實現(xiàn)奠定良好的基礎。應用層是通信系統(tǒng)的最高層次，他實現(xiàn)通信系統(tǒng)管理功能（如初始化、維護、重構等）和解釋功能（如描述數(shù)據交換的含義、有效性、范圍、格式等）。

驅動層是應用層與低層的軟件接口。為實現(xiàn)應用層的管理功能，驅動層應能控制子系統(tǒng)內多路傳輸總線接口（簡稱MBI）的初始化、啟動、停止、連接、斷開、啟動其自測試，監(jiān)控其工作狀態(tài)，控制其和子系統(tǒng)主機的數(shù)據交換。

傳輸層控制多路傳輸總線上的數(shù)據傳輸，傳輸層的任務包括信息處理、通道切換、同步管理等。
數(shù)據鏈路層按照MILSTD1553B規(guī)定，控制總線上各條消息的傳輸序列。
物理層按照MILSTD1553B規(guī)定，處理1553B總線物理介質上的位流傳輸。
應用層、驅動層在各個子系統(tǒng)主機上實現(xiàn)，傳輸層、數(shù)據鏈路層、物理層在MBI上實現(xiàn)。

5 總線系統(tǒng)通訊軟件設計

在某型飛機航空總線系統(tǒng)的設計中，一個很重要的工作就是總線通訊軟件的設計。航空總線通訊軟件設計包括：驅動層和應用層的軟件設計。其中驅動層直接驅動總線接口板主要完成各個寄存器的配置，實現(xiàn)數(shù)據的發(fā)送和接收；應用層是設計中的最高層，他管理整個系統(tǒng)的功能。作為一塊接口板，設計的重點在于驅動層的軟件的設計，他包括3個方面的內容：

（1）FPGA部分的軟件。
（2）DSP部分的軟件。
（3）上位機操作系統(tǒng)驅動軟件。

5.1 FPGA程序控制功能

該部分采用VHDL語言編寫,實現(xiàn)1553B總線數(shù)據的接收、發(fā)送、曼徹斯特II碼、錯誤檢出、奇偶檢驗、與DSP的接口和譯碼電路等功能。其中發(fā)送單元與接收單元是并行工作的，由邏輯門電路實現(xiàn)。這里從軟件角度畫出流程圖如圖5所示。

5.2 DSP程序控制功能

DSP控制部分程序實現(xiàn)的功能如下:

(1)對總線接口板的初始化(包括初始化DSP本身內部電路和寄存器FPGA及上位機通訊寄存器)。

(2)實現(xiàn)RT地址識別

由于是多RT總線接口板，所以收到數(shù)據后，應該判別該RT地址是否屬于該接口板；

(3)與上位機消息傳輸控制功能

消息傳輸控制程序完成總線應傳輸?shù)臄?shù)據在總線接口板和上位機之間的數(shù)據交換。包括數(shù)據的讀寫過程和自檢測過程，所要完成的操作如下：
①向FPGA寫入發(fā)送數(shù)據（到總線）。
②從FPGA內讀出數(shù)據（該數(shù)據由DSP處理）。
③向雙口RAM寫入數(shù)據（到上位機）。
④自檢測過程。自檢測過程是在收到上位機的自檢命令后，實現(xiàn)接口板的數(shù)據發(fā)送和接收性能測試。

(4)中斷控制程序

在DSP芯片TMS320F206接口的設計中，使用3個硬件中斷，INT1，INT2由FPGA來產生，INT3 則由上位機來產生。INT1表明FPGA的接收單元已收到一個數(shù)據，通知F206讀數(shù)，INT2表明FPGA的接收單元已收到一個錯誤數(shù)據，通知F206讀取錯誤狀態(tài)信息，INT3是上位機和接口板數(shù)據傳輸控制的一種手段，通過INT3中斷，上位機告訴接口板進行數(shù)據接收還是數(shù)據發(fā)送操作，發(fā)送多少數(shù)據，采用的消息格式以及總線控制等信息。

DSP部分的軟件采用C++和匯編語言混合編程，關鍵路徑如中斷服務程序，數(shù)據發(fā)送和接收程序都采用匯編語言以達到最大的執(zhí)行效率，主程序采用C++編寫。

DSP部分軟件的流程圖，如圖6所示。

5.3 上位機控制程序

主要實現(xiàn)上位機在特定的操作系統(tǒng)下對接口板的軟件驅動、數(shù)據通訊和傳輸控制。主要使用C++在Windows環(huán)境下進行軟件開發(fā)。