基于FPGA的航空总线协议接口设计

1 引言

　　数据总线是飞机航电系统中首先运用的数字电子设备之一，其典型代表是飞机内部时分制指令／响应式多路传输数据总线MIL-STD-1553B(简称1553B)。它利用一条屏蔽的双绞线进行带有时钟信息的数据传输。高可靠性1553B已成为我国航空航天领域广泛采用的军用总线标准。由于1553B总线协议控制器基本依赖于进口的专用器件，价格昂贵，还受到限制，并且这些器件需要外围的硬件电路配合工作，如果完成整个总线接口板的设计，还需要单独的MCU，集成度不高，这样就在某种程度上限制了设计能力。随着嵌入式技术的发展，可编程片上系统设计SoPC技术已广泛应用于诸多领域。这里采用SoPC技术，以Virtex-II Pro FPGA为核心，实现1553B.传输协议的接口逻辑设计。

　　2 1553B.传输协议标准

　　目前广泛采用的1553B标准是根据1973年军标1553原版基础上发展。1553B是一种集中控制式、飞机内部时分指令／响应型多路串行数据总线标准。具有高可靠性和灵活性。已经成为现代航空机载系统设备互联的关键技术。广泛应用于飞机、舰船等武器平台。1553B数据总线的传输速率为1Mb／s，协议规定3种字：命令字、数据字和状态字。字的长度为20 bit，且由同步头(3 bit)消息块(16 bit)和奇偶位(1 bit)3部分组成。信息量最大长度为32。总线系统由一个总线控制器(BC)与不多于31个的远程终端(RT)组成，有时系统中还可加入总线.(MT)。总线上传输的信息格式主要有BC到RT，RT到BC，RT到RT，以及广播方式和系统控制方式。

　　3 系统设计

　　该系统采用Xilinx公司的Virtex-II Pm XC2VP30 FPGA为核心，该器件内部带有2个PowerPC 405处理器核。总线接口协议实现是基于Xilinx Virtex-II Pro开发系统平台，Virtex-II Pro开发平台是整个系统的核心。这样可以快速搭建1553B总线实现平台。系统的硬件平台主要由Vinex-II Pro开发板、总线转换器、总线终端设备和主控计算机构成，系统结构如图1所示。

 

 

 

　　在系统开发中，为了提高开发效率，同时系统主要验证的就是1553B总线协议模块，因此可充分利用Xilinx公司的Virtex-II Pro开发板。开发板上具有丰富的资源，主要包括：XC2VP30器件、SDRAM (可扩展到2 GB)、高速SelectMAPFPGA配置PROM、RS232串口、嵌入平台的USB配置端口、高速系统扩展接口(与FPGA的I／O引脚相连)并可选择差分或单端模式、PS2接口、AC97音频接口、板上10／100 M以太网设备等等。这些丰富的板上资源为1553B总线协议逻辑的开发提供支持。

　　1553B总线协议开发主要在FPGA器件中开发，因此FPGA本身性能的好坏将影响系统的开发。XC2VP30内部具有2个PowerPC 405处理器核、13 969个Slices、分布式RAM为428 KB、136个乘法器单元、块RAM为2 448 KB、8个DCM、8个多吉比特收发器。因此，选用XC2VP30FPGA完全满足1553B总线逻辑开发需求。

　　该系统设计采用Virtex-II Pro系列XC12VP30型FPGA，而FPGA的配置则是硬件设计中很关键的问题。FPGA配置是对其内容进行编程。采用SRAM工艺的FPGA，每次上电后都需重新配置。XC2VP30通过模式引脚选择配置模式，其中M2、M1和M0是专用引脚，HSWAP_EN和配置模式引脚相组合，决定I/O引脚在配置过程中是否具有上拉功能。默认情况下，HSWAP_EN置为高电平，此时在配置过程中关闭I/O引脚的上拉功能；当其置为低电平时，I/O引脚具有上拉功能。当选择某些配置模式时，CCLK可作为FPGA的信号输出引脚，也可作为外部时钟的输入信号，这些引脚不受VCCO的影响，而是采用2．5 V的辅助电源(VCCAUX)。

　　图2给出的是FPGA配置引脚连接电路图。XC2VP30支持5种配置模式，分别是Slave-serial模式、Master-serial模式、Slave SelectMAP模式、MasterSelectMAP模式和Boundary-Scan (IEEE 1532/IEEE 1149)模式。通过调整配置引脚MO、M1、M2调整配置模式。该系统设计只提供两种配置模式，在XC2VP30的配置电路中将M0引脚拉为高电平，这样只能选择MasterSelectMAP模式和Boundary-Scan模式(即边界扫描模式)。Master SelectMAP模式是SelectMAP模式的主版本模式，在由XC2VP30所提供的CCLK信号的作用下，器件通过字节宽度数据总线即配置器件XCF32P的[D7：D0]，除了CCLK是由FPGA提供之外，配置时序与Slave SelectMAP模式相似。在边界扫描模式下，XC2VP30通过专用配置引脚CCLK，DONE，PROG_B，TDI，TDO，MS，TCK按照IEEE 1149.1标准进行配置。

 

 

 

　　4 1553B.协议接口的SoPC设计

　　SoPC的开发设计与传统嵌入式系统设计不同，分为硬件开发和软件开发。系统设计思想是充分利用FPGA片上资源，以PPC405处理器硬核为核心，1553B接口逻辑为主要设计内容的SoPC系统，在FPGA内部实现系统的总线架构、外设接口、编码／解码、消息处理模块等系统部件和功能，各功能部件在FPGA的内部都是通过IP核的形式连接在一起的。Xilinx为了用户能够将自行编写的逻辑方便连接到OPB总线上，提供总线与用户逻辑之间的接口，即IPIF(IP Interface，IP接口)，利用IPIF便可解决总线接口信号，总线协议以及其他接口问题。

　　4．1 曼彻斯特编码，解码模块

　　曼彻斯*编码／解码是1553B总线接口重要组成部分，曼彻斯*编解码模块设计将直接影响总线接口的性能。系统编码模块完成曼彻斯*的编解码，并检测错误。它能够接收具有有效同步字头的曼彻斯*，并对其译码，识别类型和串并转换、奇偶校验等；编码模块能将处理器输出的并行二进制数据进行曼彻斯*编码，再加上同步字头及奇偶位，从而输出满足符合1553B标准的字。

　　曼彻斯*是一种广泛应用于航空电子综合系统中的总线数据传输的双极性码。它在每个码位中点存在一个跳变，1信号是一个由1到0的负跳沿，而0信号是由0到1的正跳沿。在MIL-STD-1553B协议中其数据格式如图3所示。

 

 

 

 

　　系统的编码，解码模块设计采用同步方式，这样，所有的触发器都南一个公共时钟信号实现同步。因此，可以很好解决毛刺和一些竞争与冒险。

　　编码模块主要分为检测编码周期是否开始并产生同步字头、串并转换并产生奇偶校验位、对数据和奇偶校验位进行编码。

　　下面给出部分编码模块的源代码：

 

 

 

　　解码模块也可分为同步字头检测、数据解码、串并转换与奇偶校验3部分。这个过程与编码模块相类似。

　　4．2 消息处理模块

　　消息处理模块主要是接收来自PC机的命令，并且将其运行结果上传至PC机。为了能够快速开发系统，采用EDK自带的串口控制器IP Core。由于在Virtex-II Pro开发板上已设计与PC机相连的RS-232串口，并且配有标准的DB-9接口，因此只需通过IP Core 16450-UART控制器接收和发送数据即可实现系统与PC机的消息处理功能。

　　5 实验结果

　　通过发送已知数据和示波器观察实际接收到的数据波形，进行系统测试。测试中，输入的十六进制数据为1234H，通过Tektronix公司的TDS3032B型示波器测试输出数据，图4是测得的系统输出的数据波形，其中，波形前3位表示同步字头，先负后正，表示发送的是数据字，正负电平各占1．5μs，中间的16位曼彻斯*恰好等于发送的1234H，而最后1位数据为奇偶位。因此测试结果证明：该系统设计能够正确接收和发送符合1553B总线接口协议的数据，且工作稳定可靠。

 

 

 

　　6 结语

　　采用基于SoPC的设计方法，完成了MIL-STD-1553B.接口逻辑的开发，并利用仪器测试系统。将该系统设计的总线协议接口逻辑固化到FPGA中。可取代国外进口的专用1553B总线控制器器件，从而摆脱长期依赖于国外进口器件的束缚，具有良好的军事和经济效益。该系统的创新之处是采用先进的SoPC技术开发FPGA，全面实现1553B总线接口逻辑，系统具有配置灵活，易于扩展等特点。