1553B總線遠程端點數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的FPGA實現(xiàn)

0 引 言
用于車輛、艦船、飛機等機動平臺上的電子設備越來越多，并且越來越復雜。將電子設備加以有效的綜合，使之達到資源和功能共享已成為必然趨勢。電子綜合的支撐技術是聯(lián)網(wǎng)技術，而機動平臺上的聯(lián)網(wǎng)技術不同于一般的局域網(wǎng)技術，它特別強調網(wǎng)絡的可靠性和實時性。1553B總線是在20世紀70年代末為適應飛機的發(fā)展，由美國提出的飛機內部的電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)標準；其后由于它的高可靠性和靈活性而在其他機動平臺上得到了廣泛應用。國內上世紀80年代中期已開始接觸這類技術，目前它的研究與應用范圍正在迅速擴大。
1553B總線標準由美國軍方制定。支持該標準的協(xié)議芯片有DDC公司的BU一6517X，BU一615XX系列；HOLT公司的HI一61XX系列；UTMC公司的BCRTM等。這些芯片都集成了BC，RT，BM的功能，但是這些芯片都由美國公司生產(chǎn)，價格非常昂貴。為了能低成本地使用這種可靠性非常好的數(shù)據(jù)總線，采用FPGA設計并實現(xiàn)遠程端點的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過外接一個總線收發(fā)器完成1553B遠程端點協(xié)議芯片功能。
在電子設計領域，可編程邏輯器件的廣泛應用為數(shù)字系統(tǒng)的設計帶來極大的靈活性，1片FPGA芯片可代替上百個IC電路。Altera公司開發(fā)的Cyclone系列FPGA芯片價格便宜，功能強大，而且配套的開發(fā)軟件QuartusⅡ更是集成了時序仿真、編譯、綜合、優(yōu)化等功能，這為實現(xiàn)1553B總線遠程節(jié)點通信協(xié)議提供了有利條件。文中所實現(xiàn)的1553B總線遠程端點數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議采用VerilogHDL語言編寫；采用ModelSim仿真；采用QuartusⅡ編譯、綜合、優(yōu)化，并在A1tera的EPlC6系列FPGA上實現(xiàn)。

1 1553B總線及其接口功能
1553B的全稱是：飛機內部時分制指令／響應式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。它對物理層，如：傳輸介質、屏蔽條件、耦合方式、阻抗匹配以及輸入輸入兼容性等都做了嚴格規(guī)范。1553B總線是以串行數(shù)據(jù)脈沖的形式進行傳輸?shù)模鋽?shù)據(jù)用雙相曼徹斯特碼的形式來表示，其傳輸速率為1 Mb／s。1553B數(shù)據(jù)總線上連接有3種類型的節(jié)點：
(1)總線控制器(BC)：控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸；
(2)遠程終端(RT)：響應BC命令，執(zhí)行相關操作；
(3)總線監(jiān)視器(BM)：有選擇地接收數(shù)據(jù)總線上的信息并保存。
飛機上的每個子系統(tǒng)可以通過1553B總線連接到任何一個系統(tǒng)中并與其通信。
在總線上傳輸字有3種類型：命令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字。每種字的字長為20位，有效信息位為16位，每個字的前三位為同步字頭，最后一位為奇偶校驗位。有效信息(16位)及奇偶校驗位在總線上以曼徹斯特碼的形式進行編碼，每位占的時間為1μs。同步字頭占3位，或先正后負(命令字、狀態(tài)字)或先負后正(數(shù)據(jù)字)，正、負電平各占1．5μs，即占同步頭位場的50％。
由于系統(tǒng)類型的不同，可辨別出命令字和狀態(tài)字，命令字由總線控制器發(fā)出，而狀態(tài)字由遠程終端RT發(fā)出。
作為1553B總線的遠程端點，應完成以下功能：
(1)將總線上的串行信息流轉換成微控制器可以處理的并行信息或者與之相反；
(2)接收或者發(fā)送信息時，能夠識別或生成標準的1553B信息字；
(3)完成與微控制器之間的信息交換，包括1553B信息地址的分配、命令字的譯碼或返回狀態(tài)字、發(fā)送數(shù)據(jù)字等。
1553B遠程端點數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議需要完成上述的1553B遠程端點的大部分功能，包括同步頭添加與檢測，曼徹斯特碼編解碼，命令字譯碼與接收數(shù)據(jù)字，狀態(tài)字反饋與收發(fā)數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)緩沖以及與微控制器之間的接口等。整個數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議內部采用寄存器控制的方式進行操作，上層微控制器通過讀寫實現(xiàn)程序的寄存器，以完成對協(xié)議的控制，而內部操作也是根據(jù)相關寄存器的狀態(tài)來進行的，因此設計時，首先定義相關寄存器，根據(jù)數(shù)據(jù)線的寬度，所有寄存器都定義為16位。
(1)控制寄存器：它完成內部時鐘、總線端口選擇、節(jié)點狀態(tài)設定、狀態(tài)字保留位、節(jié)點ID以及全局復位等狀態(tài)的設置和操作。
(2)錯誤寄存器(ER)：當通信協(xié)議中出現(xiàn)了奇偶校驗錯誤，數(shù)據(jù)不連續(xù)錯誤，接收數(shù)據(jù)個數(shù)錯誤，接收FIFO錯誤，發(fā)送FIFO錯誤時就會置位其相關位，上層微控制器通過讀取ER就知道錯誤的類型。
(3)狀態(tài)寄存器(SR)：SR中反映了當前數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的狀態(tài)，包括接收數(shù)據(jù)狀態(tài)、接收FIFO長度、發(fā)送FIFO長度、接收錯誤狀態(tài)、中斷信號狀態(tài)nINT和nINTD。
(4)接收命令字寄存器(RCR)：RCR用于保存當前接收到的命令字。
(5)發(fā)送矢量字寄存器(SVWR)：該寄存器用于存放總線控制器要求的矢量字，這個矢量字由微控制器寫入。
(6)接收同步字寄存器(SYNDR)：用于存放接收到的帶數(shù)據(jù)字同步命令中的數(shù)據(jù)字。