基于 FPGA 的 MIL-STD-1553 – 更佳適合系統(tǒng)

基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 核心的實(shí)施體現(xiàn)了先進(jìn)的現(xiàn)代航空電子設(shè)計(jì)方法。這項(xiàng)技術(shù)具有著多種優(yōu)勢(shì),如廢棄組件管理、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、提高集成度、減小體積、降低功耗和提高故障平均間隔時(shí)間(MTBF)等,吸引著用戶將原來的系統(tǒng)遷移到此項(xiàng)技術(shù)。MIL-STD-1553 的市場(chǎng)可能隨著這種趨勢(shì)而繁榮起來;事實(shí)上,某些客戶已經(jīng)覺得這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施有點(diǎn)姍姍來遲。

MIL-STD-1553 核心帶來了多種好處,它代表著徹底告別了 ASIC 傳統(tǒng)。FPGA 中加入一項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心,就獲得了一種與眾不同的特性,而成為一個(gè)非常專業(yè)的高級(jí)子系統(tǒng)。這為增強(qiáng) MIL-STD-1553 的設(shè)計(jì)提供了千載難逢的機(jī)會(huì)。

軍用系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的問題

由于競(jìng)爭(zhēng)的壓力和對(duì)最佳戰(zhàn)斗性能無止境的追求,軍用航空電子從簡(jiǎn)單、獨(dú)立的設(shè)備發(fā)展到如今以每秒百萬位乃至更快的速度交換信息的高級(jí)智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。這也帶來了必須克服的許多設(shè)計(jì)問題。

在要求高性能的軍用設(shè)計(jì)中,每項(xiàng)設(shè)計(jì)都要減少空間、功耗和重量,滿足這些要求至關(guān)重要。這項(xiàng)要求直接作用于芯片級(jí)別,單一芯片體積減小后對(duì)所需板卡的要求也會(huì)降低,從而降低了對(duì)封裝外殼、固定元件、冷卻器件甚至是電源的要求。同樣,每多增加一個(gè)組件,都會(huì)增加一些引發(fā)故障的機(jī)會(huì)。減少芯片數(shù)量的設(shè)計(jì)必然有助于緩解這些問題。

廢棄則是像 MIL-STD-1553 設(shè)計(jì)實(shí)施這類長(zhǎng)期項(xiàng)目所面臨的另一個(gè)問題。每個(gè)組件無論其是由世界最大的制造商提供,還是來自于產(chǎn)量較小的專業(yè)供應(yīng)商,都存在著廢棄的風(fēng)險(xiǎn)。單一來源的組件不但面臨著被廢棄的風(fēng)險(xiǎn),還有個(gè)長(zhǎng)期價(jià)格保護(hù)的問題,特別是那些從原有項(xiàng)目繼承的設(shè)計(jì),這個(gè)問題更為明顯。對(duì)于已經(jīng)部署的系統(tǒng),由于所涉及的代價(jià)過高,應(yīng)盡量避免由于廢棄組件而重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

表 1. 設(shè)計(jì)問題 — 航空電子總線結(jié)構(gòu)




當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)師指定一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必然會(huì)存在架構(gòu)無法正確實(shí)現(xiàn)的某種風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)非常典型的問題是：經(jīng)常在設(shè)計(jì)過程中或架構(gòu)確定很久之后（如在集成階段）,才知道需求有所變化。這些變化一般都會(huì)增加對(duì)架構(gòu)的要求,并提出一些關(guān)于設(shè)計(jì)的常見問題,如：設(shè)計(jì)足夠靈活嗎？能提供充分的處理能力嗎？功能在硬件和軟件之間是否得以有效且高效地進(jìn)行了區(qū)分？能達(dá)到關(guān)鍵時(shí)間要求嗎？

理想狀況下,所選定的架構(gòu)應(yīng)功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活,足以在初始部署階段就將風(fēng)險(xiǎn)降到最低,并且提供了一個(gè)允許系統(tǒng)隨著時(shí)間發(fā)展的平臺(tái)。

理想條件下,一個(gè) MIL-STD-1553 設(shè)計(jì)師可以采用傳統(tǒng)的技術(shù),使用有多個(gè)來源的 COTS 組件來解決這些問題。這種由大量市場(chǎng)提供的組件在性價(jià)比上有明顯的優(yōu)勢(shì)。如果 MIL-STD-1553 設(shè)計(jì)師也能夠采用使手機(jī)如此普及、掌上電腦這樣物美價(jià)廉、整個(gè)工業(yè)化世界都應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊的相同技術(shù),該有多好！如今夢(mèng)想已成現(xiàn)實(shí) — 幸虧有了“知識(shí)產(chǎn)權(quán)”(IP) 技術(shù)。



MIL-STD-1553 簡(jiǎn)介

請(qǐng)看一下數(shù)據(jù)傳輸路徑,即圖 1 中的 MIL-STD-1553 總線結(jié)構(gòu)。MIL-STD-1553 是一種定義數(shù)據(jù)總線的電子和協(xié)議特點(diǎn)的軍用標(biāo)準(zhǔn)。作為一種在軍用和商用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用超過 25 年之久的總線,并且符合 MIL-STD-1553 標(biāo)準(zhǔn),它能以 1 百萬比特/秒的速率高度精確、極為可靠地傳輸數(shù)據(jù)。




圖 1. 典型的 MIL-STD-1553 總線結(jié)構(gòu) — 將“總線控制器”、“總線監(jiān)視器”和“遠(yuǎn)程終端” (RT) 相連接的總線。每個(gè) RT 都將一個(gè)子系統(tǒng) (LRU) 連接到總線。

根據(jù) MIL-STD-1

553 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,總線結(jié)構(gòu)由三個(gè)不同的硬件組成：
　　· 總線控制器 — 總線控制器是總線上唯一允許在數(shù)據(jù)總線上發(fā)出命令,并負(fù)責(zé)引導(dǎo)數(shù)據(jù)總線中數(shù)據(jù)流的硬件設(shè)備。如果同時(shí)有幾個(gè)終端可以實(shí)現(xiàn)總線控制器的功能,同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)。

　　· 總線監(jiān)視器 — 總線監(jiān)視器是一個(gè)可以監(jiān)控總線上信息交換的終端。它可以用于飛行測(cè)試記錄、飛行故障診斷、維護(hù)記錄與任務(wù)分析,同時(shí)還可作為一個(gè)備用總線控制器,它有足夠的信息可以接替總線控制器。然而,總線監(jiān)視器是一個(gè)被動(dòng)的設(shè)備,它不能報(bào)告所傳輸信息的狀態(tài)。

　　· 遠(yuǎn)程終端 — 每個(gè)遠(yuǎn)程終端都包括在數(shù)據(jù)總線和子系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)所必須的電子器件和支持性中間件。對(duì)于 MIL-STD-1553,子系統(tǒng)就是所傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送者和接收者。這些終端不能作為總線控制器或總線監(jiān)視器使用。

MIL-STD-1553 系統(tǒng)實(shí)施

像其它軍用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣,航空電子市場(chǎng)中的 MIL-STD-1553 測(cè)試和仿真實(shí)施也經(jīng)歷了從龐大的 DEC Unibus 卡到 19 英寸的通過機(jī)架安裝的組件,又發(fā)展到用于 VME 和 PCI 系統(tǒng)上的較小、較為集成的多通道背板,現(xiàn)在又出現(xiàn)了更小、集成度更高的 PCMCIA 接口。圖 2 描述了專用的 MIL-STD-1553 ASIC 芯片制造商的實(shí)施從離散的協(xié)議和收發(fā)器芯片組精簡(jiǎn)到單一的體積小、功耗低的 ASIC 的發(fā)展過程。

　　

圖 2 — 基于核心的系統(tǒng)發(fā)展過程 — 過去 25 年來,航空市場(chǎng)經(jīng)歷了迅速的技術(shù)進(jìn)步,使 MIL-STD-1553 系統(tǒng)的體積顯著減小。

過去,典型的 MIL-STD-1553 系統(tǒng)一般都由多個(gè) COTS 組件構(gòu)成。MIL-STD-1553 I/O過去通常由單一來源的帶有內(nèi)部處理功能的 ASIC 提供,這種內(nèi)部處理可提供消息處理與緩沖以及對(duì) MIL-STD-1553 比特流進(jìn)行編解碼等。ASIC 中可能含有也可能沒有向 MIL-STD-1553 總線提供物理接口的收發(fā)器組件。每個(gè) ASIC 為一個(gè)雙冗余 MIL-STD-1553 通道提供此功能,所以支持多個(gè) MIL-STD-1553 通道的系統(tǒng)就需要多個(gè) ASIC 和收發(fā)器。與每個(gè) MIL-STD-1553 總線的連接是通過板載變壓器實(shí)現(xiàn)的。最后,由一個(gè)或幾個(gè)可編程的 FPGA 設(shè)備將 MIL-STD-1553 ASIC 連接到主系統(tǒng),并提供更多的系統(tǒng)功能,如其他 I/O、存儲(chǔ)器訪問 和處理器接口等。

FPGA 有多種密度,通常以邏輯單元或門來度量。它們有多種形式架構(gòu),提供了豐富的 I/O 引腳可供使用。FPGA 還可提供內(nèi)部存貯器。例如,當(dāng)前由Xilinx 推出的一流的 FPGA 存貯容量比三年前約增加了 10 倍。而且還提高了內(nèi)部速度,降低了成本。

現(xiàn)代 FPGA 海量的存貯和功能使其成為 MIL-STD-1553 設(shè)計(jì)最理想的選擇。其核心為預(yù)先定義的、且經(jīng)過測(cè)試的功能,這些功能可以應(yīng)用到 FPGA 設(shè)計(jì)中。促使工程師們?yōu)?MIL-STD-1553 實(shí)施選擇 IP 設(shè)計(jì)的原因有很多,其中包括：

廢棄部件管理 — 利用 IP 核心可以顯著地降低廢棄的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)師不會(huì)束縛于某一個(gè)特定的部件、甚至是 FPGA 制造商。這與隨時(shí)可能會(huì)被放棄的單一來源的專用 MIL-STD-1553 協(xié)議 ASIC和處理器（及其制造方法）形成了鮮明的對(duì)比。對(duì)電路實(shí)施 FPGA后,設(shè)計(jì)可移值到最新的 FPGA 中,一般都無須改變其功能,減少了對(duì)軟件的修改（通常是項(xiàng)目中成本最大的部分）。

減小體積、提高可靠性、降低功耗和重量 — 將多種功能,包括處理器、I/O、MIL-STD-1553 和背板電路綜合到單一的 IC

中,可顯著地減少部件數(shù)量、板卡空間和熱負(fù)荷。這樣就增加了可靠性,進(jìn)而提高了 MTBF。減少部件數(shù)量可以降低飛行設(shè)備系統(tǒng)對(duì)重量、空間及功耗的需求。如圖 3 所示,設(shè)計(jì)人員可以將多種功能綜合到單一的邏輯設(shè)備中,減少了部件的數(shù)量和體積。
降低成本 — 由于實(shí)施了 FPGA 核心,生產(chǎn)和生命周期的成本會(huì)隨著時(shí)間而下降。FPGA 價(jià)格歷來是隨著項(xiàng)目的進(jìn)行而顯著地下滑,而 ASIC 在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過程中價(jià)格卻會(huì)上漲。很多航空電子系統(tǒng)已經(jīng)在其設(shè)計(jì)中采用了 FPGA,一個(gè) MIL-STD-1553 核心實(shí)例可以輕松地融入現(xiàn)有的芯片或同系列的其他更密集的芯片中。單一 FPGA 中集中了多通道實(shí)例可進(jìn)一步節(jié)省成本,只因?yàn)閱我?FPGA 內(nèi)可以容納多個(gè)通道接口。



圖 3 — 單一芯片上的多個(gè)實(shí)例 — MIL-STD-1553 技術(shù),如 Condor Engineering的 FlightCORE,支持將多個(gè)通道集成在單一的芯片中。

便于重新編程 — 由于支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬件的重新編程,核心的實(shí)施顯著降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。如果系統(tǒng)需求發(fā)生變化,或者要修復(fù)一個(gè)錯(cuò)誤時(shí),基于 FPGA 的設(shè)計(jì)可以在軟件的控制下進(jìn)行升級(jí)。這種靈活性還可以在硬件構(gòu)造完成后,在硬件和軟件間重新區(qū)分功能。例如,如果在集成階段發(fā)現(xiàn)軟件不能有效地響應(yīng)一個(gè)實(shí)時(shí)事件,可以將該功能下移到 FPGA 級(jí)別,這樣就將原由軟件實(shí)現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)化為硬件功能。

適應(yīng)多種機(jī)體 — 靈活、可重新編程的解決方案適于為多種機(jī)體構(gòu)架或針對(duì)多用途基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的飛航測(cè)試線上可更換件 (LRU)。由于 USAF和 NATO 的多種機(jī)體采用從 MIL-STD-1553B 標(biāo)準(zhǔn)分離出來的協(xié)議,所以多種機(jī)體的 LRU 需要靈活、可編程的設(shè)計(jì)。某些設(shè)計(jì)實(shí)施了通過特殊的子地址或模式代碼協(xié)議進(jìn)行尋址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)集。很多固定翼和可旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)同時(shí)采用了較老的 MIL-STD-1553A 和 MIL-STD-1553B LRU,這就要求總線控制器和總線監(jiān)視器能夠處理不同的協(xié)議。

對(duì) MIL-STD-1553 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于核心的實(shí)施

現(xiàn)代 FPGA 的強(qiáng)大功能使其成為 MIL-STD-1553 設(shè)計(jì)的理想選擇,這就是 Condor Engineering 推出 FlightCORE 的原因。FlightCORE 是一種允許設(shè)計(jì)人員在各種 Altera 和 Xilinx 的 FPGA中輕松實(shí)現(xiàn)無版權(quán)的實(shí)例化設(shè)計(jì)的 MIL-STD-1553 IP。多數(shù)情況下,利用Xilinx 綜合技術(shù) (XST) 或 Altera Quartus II 集成綜合技術(shù) (QIS),FlightCORE 1553 可以在兩天內(nèi)成功地集成。如圖 4 所示,用戶只須將 Condor Engineering 的 IP 核心與其自身邏輯和 Condor Engineering 的個(gè)別化模塊 (3mm x 3mm) 集成,即可實(shí)現(xiàn)高性能的 MIL-STD-1553設(shè)計(jì)。FlightCORE 還允許開發(fā)人員選擇存儲(chǔ)器的大小以恰好地與其系統(tǒng)需求相匹配。圖 4 還顯示了可以實(shí)施內(nèi)部存貯和/或外部雙端口隨機(jī)存貯器。該產(chǎn)品還提供了 Manchester II 編碼與解碼、消息協(xié)議驗(yàn)證與合法化及為接口控制和編程實(shí)施簡(jiǎn)單的共享存貯架構(gòu)等所有的必要組件。只需增加外部收發(fā)器即可,如標(biāo)準(zhǔn)的 COTS MIL-STD-1553 或 RS-485 收發(fā)器。

圖 4 — 豐富性 — 由于 Condor Engineering FlightCORE 提供了同步總線控制器、單一遠(yuǎn)程終端和總線監(jiān)視器運(yùn)行模式,所以它可擔(dān)任這三種角色。

單一芯片上集中多個(gè)實(shí)例

類似 Condor Engineering 的FlightCORE 這樣的 MIL-STD-1553 解決方案需要少量的 FPGA 資源,約為 3,000 個(gè)邏輯單元,148K 比特的內(nèi)存和不到 20 個(gè)的引腳（不包括外部主存總線）。較小的體積使在單一芯片上放置多

個(gè)相互獨(dú)立的實(shí)例成為可能,如圖3 所示,某些程序可以在單一 FPGA上集中 8 到 10 個(gè)實(shí)例。
結(jié)論

FPGA 與其容納的“知識(shí)產(chǎn)權(quán)”使設(shè)計(jì)人員可以對(duì) LRU 進(jìn)行修改或?qū)ｉT設(shè)計(jì),以適應(yīng)不同的航空電子通信、武器系統(tǒng)和日新月異的升級(jí)之間的微小差異。像 Condor Engineering 的 MIL-STD-1553、1 兆和10 兆的FlightCORE IP 這樣的通信核心,提供了一種直接而靈活的方法,可有效地解決日益增長(zhǎng)的功能和廢棄問題。