基于USB接口1553B總線設(shè)備檢測系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　MIL-STD-1553B軍用總線標準，在軍事裝備，特別是飛機系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，艦載系統(tǒng)中也正在逐步推廣。對于1553B總線傳輸信息的飛機系統(tǒng)，特別是由該總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的綜合航火控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)時實監(jiān)測與在線故障診斷均建立在信息錄取的前提下。為了方便錄取1553B總線上傳輸?shù)男畔⒕托枰獞?yīng)用1553B總線到計算機標準接口轉(zhuǎn)換器，目前常用轉(zhuǎn)換器有1553B-PCI、1553B-VXI等，但在工程實踐過程中，它們存在體積大、價格高、使用不方便等缺陷。相比而言，USB接口具有體積小、攜帶方便、熱插拔等特征，具有不可替代的優(yōu)勢。

　　本文介紹的1553B設(shè)備檢測系統(tǒng)就是基于USB接口的。設(shè)計包含兩大部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要實現(xiàn)1553B接口到USB接口的轉(zhuǎn)換;軟件設(shè)計主要是USB芯片固件開發(fā)、USB接口驅(qū)動、開發(fā)計算機測試1553B設(shè)備軟件。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計工作主要集中在1553B與USB總線接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計。硬件系統(tǒng)分成三部分：1553B接口轉(zhuǎn)換電路、FPGA譯碼電路和USB接口電路。

　　2.1 1553B接口轉(zhuǎn)換電路

　　目前，1553B接口芯片種類繁多，根據(jù)工程應(yīng)用場合和實際需要，我們選用DDC公司BU-61580芯片。BU-61580芯片除了具有遠程終端(RT)功能外，還可以用作總線控制器(BC)、總線監(jiān)控器(MT)。其內(nèi)部功能極強，接口靈活、便于控制，有各種封裝形式和供電電壓供用戶選擇。

　　2.2 FPGA譯碼電路

　　FPGA作為現(xiàn)場可編程器件越來越廣泛地應(yīng)用到工程設(shè)計中。利用FPGA對系統(tǒng)中信號進行譯碼可避免由于開始硬件電路設(shè)計考慮不周造成的硬件設(shè)計錯誤，而且方便系統(tǒng)的以后的升級。本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA通過1553B接口芯片讀取1553B總線上的數(shù)據(jù)并暫存在FPGA內(nèi)部RAM中，然后通知USB接口芯片把數(shù)據(jù)讀出;同時，還要通過USB接口接收從PC下發(fā)的數(shù)據(jù)，重新打包，發(fā)送到1553B設(shè)備。

　　2.3 USB接口電路

　　USB接口控制芯片包含兩大類：一類是需要外置控制器的芯片，還有一類為內(nèi)置控制器，如Cypress公司的CY7C64613芯片。本系統(tǒng)選用PHILIP公司的PDIUSBD12芯片，需外置控制器的芯片。

　　PDIUSBD12芯片是帶有并行總線和局部DMA傳輸能力的全速USB接口器件。片內(nèi)集成了高性能USB接口器件、SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器等，可與任何外部微控制器/微處理器實現(xiàn)高速并行接口(2MB/s)，完全能匹配1553B總線最高傳輸速率(1MB/s)[1]。USB 實現(xiàn)模塊的核心是PIDUSB12。外置控制器AT89C52的P0口接PIDUSBD12的DATA0～DATA7，用來傳輸要交換的數(shù)據(jù)。P0 口所有引腳都要外接上拉電阻。PIDUSBD12的片選信號和復(fù)位信號由AT89C52的P1.6與P1.7提供。AT89C52 的P3.6與P3.7作為PIDUSBD12的寫讀控制端，AT89C52和PIDUSBD12的ALE相連，PIDUSBD12的掛起狀態(tài)和中斷控制都接高電平。 PIDUSB12的D+和D-加上+5V電源和地就構(gòu)成了USB接口,從而能與計算機相連。

　　PDIUSBD12與USB的連接通過1.5K上拉電阻將D+置為高實現(xiàn)，默認狀態(tài)不與Vcc相連，可用SoftConnect技術(shù)通過AT89C52發(fā)送專門的命令來實現(xiàn)該連接，允許AT89C52在決定與USB建立連接之前完成初始化時序，USB總線連接可以重新初始化而不需要撥出電纜[2]。隨后USB設(shè)備識別和通信就要依靠固件程序和驅(qū)動程序了。

　　3 軟件設(shè)計

　　1553B設(shè)備測試軟件首先要實現(xiàn)USB接口與PC之間的通信，然后，再對設(shè)備進行性能檢測。因此，需要對USB芯片進行固件、PC驅(qū)動程序和測試程序設(shè)計。

　　3.1 USB固件設(shè)計

　　AT89C52中的固化程序可采用C51 設(shè)計，主要功能是：控制PDIUSBDl2接受USB驅(qū)動程序的請求;控制PDIUSBDl2接受應(yīng)用程序的控制指令;通過PDIUSBDl2存儲數(shù)據(jù)并實時上傳PC機。PDIUSBDl2的固件設(shè)計成完全的中斷驅(qū)動，當(dāng)CPU處理前臺任務(wù)時USB的傳輸可在后臺進行，確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，簡化了編程和調(diào)試。單片機通過PDIUSBDl2與主機通信的過程簡述如下:：當(dāng)PDIUSBDl2接收到主機發(fā)來的令牌包后就給單片機發(fā)中斷，單片機進入中斷服務(wù)程序。它將數(shù)據(jù)從PDIUSBD12的內(nèi)部FIFO取回到CPU存儲器并根據(jù)中斷寄存器判斷USB令牌包的類型從而建立正確的事件標志以通知主循環(huán)程序進行處理，主循環(huán)檢查事件標志并進入對應(yīng)的子程序進行進一步的處理，固件程序流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，先檢測PDIUSBD12，如檢測不成功則報錯，要使用者重插USB接口，再次檢測。檢測成功則根據(jù)PDIUSBD12的中斷類型設(shè)定中斷標志位的值，再根據(jù)中斷位的值調(diào)用相應(yīng)的功能子程序[3]。

　　在本設(shè)計中，功能子程序主要包括兩部分：

　　1)通過AT89C52的P0端口從FPGA接收1553B設(shè)備數(shù)據(jù)，重新打包，再經(jīng)過P0端口寫入PC機;

　　2) 通過P0端口接收PC數(shù)據(jù)，重新打包，通過AT89C52的P0端口從FPGA寫入1553B設(shè)備。

　　3.2 驅(qū)動程序

　　完成驅(qū)動程序設(shè)計的方法一般有三種：基于DDK開發(fā)、基于Windrive開發(fā)和基于DriveStudio開發(fā)。由于Windrive和DriveStudio開發(fā)對DDK中的函數(shù)進行了一定程度的封裝，它們開發(fā)的難度比直接用DDK開發(fā)要小，但開發(fā)的靈活性不如DDK。本設(shè)計使用的驅(qū)動是DriveStudio與DDK配合進行開發(fā)，開發(fā)驅(qū)動程序的效率較高。

　　在驅(qū)動程序開發(fā)平臺搭建成功后，我們利用驅(qū)動程序生成向?qū)river Wizard，根據(jù)硬件設(shè)置生成USB設(shè)備驅(qū)動程序的大體框架。設(shè)置如下：①選擇 WDM的驅(qū)動程序類型和Windows 2000運行平臺。②選擇 USB總線類型，填寫它的VID(供應(yīng)商ID)和PID(設(shè)備ID)，這些信息由芯片的供應(yīng)商提供。③增加端點 1和端點2，它們分別具有IN 和OUT屬性。④根據(jù)需要選擇對設(shè)備的操作有：Read、Write、Device Control和CleanUp。⑤選擇給端點2產(chǎn)生 BULK Read和Write的代碼, 向?qū)詣赢a(chǎn)生一套對端點2進行讀、寫的代碼。⑥設(shè)置驅(qū)動程序的屬性，采用WDM接口;在選取讀寫方式時應(yīng)遵循一條原則：需要快速傳送大量數(shù)據(jù)時，用 Direct I/O，反之用 Buffer I/O，本設(shè)計數(shù)據(jù)量不大，故選用Buffer I/O;由于無特殊的電源需求，故選用系統(tǒng)默認的Manage Power For This Device。⑦增加IOCTL接口，在其生成的代碼框架中加入自己的操作，以實現(xiàn)一個完整的USB 設(shè)備驅(qū)動程序。最后就生成了一個 WDM 型的 USB 設(shè)備驅(qū)動程序框架和一個測試該驅(qū)動程序的測試程序大體框架。然后在其中添加需要的功能代碼。

　　通過DriveStudio初步建立一個驅(qū)動程序框架后，我們只要修改TESTFIRMDevice.h和TESTFIRMDevice.cpp就可以了，修改完畢后，可以發(fā)現(xiàn)使用DriveStudio向?qū)傻腢SB設(shè)備驅(qū)動程序，不僅不需要對底層的硬件進行編程，甚至可以忽略與硬件控制緊密相關(guān)的復(fù)雜的Windows數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如，URB、IPR)、API函數(shù)(DriveEntry()、IoCreateDevice()、AddDevice())的使用。

　　用DriveWizard創(chuàng)建USB框架程序自動生成的兩個工程(Project)文件：TESTFIRM驅(qū)動程序工程和Test_TESTFIRM應(yīng)用程序工程，將光標定位在其中一個工程上之后，單擊右鍵，選擇“set as Acnve Pmiect”即可設(shè)置該工程為當(dāng)前活動工程。對于驅(qū)動程序編譯，不用進行任何設(shè)置，單擊Build圖標即可生成USB驅(qū)動程序TESTFIRM.sys文件。

　　3.3 通信程序

　　因為DriveStudio已經(jīng)替我們把核心驅(qū)動程序基本開發(fā)完了，在本設(shè)計中，只要掌握WriteFile和ReadFile兩個函數(shù)的使用就可以進行簡單的USB通信了。由于DriveStudio所用的類庫是對DDK函數(shù)一定程度的封裝，必須在 VB、VC++等軟件開發(fā)環(huán)境中編譯，創(chuàng)建自己的庫文件，所以很容易為程序增加了圖形界面，使用戶操作更加方便。

　　當(dāng)USB設(shè)備與PC通信時，USB設(shè)備是從設(shè)備，PC是主設(shè)備。PC機通過檢測USB總線數(shù)據(jù)端電平判斷是否接入或拔出USB設(shè)備。PC檢測到USB設(shè)備后，調(diào)用USB設(shè)備函數(shù)。如果設(shè)備被正確打開，軟件開啟監(jiān)聽USB設(shè)備線程，以20ms周期輪詢USB接收數(shù)據(jù)接口。一旦接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就被分析并且回顯到界面上，直到線程被中斷。

　　4 結(jié)論

　　1553B總線是當(dāng)前飛機系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的總線類型，將它與USB總線融合起來具十分重要的實際意義。在開發(fā)過程中，利用DriveStudio與DDK配合進行開發(fā)USB驅(qū)動程序，大大提高了開發(fā)的效率。本設(shè)計在實際設(shè)備測試中，板卡可以穩(wěn)定工作，測試軟件工作正常，滿足項目設(shè)計要求。

　　本文作者創(chuàng)新點：利用PDIUSBDl2外置CPU控制數(shù)據(jù)的讀入和寫出，開發(fā)USB驅(qū)動程序，結(jié)合FPGA完成系統(tǒng)時序控制，是對1553B-USB轉(zhuǎn)換器設(shè)計一種有益的探索。