FPGA/DSP技術(shù)的1553B飛機(jī)總線系統(tǒng)通訊軟件的設(shè)計(jì)

目前，隨著工藝和技術(shù)的進(jìn)步，集成電路技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得在一個(gè)芯片上集成一個(gè)可編程系統(tǒng)（Programmable System ON a Chip，PSOC）成為可能。其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）由于其設(shè)計(jì)靈活、速度快，在數(shù)學(xué)專(zhuān)用集成電路的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的理論與實(shí)現(xiàn)手段獲得了快速發(fā)展，已成為當(dāng)代發(fā)展最快的學(xué)科之一。由于其高速的處理速度和強(qiáng)大而又靈活的接口與通信能力，在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

MILSTD1553B數(shù)據(jù)總線具有雙向輸出特性，實(shí)時(shí)性和可靠性高，廣泛應(yīng)用在當(dāng)代的運(yùn)輸機(jī)和相當(dāng)數(shù)量的民航客機(jī)以及軍用飛機(jī)上。

1 1553B數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)構(gòu)成

1553B總線系統(tǒng)主要由3部分組成：總線控制器BC；遠(yuǎn)程終端RT；數(shù)據(jù)總線D ata Bus。
某飛機(jī)的總線系統(tǒng)構(gòu)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(jù)傳輸設(shè)備；INS為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；FDR為飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)；ADC為大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)；IFU為接口組件；FCC為火控計(jì)算機(jī)；SMS為外掛管理系統(tǒng)；LRS為激光測(cè)距系統(tǒng)。

2 1553B數(shù)據(jù)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(yuǎn)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(guò)1個(gè)多路總線接口（MBI）來(lái)完成。可把MBI嵌在計(jì)算機(jī)內(nèi)。該總線有10種消息格式。每個(gè)消息至少包含2個(gè)字，每個(gè)字有16個(gè)消息位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和3個(gè)位長(zhǎng)的同步頭，所有的消息字都采用曼徹斯特II碼構(gòu)成。1553B的數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)淖值母袷饺鐖D2所示。

1553B數(shù)據(jù)總線用的是指令／響應(yīng)型通信協(xié)議。他有3種類(lèi)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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的終端。
(2)遠(yuǎn)程終端(RT)
他是用戶(hù)子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線上的接口，他在BC的控制下提取數(shù)據(jù)或吸收數(shù)據(jù)。
(3)總線監(jiān)控器（MT）
他“監(jiān)控”總線上的信息傳輸，以完成對(duì)總線上的 數(shù)據(jù)源進(jìn)行記錄和分析，但他本身不參與總線的通信。
3 1553B數(shù)據(jù)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(jù)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(jī)總線系統(tǒng)通訊層次結(jié)構(gòu)

參考ISO的開(kāi)放式互連系統(tǒng)七層模式，某型飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)分為5層：應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層、傳輸層、數(shù)據(jù)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(jiǎn)單，從而為硬軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)［2］。應(yīng)用層是通信系統(tǒng)的最高層次，他實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)管理功能（如初始化、維護(hù)、重構(gòu)等）和解釋功能（如描述數(shù)據(jù)交換的含義、有效性、范圍、格式等）。

驅(qū)動(dòng)層是應(yīng)用層與低層的軟件接口。為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的管理功能，驅(qū)動(dòng)層應(yīng)能控制子系統(tǒng)內(nèi)多路傳輸總線接口（簡(jiǎn)稱(chēng)MBI）的初始化、啟動(dòng)、停止、連接、斷開(kāi)、啟動(dòng)其自測(cè)試，監(jiān)控其工作狀態(tài)，控制其和子系統(tǒng)主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

傳輸層控制多路傳輸總線上的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸層的任務(wù)包括信息處理、通道切換、同步管理等。
數(shù)據(jù)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(zhì)上的位流傳輸。
應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層在各個(gè)子系統(tǒng)主機(jī)上實(shí)現(xiàn)，傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層在MBI上實(shí)現(xiàn)。

5 總線系統(tǒng)通訊軟件設(shè)計(jì)

在某型飛機(jī)航空總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一個(gè)很重要的工作就是總線通訊軟件的設(shè)計(jì)。航空總線通訊軟件設(shè)計(jì)包括：驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層的軟件設(shè)計(jì)。其中驅(qū)動(dòng)層直接驅(qū)動(dòng)總線接口板主要完成各個(gè)寄存器的配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；應(yīng)用層是設(shè)計(jì)中的最高層，他管理整個(gè)系統(tǒng)的功能［3］。作為一塊接口板，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)層的軟件的設(shè)計(jì)，他包括3個(gè)方面的內(nèi)容：
（1）FPGA部分的軟件。
（2）DSP部分的軟件。

（3）上位機(jī)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件。
5.1 FPGA程序控制功能

該部分采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě),實(shí)現(xiàn)1553B總線數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、曼徹斯特II碼、錯(cuò)誤檢出、奇偶檢驗(yàn)、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(mén)電路實(shí)現(xiàn)。這里從軟件角度畫(huà)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?qū)崿F(xiàn)的功能如下:

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

(2)實(shí)現(xiàn)RT地址識(shí)別
由于是多RT總線接口板，所以收到數(shù)據(jù)后，應(yīng)該判別該RT地址是否屬于該接口板；

(3)與上位機(jī)消息傳輸控制功能
消息傳輸控制程序完成總線應(yīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在總線接口 板和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)過(guò)程和自檢測(cè)過(guò)程，所要完成的操作如下：
①向FPGA寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)（到總線）。
②從FPGA內(nèi)讀出數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)由DSP處理）。
③向雙口RAM寫(xiě)入數(shù)據(jù)（到上位機(jī)）。
④自檢測(cè)過(guò)程。自檢測(cè)過(guò)程是在收到上位機(jī)的自檢命令后，實(shí)現(xiàn)接口板的數(shù)據(jù)發(fā)送 和接收性能測(cè)試。

(4)中斷控制程序
在DSP芯片TMS320F206接口的設(shè)計(jì)中，使用3個(gè)硬件中斷，INT1，INT2由FPGA來(lái)產(chǎn)生，INT3 則由上位機(jī)來(lái)產(chǎn)生。INT1表明FPGA的接收單元已收到一個(gè)數(shù)據(jù)，通知F206讀數(shù)，INT2表明FPGA的接收單元已收到一個(gè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，通知F206讀取錯(cuò)誤狀態(tài)信息，INT3是上位機(jī)和接口板數(shù)據(jù)傳輸控制的一種手段，通過(guò)INT3中斷，上位機(jī)告訴接口板進(jìn)行數(shù)據(jù)接收還是數(shù)據(jù)發(fā)送操作，發(fā)送多少數(shù)據(jù)，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(yǔ)言混合編程，關(guān)鍵路徑如中斷服務(wù)程序，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序都采用匯編語(yǔ)言以達(dá)到最大的執(zhí)行效率，主程序采用C++編寫(xiě)。

DSP部分軟件的流程圖，如圖6所示。

5.3 上位機(jī)控制程序

主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)在特定的操作系統(tǒng)下對(duì)接口板的軟件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)通訊和傳輸控制。主要使用C++在Windows環(huán)境下進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

6結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于FPGA和DSP對(duì)某型飛機(jī)總線系統(tǒng)通訊軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法。在實(shí)際的運(yùn)用中，較好的實(shí)現(xiàn)了總線系統(tǒng)通訊功能，對(duì)1553B總線研究具有一定的使用和參考價(jià)值。