基于FPGA設(shè)計航空電子系統(tǒng)

　　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)計最理想的選擇。其核心為預(yù)先定義的、且經(jīng)過測試的功能,這些功能可以應(yīng)用到 FPGA 設(shè)計中。促使工程師們?yōu)?MIL-STD-1553 實施選擇 IP 設(shè)計的原因有很多,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。設(shè)計師不會束縛于某一個特定的部件、甚至是 FPGA 制造商。這與隨時可能會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）形成了鮮明的對比。對電路實施 FPGA后,設(shè)計可移植到最新的 FPGA 中,一般都無須改變其功能,減少了對軟件的修改（通常是項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、板卡空間和熱負荷。這樣就增加了可靠性,進而提高了 MTBF。減少部件數(shù)量可以降低飛行設(shè)備系統(tǒng)對重量、空間及功耗的需求。如圖 3 所示,設(shè)計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——由于實施了 FPGA 核心,生產(chǎn)和生命周期的成本會隨著時間而下降。FPGA 價格歷來是隨著項目的進行而顯著地下滑,而 ASIC 在長期的生產(chǎn)過程中價格卻會上漲。很多航空電子系統(tǒng)已經(jīng)在其設(shè)計中采用了 FPGA,一個 MIL-STD-1553 核心實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 中集中了多通道實例可進一步節(jié)省成本,只因為單一 FPGA 內(nèi)可以容納多個通道接口。

　　便于重新編程——由 于支持對現(xiàn)場硬件的重新編程,核心的實施顯著降低了設(shè)計風(fēng)險。如果系統(tǒng)需求發(fā)生變化,或者要修復(fù)一個錯誤時,基于 FPGA 的設(shè)計可以在軟件的控制下進行升級。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)一個實 時事件,可以將該功能下移到 FPGA 級別,這樣就將原由軟件實現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)化為硬件功能。

　　適應(yīng)多種機體— —靈活、可重新編程的解決方案適于為多種機體構(gòu)架或針對多用途基礎(chǔ)設(shè)計的飛航測試線上可更換件 (LRU)。由于 USAF和 NATO 的多種機體采用從 MIL-STD-1553B 標(biāo)準(zhǔn)分離出來的協(xié)議,所以多種機體的 LRU 需要靈活、可編程的設(shè)計。某些設(shè)計實施了通過特殊的子地址或模式代碼協(xié)議進行尋址擴展的數(shù)據(jù)集。很多固定翼和可旋轉(zhuǎn)翼飛機同時采用了較老的 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MIL-STD-1553 系統(tǒng)設(shè)計采用基于核心的實施

　　現(xiàn)代 FPGA 的強大功能使其成為 MIL-STD-1553 設(shè)計的理想選擇,這就是 Condor Engineering 推出 FlightCORE 的原因。FlightCORE 是一種允許設(shè)計人員在各種 Altera 和 Xilinx 的 FPGA中輕松實現(xiàn)無版權(quán)的實例化設(shè)計的 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 的個別化模塊 (3mm x 3mm) 集成,即可實現(xiàn)高性能的 MIL-STD-1553設(shè)計。FlightCORE 還允許開發(fā)人員選擇存儲器的大小以恰好地與其系統(tǒng)需求相匹配。圖4還顯示了可以實施內(nèi)部存貯和/或外部雙端口隨機存貯器。該產(chǎn)品還提供了 Manchester II編碼與解碼、信息協(xié)議驗證與合法化及為接口控制和編程實施簡單的共享存貯架構(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。

　　單一芯片上集中多個實例

　　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個邏輯單元,148k bit的內(nèi)存和不到 20個引腳（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相互獨立的實例成為可能,如圖3 所示,某些程序可以在單一FPGA上集中8到10個實例。

　　結(jié)論

　　FPGA 與其容納的“知識產(chǎn)權(quán)”使設(shè)計人員可以對 LRU 進行修改或?qū)ｉT設(shè)計,以適應(yīng)不同的航空電子通信、武器系統(tǒng)和日新月異的升級之間的微小差異。像Condor Engineering的 MIL-STD-1553、1Mb和10Mb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的功能和廢棄問題。