基於FPGA的航空總線協議接口設計

2020-12-25 電子產品世界

1 引言
數據總線是飛機航電系統中首先運用的數字電子設備之一，其典型代表是飛機內部時分制指令／響應式多路傳輸數據總線MIL-STD-1553B(簡稱1553B)。它利用一條屏蔽的雙絞線進行帶有時鐘信息的數據傳輸。高可靠性1553B已成為我國航空航天領域廣泛採用的軍用總線標準。由於1553B總線協議控制器基本依賴於進口的專用器件，價格昂貴，還受到限制，並且這些器件需要外圍的硬體電路配合工作，如果完成整個總線接口板的設計，還需要單獨的MCU，集成度不高，這樣就在某種程度上限制了設計能力。隨著嵌入式技術的發展，可編程片上系統設計SoPC技術已廣泛應用於諸多領域。這裡採用SoPC技術，以Virtex-II Pro FPGA為核心，實現1553B航空總線傳輸協議的接口邏輯設計。

2 1553B航空總線傳輸協議標準
目前廣泛採用的1553B標準是根據1973年軍標1553原版基礎上發展。1553B是一種集中控制式、飛機內部時分指令／響應型多路串行數據總線標準。具有高可靠性和靈活性。已經成為現代航空機載系統設備互聯的關鍵技術。廣泛應用於飛機、艦船等武器平臺。1553B數據總線的傳輸速率為1Mb／s，協議規定3種字：命令字、數據字和狀態字。字的長度為20 bit，且由同步頭(3 bit)消息塊(16 bit)和奇偶位(1 bit)3部分組成。信息量最大長度為32。總線系統由一個總線控制器(BC)與不多於31個的遠程終端(RT)組成，有時系統中還可加入總線監控器(MT)。總線上傳輸的信息格式主要有BC到RT，RT到BC，RT到RT，以及廣播方式和系統控制方式。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/188898.htm


3 系統設計
該系統採用Xilinx公司的Virtex-II Pm XC2VP30 FPGA為核心，該器件內部帶有2個PowerPC 405處理器核。總線接口協議實現是基於Xilinx Virtex-II Pro開發系統平臺，Virtex-II Pro開發平臺是整個系統的核心。這樣可以快速搭建1553B總線實現平臺。系統的硬體平臺主要由Vinex-II Pro開發板、總線轉換器、總線終端設備和主控計算機構成，系統結構如圖1所示。

在系統開發中，為了提高開發效率，同時系統主要驗證的就是1553B總線協議模塊，因此可充分利用Xilinx公司的Virtex-II Pro開發板。開發板上具有豐富的資源，主要包括：XC2VP30器件、SDRAM (可擴展到2 GB)、高速SelectMAPFPGA配置PROM、RS232串口、嵌入平臺的USB配置埠、高速系統擴展接口(與FPGA的I／O引腳相連)並可選擇差分或單端模式、PS2接口、AC97音頻接口、板上10／100 M乙太網設備等等。這些豐富的板上資源為1553B總線協議邏輯的開發提供支持。
1553B總線協議開發主要在FPGA器件中開發，因此FPGA本身性能的好壞將影響系統的開發。XC2VP30內部具有2個PowerPC 405處理器核、13 969個Slices、分布式RAM為428 KB、136個乘法器單元、塊RAM為2 448 KB、8個DCM、8個多吉比特收發器。因此，選用XC2VP30FPGA完全滿足1553B總線邏輯開發需求。
該系統設計採用Virtex-II Pro系列XC12VP30型FPGA，而FPGA的配置則是硬體設計中很關鍵的問題。FPGA配置是對其內容進行編程。採用SRAM工藝的FPGA，每次上電後都需重新配置。XC2VP30通過模式引腳選擇配置模式，其中M2、M1和M0是專用引腳，HSWAP_EN和配置模式引腳相組合，決定I/O引腳在配置過程中是否具有上拉功能。默認情況下，HSWAP_EN置為高電平，此時在配置過程中關閉I/O引腳的上拉功能；當其置為低電平時，I/O引腳具有上拉功能。當選擇某些配置模式時，CCLK可作為FPGA的信號輸出引腳，也可作為外部時鐘的輸入信號，這些引腳不受VCCO的影響，而是採用2．5 V的輔助電源(VCCAUX)。
圖2給出的是FPGA配置引腳連接電路圖。XC2VP30支持5種配置模式，分別是Slave-serial模式、Master-serial模式、Slave SelectMAP模式、MasterSelectMAP模式和Boundary-Scan (IEEE 1532/IEEE 1149)模式。通過調整配置引腳MO、M1、M2調整配置模式。該系統設計只提供兩種配置模式，在XC2VP30的配置電路中將M0引腳拉為高電平，這樣只能選擇MasterSelectMAP模式和Boundary-Scan模式(即邊界掃描模式)。Master SelectMAP模式是SelectMAP模式的主版本模式，在由XC2VP30所提供的CCLK信號的作用下，器件通過字節寬度數據總線即配置器件XCF32P的[D7：D0]，除了CCLK是由FPGA提供之外，配置時序與Slave SelectMAP模式相似。在邊界掃描模式下，XC2VP30通過專用配置引腳CCLK，DONE，PROG_B，TDI，TDO，MS，TCK按照IEEE 1149.1標準進行配置。

4 1553B航空總線協議接口的SoPC設計
SoPC的開發設計與傳統嵌入式系統設計不同，分為硬體開發和軟體開發。系統設計思想是充分利用FPGA片上資源，以PPC405處理器硬核為核心，1553B接口邏輯為主要設計內容的SoPC系統，在FPGA內部實現系統的總線架構、外設接口、編碼／解碼、消息處理模塊等系統部件和功能，各功能部件在FPGA的內部都是通過IP核的形式連接在一起的。Xilinx為了用戶能夠將自行編寫的邏輯方便連接到OPB總線上，提供總線與用戶邏輯之間的接口，即IPIF(IP Interface，IP接口)，利用IPIF便可解決總線接口信號，總線協議以及其他接口問題。
4．1 曼徹斯特編碼，解碼模塊
曼徹斯特碼編碼／解碼是1553B總線接口重要組成部分，曼徹斯特碼編解碼模塊設計將直接影響總線接口的性能。系統編碼模塊完成曼徹斯特碼的編解碼，並檢測錯誤。它能夠接收具有有效同步字頭的曼徹斯特碼，並對其解碼，識別類型和串並轉換、奇偶校驗等；編碼模塊能將處理器輸出的並行二進位數據進行曼徹斯特碼編碼，再加上同步字頭及奇偶位，從而輸出滿足符合1553B標準的字。
曼徹斯特碼是一種廣泛應用於航空電子綜合系統中的總線數據傳輸的雙極性碼。它在每個碼位中點存在一個跳變，1信號是一個由1到0的負跳沿，而0信號是由0到1的正跳沿。在MIL-STD-1553B協議中其數據格式如圖3所示。

系統的編碼，解碼模塊設計採用同步方式，這樣，所有的觸發器都南一個公共時鐘信號實現同步。因此，可以很好解決毛刺和一些競爭與冒險。
編碼模塊主要分為檢測編碼周期是否開始並產生同步字頭、串並轉換並產生奇偶校驗位、對數據和奇偶校驗位進行編碼。

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