支持多種航電通信協(xié)議系統(tǒng)的設(shè)計

郭良帥 宗竹林

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

1 引言

在航電系統(tǒng)發(fā)展中，先后出現(xiàn)了多種通信協(xié)議。其中，于上世紀(jì)七十年代制定的MIL-STD-1553B［1］(以下簡稱 1553B)是目前應(yīng)用最為廣泛的航電通信協(xié)議之一，現(xiàn)有的大量航空電子設(shè)備都是基于1553B的，在軍用航電領(lǐng)域尤其如此。1553B總線結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，傳輸速率為1Mb/s。然而在近20年航電設(shè)備的發(fā)展中，出現(xiàn)了越來越多對通信速率有著很高要求的新應(yīng)用，如視頻及高清圖像的實(shí)時傳輸?shù)?。這些新應(yīng)用常常需要幾百M(fèi)甚至更高的帶寬，1553B無法滿足這些應(yīng)用。為突破這一瓶頸，研究者們將已在局域網(wǎng)存儲領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的光纖通道(Fibre Channel，F(xiàn)C)技術(shù)引入到航電領(lǐng)域，并制定了相應(yīng)的子協(xié)議FCAE(Fibre Channel— Avionics Environment)。由于光纖通道技術(shù)可以支持1G、2G、4G甚至10G的帶寬，并且有極強(qiáng)的抗干擾能力［2］，因此可以滿足未來航電設(shè)備高速互聯(lián)的要求。另外為了兼容已有的1553B設(shè)備，研究者們開發(fā)了上層協(xié)議FC-AE-1553B來支持將1553B設(shè)備接入光纖通道網(wǎng)絡(luò)。在這種背景下，對1553B、FC-AE和FC-AE-1553B三種航電通信協(xié)議進(jìn)行綜合研究無疑對航電系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的意義。然而，目前航電協(xié)議相關(guān)的通信板卡產(chǎn)品中，僅1553B板卡較多，而FCAE板卡較少，F(xiàn)C-AE-1553B板卡幾乎沒有。為解決這一不便，給航電通信協(xié)議的研究和開發(fā)工作提供更好的支持，本文中設(shè)計了一種可以運(yùn)行這三種協(xié)議的板卡，并詳述了如何基于此板卡搭建航電網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)按功能劃分為兩部分:協(xié)議通信和數(shù)據(jù)測試。系統(tǒng)將配備了相應(yīng)通信接口的硬件開發(fā)板作為網(wǎng)絡(luò)終端，并按照相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⒍鄠€開發(fā)板相連，組網(wǎng)完成協(xié)議通信;網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時通信數(shù)據(jù)由開發(fā)板通過PCIE、Ethernet接口發(fā)送給計算機(jī)并進(jìn)行測試。整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示(本文以方格紋飾的方框代表開發(fā)板)，可以看出，開發(fā)板的設(shè)計是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

開發(fā)板采用“FPGA+外圍通信接口”的結(jié)構(gòu)見圖2。開發(fā)板通過四條通信鏈路——1553B通路、FC通路、Ethernet通路、PCIE通路分別與1553B總線、光纖通道網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)PCIE卡槽、計算機(jī)網(wǎng)口相連。

圖2 硬件開發(fā)板結(jié)構(gòu)框圖

開發(fā)板的組成器件及選型依據(jù)如下:

a.FPGA選用的是Xilinx公司Virtex-5系列的芯片 XC5VFX70T［3］，封裝為 FF1136。此 FPGA 芯片工藝先進(jìn)，片內(nèi)資源豐富:可配置邏輯資源達(dá)11200個Slice，36Kb的 Block RAM 共148個，Distributed RAM共820Kb。根據(jù)Xilinx的開發(fā)軟件ISE的仿真結(jié)果，該芯片的邏輯資源可以滿足三種協(xié)議的要求。芯片內(nèi)置有3個PCIE端點(diǎn)模塊，4個10/100/1000Mbps Ethernet MAC，1個PowerPC 440處理器，這些IP核將有助于簡化開發(fā)過程。另外，該FPGA的高速串行收發(fā)器(GTX)速度可達(dá)6.5Gbps，因此可以支持1G、2G、4G的光纖通道。

b.1553B接口由 HI-1575加 DB2725組成。HI-1575是HOLT公司的一款1553B總線收發(fā)器芯片，內(nèi)置有Manchester II編解碼器，IO寬度16bit，它通過總線隔離變壓器DB2725與1553B總線耦合起來。HI-1575僅僅是總線收發(fā)器，1553B協(xié)議處理由FPGA來完成。

c.光纖通道接口采用的是Source Photonics公司的一款速率為2.125Gbps的SFP，型號為SP-TRLX-CDFA。SFP是一種用于光纖通道的串行收發(fā)的光電轉(zhuǎn)換模塊。由于SFP封裝的兼容性以及易插拔的特點(diǎn)，以后在需要時可以方便地更換為更高速率的SFP。FC協(xié)議處理由FPGA完成。由于FC有三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，故FPGA中FC協(xié)議處理模塊的實(shí)現(xiàn)要考慮所應(yīng)用的具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

d.Ethernet接口由 MAC、PHY、變壓器、RJ45 依次連接組成。其中，MAC通過調(diào)用FPGA內(nèi)置的MAC核實(shí)現(xiàn)。PHY采用Marvel的88E1111，可配置為三種速率模式:10/100/1000Mbps。變壓器與RJ45用HFJ11-1G02實(shí)現(xiàn)，它是一種內(nèi)置了變壓器的RJ45。當(dāng)開發(fā)板接入的是低速網(wǎng)絡(luò)時，計算機(jī)可以通過Ethernet獲取實(shí)時通信數(shù)據(jù)。例如在1553B協(xié)議下，總線上數(shù)據(jù)傳輸速率只有1Mb/s，Ethernet完全可以滿足要求，并且簡單易用。

e.PCIE接口由金手指和FPGA內(nèi)置的PCIE端點(diǎn)組成，使用時需要在操作系統(tǒng)上編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。PCIE單通道最大數(shù)據(jù)帶寬500Mbps［4］。當(dāng)開發(fā)板接入光纖通道網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)2G左右，此時開發(fā)板與計算機(jī)的通信必須通過PCIE接口。本開發(fā)板采用的是8通道的PCIE，即單向最大數(shù)據(jù)帶寬4Gbps，這樣不但可以滿足現(xiàn)在的應(yīng)用要求還為系統(tǒng)留下了很大的升級空間。

f.為了暫時存儲通信時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并考慮到此過程的高速性，開發(fā)板上配置了一塊高速雙端口靜態(tài)存儲器CY7C0852，它可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫，最高時鐘頻率為167MHz，容量為4Mbit，數(shù)據(jù)寬度32位，可以滿足系統(tǒng)應(yīng)用。

3 系統(tǒng)功能

基于此開發(fā)板搭建系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)1553B網(wǎng)絡(luò)通信、FC-AE網(wǎng)絡(luò)通信、1553B網(wǎng)絡(luò)與FC-AE-1553B網(wǎng)絡(luò)的相互通信，并可以通過計算機(jī)接口完成數(shù)據(jù)測試。

3.1 基于1553B協(xié)議的通信

1553B是一種命令/響應(yīng)式總線協(xié)議，其終端包括一個BC和若干個RT［5］。開發(fā)板可以用作一個1553B終端，并配置為BC或RT，兩者僅在協(xié)議處理模塊有所不同。如圖3所示。

圖3 用開發(fā)板搭建的1553B網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)讀入過程:1553總線上的信號由DB2725耦合后發(fā)給HI-1575，經(jīng)過曼徹斯特解碼(如果是接收則是編碼)以及串并轉(zhuǎn)換(如果是接收則是并串轉(zhuǎn)換)后，通過16位IO總線發(fā)送給FPGA的“1553B協(xié)議處理”模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。在此過程中，F(xiàn)PGA中的數(shù)據(jù)可以通過Ethernet發(fā)送給計算機(jī)進(jìn)行測試。數(shù)據(jù)發(fā)送過程大致相反。

3.2 基于FC-AE協(xié)議的通信

作為FC的子協(xié)議［6］，F(xiàn)C-AE與FC的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同。FC有三種拓?fù)?直接相連的點(diǎn)對點(diǎn)式、首尾依次相連的仲裁環(huán)式、通過交換機(jī)相連的交換式。在點(diǎn)對點(diǎn)及交換式結(jié)構(gòu)中，終端被稱為NPort，在仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)中終端被稱為NL-Port。開發(fā)板可以配置為N-Port，也可以配置為NL-Port，兩者在FPGA的“FC-AE協(xié)議處理”模塊會有所不同。用開發(fā)板搭建的FC-AE網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 用開發(fā)板搭建的FC-AE網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)讀入過程:FC-AE網(wǎng)絡(luò)上的信號由SFP讀入并完成光電轉(zhuǎn)換，然后通過GTX(高速串行收發(fā)器)接口讀入FPGA并完成串并轉(zhuǎn)換，接著數(shù)據(jù)被送入“FC-AE協(xié)議處理”模塊。處理后的數(shù)據(jù)被寫入雙端口的SRAM中，等待被發(fā)送回FC-AE網(wǎng)絡(luò)或者由“PCIE控制器”模塊讀出然后通過PCIE金手指接口發(fā)送給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。數(shù)據(jù)發(fā)送過程大致相反。

3.3 基于FC-AE-1553B協(xié)議的通信

為了將已有的1553B設(shè)備接入光纖通道，研究者們制定了上層協(xié)議FC-AE-1553B。與1553B一樣，F(xiàn)C-AE-1553B也是一種命令/響應(yīng)式總線，其終端包括至少一個NC，若干NT以及協(xié)議橋［7］，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有“仲裁環(huán)式”和“交換式”兩種。FCAE-1553B通過協(xié)議橋?qū)?553B設(shè)備接入光纖通道。開發(fā)板可以配置為不同的終端，如圖5所示，開發(fā)板1是1553B的終端，開發(fā)板2被配置為協(xié)議橋，開發(fā)板3、n配置為NT，開發(fā)板4配置為NC。NC和NT的結(jié)構(gòu)組成僅在“協(xié)議處理模塊”有所不同。協(xié)議橋具有雙重身份——1553B上的 BC和 FC-AE-1553B上的NT，其“協(xié)議轉(zhuǎn)換”模塊負(fù)責(zé)完成1553B格式與FC-AE-1553B格式之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)FCAE-1553B網(wǎng)絡(luò)自有的終端通信時，其過程與FC-AE相似;當(dāng)FC-AE-1553B與1553B網(wǎng)絡(luò)通信時，則需通過協(xié)議橋，具體過程如下:

數(shù)據(jù)從1553B網(wǎng)絡(luò)到FC-AE-1553B網(wǎng)絡(luò)的過程:開發(fā)板1(RT)將數(shù)據(jù)編碼后以串行信號形式發(fā)送到1553總線上，開發(fā)板2(BC)將總線上的這些信號由變壓器DB2725耦合至收發(fā)器芯片HI-1575，曼徹斯特解碼和串并轉(zhuǎn)換完成后，通過16位IO總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行從1553B到FC-AE-1553B的轉(zhuǎn)換，在處理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被暫存于雙端口SRAM中，協(xié)議轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)從SRAM讀出并進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，再經(jīng)GTX接口發(fā)送給SFP做電光轉(zhuǎn)換，最后發(fā)送到FC-AE-1553B網(wǎng)絡(luò)上。

數(shù)據(jù)從FC-AE-1553B網(wǎng)絡(luò)到1553B網(wǎng)絡(luò)的過程大致相反。在數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)換的過程中，所有的RT、協(xié)議橋、NC和NT均可以通過PCIE及Ethernet將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)進(jìn)行測試。

圖5 1553B網(wǎng)絡(luò)與FC-AE-1553B網(wǎng)絡(luò)的橋接

4 結(jié)束語

航電系統(tǒng)的綜合化發(fā)展方向，對航空總線的性能提出了很高的要求。光纖通道以其優(yōu)異的性能將逐步取代1553B成為新一代航電設(shè)備互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。為了解決更新?lián)Q代過程中產(chǎn)生的“兼容問題”，推動航電系統(tǒng)的平滑升級，研究者們在光纖通道的基礎(chǔ)上定義了FC-AE-1553B協(xié)議來規(guī)范1553B設(shè)備接入光纖通道的方法。因此綜合研究多種協(xié)議對新型航電系統(tǒng)的研發(fā)有著重要的意義。本文中設(shè)計的開發(fā)板可以配置成三種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜魏谓K端——1553B中的BC和RT，F(xiàn)C-AE中的N-Port和NL-Port，F(xiàn)C-AE-1553B 中的 NC、NT 和 Bridge(協(xié)議橋)，并可以很容易地組網(wǎng)完成通信。同時，開發(fā)板上的PCIE與Ethernet接口使得開發(fā)人員可以在計算機(jī)上方便地對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時測試。開發(fā)板上的大容量FPGA設(shè)計使得開發(fā)人員還可以開發(fā)或測試其他基于光纖接口的新型協(xié)議。這將對新型航電設(shè)備的發(fā)展起到一定的積極作用。

［1］Department of Defense，Aircraft internal time division command/response multiplex data［S］.1978.

［2］許亞軍，張曉林，熊華鋼.FC互聯(lián)的可靠性建模［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，(31)5:539-543.

［3］Xilinx.Virtex-5 Family Overview［S］.www.xilinx.com.2009，1-13.

［4］PCISIG.PCI ExpressTM Base Specification Revision 1.1［S］.www.pcisig.com.2009，1-13.

［5］ 徐麗清.1553B總線接口技術(shù)研究及FPGA實(shí)現(xiàn)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［6］張偉.航空電子系統(tǒng)中的光纖通道技術(shù)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006，26-28.

［7］ 饒新益.FC-AE-1553B協(xié)議橋的研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，200，9-43.