FC－AE－1553與MIL－STD－1553協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的設(shè)計(jì)

查 翔，南建國(guó)，羅海英

（1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，陜西 西安710038；2.中國(guó)人民解放軍94070部隊(duì)，陜西西安710014）

0 引 言

在現(xiàn)有的軍用航空電子系統(tǒng)中，大量的設(shè)備終端采用的是MIL－STD－1553總線協(xié)議，這種總線在當(dāng)今航空電子系統(tǒng)中占有重要的地位［1］。由于越來(lái)越多的航空電子系統(tǒng)被綜合集成，來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的電磁干擾、靜電放射以及電磁脈沖等對(duì)這種電傳輸?shù)目偩€系統(tǒng)的影響會(huì)愈加嚴(yán)重。另一方面，隨著軍用I／O數(shù)據(jù)量的增加，航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量也因此增大，傳統(tǒng)的1553B總線的1Mb／s的速率已遠(yuǎn)不能滿足要求［2］。光纖通道 （fibre channel，F(xiàn)C）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) （ANSI）制定的一種為適應(yīng)高性能數(shù)據(jù)傳輸需要而設(shè)計(jì)的串行傳輸協(xié)議，具有高帶寬、低延遲、低錯(cuò)位率等特性，已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于航空電子設(shè)備互聯(lián)中。針對(duì)航空電子應(yīng)用的需要，產(chǎn)生了專(zhuān)門(mén)的FC航空電子環(huán)境 （FC－AE）方向的應(yīng)用研究，例如在以F－35為代表的飛機(jī)上開(kāi)始采用FC作為機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。FC－AE的子集主要關(guān)注FC協(xié)議在航空電子環(huán)境下的應(yīng)用，特別是支持實(shí)時(shí)控制和響應(yīng)，以及高可靠性、容錯(cuò)性的需要［3］?；?553協(xié)議的上層映射FC－AE－1553屬于FC－AE子集的一種，它的出現(xiàn)解決了1553總線與高速FC拓?fù)渫瑫r(shí)并存、相互融合的問(wèn)題。它利用了FC的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又可兼容原有的1553設(shè)備終端，既保留和繼承了原有的硬件設(shè)施，又實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的平滑升級(jí)，對(duì)航電系統(tǒng)的更新?lián)Q代具有重要的意義［4－5］。本文在研究?jī)煞N協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)構(gòu)差異基礎(chǔ)上，從兩種信息單元格式的映射出發(fā)，致力于設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換的方案，以適應(yīng)當(dāng)前航電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求。

1 FC－AE－1553協(xié)議概述

1.1 基本特性

FC－AE－1553是一個(gè)命令／響應(yīng)式協(xié)議［6］，由于采用光纖通道技術(shù)，性能在1553基礎(chǔ)上有了很大擴(kuò)展，如一個(gè)FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)最大可允許終端數(shù)為224，最大可允許傳送字 （32bit）數(shù)為232，可采用FC提供的所有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，允許數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器之間同時(shí)交叉?zhèn)魉?。同時(shí)FC－AE－1553還支持遠(yuǎn)程直接內(nèi)存存取（RDMA）［7］。

一個(gè)典型的FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)主要包括以下集中元素：網(wǎng)絡(luò)終端 （NT）、網(wǎng)絡(luò)控制器 （NC）、FC網(wǎng)絡(luò)自身、FCAE－1553協(xié)議橋和1553B總線等［8］。NT由存在于FC網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)或傳感器內(nèi)的FC接口組成，能響應(yīng)NC發(fā)出的命令幀，完成子系統(tǒng)與FC網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸。NC負(fù)責(zé)管理所有FC－AE－1553消息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸，這要使用協(xié)議提供的模式代碼來(lái)完成。FC－AE－1553協(xié)議橋可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的控制網(wǎng)絡(luò)和和FC網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，通過(guò)協(xié)議橋FC－AE－1553幀能轉(zhuǎn)換成1553B總線支持的字，1553B的字能轉(zhuǎn)換成 FC－AE－1553幀［9］。

1.2 MIL－STD－1553字到FC－AE－1553協(xié)議幀的映射

FC－AE－1553定義了兩類(lèi)信息單元：NC向NT傳輸?shù)亩喾N信息單元和NT向NC或其它NT傳輸?shù)亩喾N信息單元。每一個(gè)FC－AE－1553交換都是由NC的一個(gè)或一對(duì)命令幀發(fā)起的。FC－AE－1553協(xié)議主要是在FC幀載荷區(qū)的前幾個(gè)字中增加了控制信息，MIL－STD－1553的命令字和狀態(tài)字被映射到FC－AE－1553的命令幀頭和狀態(tài)幀頭［10］。

（1）狀態(tài)字到狀態(tài)幀的映射：根據(jù)FC－AE－1553狀態(tài)幀的格式，MIL－STD－1553狀態(tài)字直接映射到狀態(tài)幀第6個(gè)字的第11位，位12和位11只在協(xié)議橋中的轉(zhuǎn)換過(guò)程用到，為連接到橋上的 MIL－STD－1553的RT提供 “No Response by MIL－STD－1553RT”和 “MIL－STD－1553Format error”條件標(biāo)志。若N＿Port和NL＿Port沒(méi)有連接到橋上，那么此兩位不使用，前19位作保留。在傳輸時(shí)這19位的值均為0。

（2）命令字到命令幀的映射：FC－AE－1553在每個(gè)交換過(guò)程開(kāi)始時(shí)由NC發(fā)出單個(gè)的命令幀序列，其中每個(gè)命令幀均包含F(xiàn)C－AE－1553命令幀頭。FC－AE－1553命令幀頭包含12個(gè)字，F(xiàn)C標(biāo)準(zhǔn)幀頭在前6個(gè)字，后面緊跟的6個(gè)字是FC－AE－1553幀頭的擴(kuò)展，通常是載荷區(qū)的前6個(gè)字。FC－AE－1553命令幀的第5個(gè)字可能作為相對(duì)偏移參數(shù)，可作為計(jì)數(shù)器。

（3）數(shù)據(jù)字到數(shù)據(jù)幀的映射：數(shù)據(jù)字的映射最為簡(jiǎn)單，因?yàn)閿?shù)據(jù)幀的幀頭不需要進(jìn)行擴(kuò)展，幀頭部分與FC標(biāo)準(zhǔn)幀頭相同。

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的總體分析

通過(guò)分析FC－AE－1553和 MIL－STD－1553協(xié)議，若消息的通信是在 MIL－STD－1553或者是 FC－AE－1553本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，那么就不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換；若兩網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備終端需要通信，則必須要有協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的存在［11］。根據(jù)兩網(wǎng)絡(luò)各自的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)兼容1553總線控制器BC和FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)NT的通信適配器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的映射，其實(shí)質(zhì)就是創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)關(guān)，在FC－AE－1553和 MILSTD－1553網(wǎng)絡(luò)間充當(dāng)消息傳遞的中介。

兩種網(wǎng)絡(luò)的橋接方案如圖1所示，它描述了將傳統(tǒng)的1553總線中的設(shè)備終端橋接到FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)的方法。在橋接模塊的左端，1553總線控制器BC將FC－AE－1553命令幀序列轉(zhuǎn)換為 MIL－STD－1553消息片 （命令字或命令字加數(shù)據(jù)字），然后通過(guò)1553總線傳遞給RT。RT以 MILSTD－1553狀態(tài)字 （也可能帶數(shù)據(jù)）響應(yīng)，橋接模塊在右端把狀態(tài)字響應(yīng)轉(zhuǎn)換成FC－AE－1553狀態(tài)幀，并在FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

圖1 光纖網(wǎng)絡(luò)與1553總線間的橋接

一個(gè)FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)中允許存在多個(gè)橋，并且每個(gè)橋可連接不同的1553總線，但每條1553總線上同一時(shí)刻只允許一個(gè)橋起作用，即只有一個(gè)BC處于活動(dòng)狀態(tài)［12－13］。為了使MIL－STD－1553的RT能與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信，NC使用 了 FC－AE－1553擴(kuò)展幀頭的子地址域（Subaddress），前22位用作協(xié)議橋的子地址，后面的低0－4位用來(lái)標(biāo)識(shí) MIL－STD－1553的 RT。MIL－STD－1553的 RT 可以接收NT到RT或RT到RT的消息。FC－AE－1553協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的各功能層次如圖2所示。

在圖2中，前置處理模塊負(fù)責(zé)完成 MIL－STD－1553消息總線接口的控制處理，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)消息片和幀的轉(zhuǎn)換處理，后置處理模塊主要負(fù)責(zé)與FC－AE－1553網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換。根據(jù)各自模塊的功能，可設(shè)計(jì)一種協(xié)議轉(zhuǎn)換的方案，實(shí)現(xiàn)這種橋接的功能。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的各功能層次

3 協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的設(shè)計(jì)

3.1 功能分析

根據(jù)對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換方案各功能的分析，若將幀轉(zhuǎn)換為消息字稱(chēng)作下行，將消息字轉(zhuǎn)換為幀稱(chēng)作上行，那么可考慮將兩種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換放到上、下行模塊中實(shí)現(xiàn)。此外，在協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與后置處理模塊的幀傳輸過(guò)程中還要考慮數(shù)據(jù)出錯(cuò)的情況，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)幀的有效性判定的模塊。另外，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與前置處理模塊之間卻不需要考慮出錯(cuò)和超時(shí)的問(wèn)題，因?yàn)榍爸锰幚砟K的BC協(xié)議處理單元本身就具有差錯(cuò)處理功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的子模塊功能劃分如圖3所示。從圖3中可以看出，這里包含3個(gè)子模塊：有效性判定模塊和上、下行處理模塊。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的子模塊功能劃分

3.2 有效性判定模塊的設(shè)計(jì)方案

在NT到NT通信中，有消息交互時(shí)端口進(jìn)入激活狀態(tài)，首先是NT1發(fā)送命令幀，然后等待要反饋的狀態(tài)序列。NT2接收到命令幀后，發(fā)送狀態(tài)幀，若沒(méi)有傳輸差錯(cuò)，NT1則收到正確的狀態(tài)序列。該設(shè)計(jì)的處理過(guò)程略微復(fù)雜，命令幀、數(shù)據(jù)幀和狀態(tài)幀有效性判定的設(shè)計(jì)可歸結(jié)為以下過(guò)程：

（1）命令幀序列的處理過(guò)程：判斷狀態(tài)幀的返回是否超時(shí)，若在時(shí)間閾值范圍內(nèi) （即不超過(guò)ULP＿NT＿CS＿TOV），則進(jìn)入到處理流程。首先進(jìn)行8B／10B解碼，確保輸出的有效性，再判斷幀頭 （SOF）是否合法以及CRC校驗(yàn)，最后將處理后的數(shù)據(jù)存入FIFO中。

（2）狀態(tài)幀的處理過(guò)程：首先是端口進(jìn)入到激活狀態(tài)，一旦進(jìn)入激活狀態(tài)，端口就通過(guò)IDLE原語(yǔ)保持現(xiàn)有狀態(tài)。然后進(jìn)入到處理階段，傳輸幀先經(jīng)過(guò)8B／10B解碼，若有效則進(jìn)行輸出。再判斷命令幀的幀頭 （SOF）是否合法，并用CRC校驗(yàn)，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入到異步FIFO中

（3）數(shù)據(jù)幀的處理過(guò)程：處理過(guò)程與狀態(tài)幀相似，不同之處就是多了數(shù)據(jù)幀的計(jì)數(shù)以及幀頭內(nèi)容的不同。接收過(guò)程為：判斷數(shù)據(jù)幀開(kāi)始的時(shí)間與狀態(tài)幀結(jié)束時(shí)間的時(shí)間間隔是否超出時(shí)間閾值 （即不超過(guò)E＿D＿TOV）。若不超時(shí)則清零數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)器，然后檢驗(yàn)8B／10B解碼的有效性、FC幀頭和擴(kuò)展幀頭，以及CRC校驗(yàn)，最后數(shù)據(jù)幀處理完成，計(jì)數(shù)器值加1。接收下一數(shù)據(jù)幀時(shí)，再重復(fù)此過(guò)程。

在對(duì)整個(gè)協(xié)議流程的分析后，可以確定整個(gè)處理過(guò)程分兩個(gè)階段：一是端口初始化，建立連接；二是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 上、下行模塊的設(shè)計(jì)方案

3.3.1 下行模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)通信的處理流程，確定NT發(fā)往RT的完整流程（下行），基本的設(shè)計(jì)思路是：判斷幀類(lèi)型→判斷幀有效性→幀頭解碼→擴(kuò)展幀頭解碼→幀轉(zhuǎn)換為消息→經(jīng)BC發(fā)至RT。設(shè)計(jì)處理流程如圖4所示。

3.3.2 上行模塊的設(shè)計(jì)

上行模塊的處理過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，主要涉及到命令字和狀態(tài)字的映射處理。從命令字與命令幀的映射規(guī)則來(lái)看，命令字到命令幀轉(zhuǎn)換的主要工作是各個(gè)字段的填充，這是在數(shù)據(jù)區(qū)實(shí)現(xiàn)的。命令字轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)步驟為：

（1）模塊初始化，將控制字填充，命令字的T／R位映射到命令字的第2位，其它為0；

（2）模塊填充子地址／模式字 （第7個(gè)字），映射命令字的RT地址、RT子地址；

（3）模塊填充數(shù)據(jù)字節(jié)計(jì)數(shù)／模式碼字 （第8個(gè)字），映射命令字模式碼。

參考狀態(tài)字到狀態(tài)幀的映射關(guān)系，對(duì)于NT發(fā)出的狀態(tài)字，如果1553的RT在時(shí)間限制內(nèi)無(wú)響應(yīng)，那么No Response by MIL－STD－1553RT置1，NT不會(huì)發(fā)送任何數(shù)據(jù)字，否則置0。如果消息錯(cuò)誤位為1，則表明接收RDMA、發(fā)送RDMA、T／R＊位、子地址、字節(jié)計(jì)數(shù)／模式碼域的組合對(duì)當(dāng)前交換非法，這是一種存在的情況。Service Request位是可選的，若預(yù)定了NT或相關(guān)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制器行為的話，此位設(shè)為1；為0則表示NT沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這些特征，或者是服務(wù)請(qǐng)求不存在。狀態(tài)字的轉(zhuǎn)換主要涉及到相關(guān)的條件判斷以及做出相應(yīng)的位操作［14］。設(shè)計(jì)狀態(tài)字的具體轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。

4 仿真分析

在對(duì)FC－AE－1553與 MIL－STD－1553協(xié)議轉(zhuǎn)換方案各模

塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行描述后，使用開(kāi)發(fā)平臺(tái)間接地測(cè)試各模塊的性能。采用Altera公司的FPGA／CPLD開(kāi)發(fā)工具 QuartusII，版本為6.0。QuartusII軟件完全支持VHDL和Verilog的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也具備仿真功能，提供第三方仿真工具的接口，可以直接調(diào)用第三方仿真工具［15－16］。測(cè)試過(guò)程使用verilog編程，用QuartusII進(jìn)行編譯和仿真。

將測(cè)試程序反復(fù)調(diào)試，運(yùn)行得到有效性判定模塊的仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 有效性判定模塊仿真結(jié)果

從圖6可以看出，當(dāng)ReqA為高電平時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到達(dá)時(shí)，會(huì)立即收到一個(gè)AcKA，此時(shí)地址總線AddBus＿ProcA上的地址信息將會(huì)被寫(xiě)入到地址總線緩沖器AddBus＿RAM中，因此數(shù)據(jù)寫(xiě)總線DataWriteBus＿ProA的信息被存入數(shù)據(jù)寫(xiě)總線緩存器DataWriteBus＿RAM中。由此可知仿真測(cè)試結(jié)果符合模塊的設(shè)計(jì)流程。類(lèi)似的上、下行模塊的仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)當(dāng)前航空電子系統(tǒng)的現(xiàn)狀作了分析與研究，針對(duì)光纖通道給機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)而設(shè)計(jì)了FC－AE－1553與MIL－STD－1553兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換的方案，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的1553總線系統(tǒng)的平滑升級(jí)。以具體流程圖的形式對(duì)各個(gè)子模塊的功能和設(shè)計(jì)思路給出了具體描述，建立了相關(guān)的模型，并通過(guò)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模塊設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)時(shí)性，可以很好的完成協(xié)議橋功能，同時(shí)也適合于網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的傳輸控制，因此對(duì)實(shí)際軟硬件設(shè)計(jì)提供一種有效途徑，也具有一定的通用性。FC－AE－1553的應(yīng)用是當(dāng)前航空電子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，它可以很好的滿足將來(lái)航空電子系統(tǒng)的高性能要求，有著良好的應(yīng)用前景。

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