基于DSP的1553B 總線接口電路設(shè)計(jì)

安 超，陶忠祥，趙飛翔

（空軍航空大學(xué) 作戰(zhàn)指揮系，吉林 長(zhǎng)春 130022）

機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)采集技術(shù)需要滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以及方便下載的需求,以便于地面人員對(duì)獲取信息的處理。這樣可以更好的動(dòng)態(tài)掌握飛機(jī)的作戰(zhàn)狀態(tài)，提高飛行訓(xùn)練效果和作戰(zhàn)能力。1553B數(shù)據(jù)總線作為航空電子綜合系統(tǒng)中信息交流的主干道，使機(jī)載數(shù)據(jù)能在復(fù)雜的環(huán)境中得以保存、交換。DSP作為高速性能的數(shù)據(jù)處理芯片，可以實(shí)現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)采集。FPGA作為高速、復(fù)雜的組合邏輯和時(shí)序邏輯控制器件，更適合外圍電路的連接，將兩者組合使用，滿足了數(shù)據(jù)的高速傳輸與存儲(chǔ)。同時(shí)，隨著1553B數(shù)據(jù)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的頒布，許多電器件公司開發(fā)了能將1553B數(shù)據(jù)總線與CPU相連接的相應(yīng)接口芯片。這樣，使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中更加穩(wěn)定、高速、可靠。本文旨在探討采用DSP與相應(yīng)接口芯片BU-61864，設(shè)計(jì)相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的采集。

1 1553B數(shù)據(jù)總線

MIL＿STD＿1553B是軍工定義的數(shù)字時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線[1],采用曼徹斯特Ⅱ編碼，半雙工工作方式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?Mbps，能掛接31個(gè)遠(yuǎn)置終端，支持3種終端類型。該標(biāo)準(zhǔn)作為美國國防部武器系統(tǒng)集成和標(biāo)準(zhǔn)化管理的基礎(chǔ)之一，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng)，并逐步擴(kuò)展到飛行控制等系統(tǒng)及坦克、艦船、航天等領(lǐng)域。我國參照MIL＿STD＿1553B標(biāo)準(zhǔn)，于1987年頒布了相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)，即GJB-289A。

MIL＿STD＿1553B定義了連接在總線上的3種類型終端，即總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM）。

1)總線控制器（Bus Controller簡(jiǎn)稱BC）：總線控制器的功能就是控制總線上的數(shù)據(jù)流收發(fā)，數(shù)據(jù)總線上有很多BC，但是每次只能一個(gè)BC工作。而且一些RT也能擔(dān)任BC的工作。BC發(fā)送命令給RT，接收并確認(rèn)命令之后，RT給出響應(yīng)。

2)遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal簡(jiǎn)稱 RT）：RT是一個(gè)采用1553B數(shù)據(jù)總線連接各式各樣子系統(tǒng)的設(shè)備，RT接收BC傳送的命令、檢測(cè)錯(cuò)誤并且反饋錯(cuò)誤，即要對(duì)BC作出響應(yīng)。RT特征如下：

①一條數(shù)據(jù)總線可以連接多達(dá)31個(gè)RT。

②每一個(gè)RT可以有多達(dá)31個(gè)子RT。

③RT只有當(dāng)接收并確認(rèn)BC的命令之后，才會(huì)作出響應(yīng)，屬于被動(dòng)式。

3)總線監(jiān)控（Bus Monitor簡(jiǎn)稱 BM）：BM監(jiān)聽總線上的所有數(shù)據(jù)傳輸并且記錄指定的消息。他們的連接如圖1所示。

圖1 典型的總線結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical bus structure

1553總線上的數(shù)據(jù)是以串行數(shù)字脈沖編碼調(diào)制的格式進(jìn)行傳輸，采用的是曼徹斯特Ⅱ雙相電平碼作為數(shù)據(jù)的編碼格式。邏輯1電平由1/0編碼組成（即一個(gè)正脈沖后面緊跟著一個(gè)負(fù)脈沖），邏輯0由0/1編碼組成（即一個(gè)負(fù)脈沖后面緊跟著一個(gè)正脈沖）。

1553B總線上的信息是以字的形式傳輸?shù)?。包括一個(gè)3位的同步位、16位信息位以及一位奇偶校驗(yàn)位。總線上的字共有3種類型：命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字。他們的具體格式如圖2所示。

圖2 字格式Fig.2 Word format

2 硬件選擇

2.1 TMS320C6713芯片介紹

DSP芯片選用TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713[2]，該芯片為TMS320C6000系列DSP平臺(tái)上產(chǎn)生的新的浮點(diǎn)型芯片。其有225 MHz的高速運(yùn)行速度，提供13.5億次/秒浮點(diǎn)運(yùn)算，18億/秒的指令操作。而且，C6713使用2級(jí)緩存的架構(gòu)以及強(qiáng)大多樣化的外設(shè)集：1級(jí)程序緩存是一個(gè)4 kB的直接映射高速緩存，1級(jí)數(shù)據(jù)高速緩存是一個(gè)4 kB的2路組相聯(lián)高速緩存。2級(jí)內(nèi)存和緩存有一個(gè)256 kB的存儲(chǔ)空間，在程序和數(shù)據(jù)之間共享。這個(gè)256 kB存儲(chǔ)器中64 kB可以配置為寄存器、高速緩存或者兩個(gè)的組合，192 kB作為對(duì)應(yīng)的SRAM?？梢姡珻6713應(yīng)用非常靈活。外設(shè)集包括2個(gè)多通道緩沖串行端口（McBSPs）,2個(gè)內(nèi)部集成電路（I2C）總線，一個(gè)專用通用輸出/輸出（GPIO）模塊。 2 個(gè)通用定時(shí)器，主機(jī)接口（HPI），以及1個(gè)能夠與SDRAM、SBSRAM、異步外設(shè)無縫連接的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問（EDMA）控制器（16個(gè)獨(dú)立通道）。

C6713有著非常好的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力。因此，更適合用于對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)量有較高要求的場(chǎng)合。

2.2 BU-61864芯片介紹

由于本文選用的DSP芯片C6713的I/O電平為3.3 V，為簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，選用DDC公司的全3.3 V的1553B協(xié)議芯片BU-61864[3]，這樣無需電平轉(zhuǎn)換，大大提高設(shè)計(jì)效率和減少相關(guān)工作器件。BU-61864芯片內(nèi)部集成了雙收發(fā)器、編/解碼器、協(xié)議邏輯、內(nèi)存管理和中斷控制邏輯，支持BC/RT/MT模式，還提供了一個(gè)4kB的內(nèi)部共享靜態(tài)RAM和與處理器總線之間的緩沖接口，并且有可擴(kuò)展的4K*17bitRAM，兩個(gè)1553B收發(fā)器芯片。

BU-61864有靈活的接收/存儲(chǔ)器接口，能完全實(shí)現(xiàn)1553B協(xié)議所規(guī)定的消息傳輸外，還具有較強(qiáng)的消息管理能力，能全面兼容1553B協(xié)議。其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 BU-61864功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of BU-61864

3 硬件接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由DSP主導(dǎo)，1553B協(xié)議部分由BU-61864協(xié)議芯片完成，外接邏輯電路由FPGA器件完成。其中DSP控制BU-61864的初始化以及消息的讀取和處理。FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的控制和譯碼。而在DSP對(duì)BU-61864相關(guān)寄存器的控制和配置后，它可以工作在BC、RT或BM等模式下。在本次操作中，因?yàn)橹恍枰涗泚碜詸C(jī)載火控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，因此只工作在總線監(jiān)視器模式下即可[4]。

當(dāng)BU-61864接收到一個(gè)消息后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，該中斷信號(hào)就會(huì)向C6713發(fā)送一次中斷申請(qǐng)，C6713響應(yīng)中斷，并向相關(guān)寄存器做出配置。在BU-61864和C6713之間的控制邏輯電路由可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)[5]?？刂七壿嬰娐钒ǖ刂纷g碼電路和邏輯控制電路。其中地址譯碼電路功能是對(duì)接口芯片所使用的C6713存儲(chǔ)器和BU-61864存儲(chǔ)器進(jìn)行地址選擇和譯碼；而邏輯控制電路功能是產(chǎn)生BU-61864所需要的控制信號(hào)以及提供給C6713中斷信號(hào)、握手信號(hào)、插入等待信號(hào)。所有的數(shù)據(jù)總線和地址總線，以及控制信號(hào)、中斷信號(hào)都是由C6713和BU-61864提供給控制邏輯電路。它們的具體電路連接如圖4所示。

4 軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

接口的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用C語言與匯編語言混合編程方式，這樣有著較好的升級(jí)性和高效性[6]。軟件程序目的就是通過上位機(jī)的命令來控制接口卡完成系統(tǒng)啟動(dòng)、自檢、自檢返回、系統(tǒng)停止等工作。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，完成對(duì)機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的讀取和采集。軟件驅(qū)動(dòng)的主要功能是要完成C6713和BU-61864的初始化和中斷服務(wù)程序，控制RAM空間的自檢、與上位機(jī)的通信、中斷響應(yīng)、總線數(shù)據(jù)的讀取發(fā)送。驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖4 硬件接口電路框圖Fig.4 The block diagram of the hardware interface circuit

圖5 驅(qū)動(dòng)程序Fig.5 Driver program

4.1 芯片的初始化

本文最終將用于機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的采集工作，1553B總線接口卡主要是工作在MT模式下，記錄來自機(jī)載火控系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)，為后期的數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析做好準(zhǔn)備。

1)對(duì)BU-61864的初始化

在MT模式下，要完成對(duì)BU-61864的初始化設(shè)置包括初始化相應(yīng)寄存器，設(shè)置中斷屏蔽，使其能正確實(shí)現(xiàn)MT功能[7]。對(duì)BU-61864的初始化有非常嚴(yán)格的順序，順序不對(duì)可能引起芯片初始化失敗，有關(guān)寄存器的配置順序如下：

①首先進(jìn)行軟件復(fù)位，即將開始/復(fù)位寄存器設(shè)置為0X0001，使BU-61864進(jìn)入復(fù)位。

②配置寄存器3，使其為0X8000，進(jìn)入增強(qiáng)模式。

③中斷屏蔽寄存器設(shè)置成0X0001，使能消息完成中斷。

④初始化地址查找表、非法指令表、子地址寄存器等。

⑤配置寄存器1設(shè)置為0X5000，BU-61864進(jìn)入消息監(jiān)測(cè)模式。

⑥配置寄存器2設(shè)置成0X0008，使中斷方式為低電平中斷。

⑦將開始/復(fù)位寄存器配置成0X0002，來啟動(dòng)BU-61864的MT模式。

BU-61864初始化流程圖如圖6所示。

2)對(duì)C6713的初始化

對(duì)C6713的初始化也是設(shè)置相關(guān)寄存器，但是它的主要是有關(guān)寄存器的中斷和串口設(shè)置。包括：中斷屏蔽寄存器（IMR）、中斷使能寄存器（IER）、中斷標(biāo)志寄存器（IFR）、中斷控制寄存器（ICR），波特率設(shè)置寄存器（SCIBAUD）等。同時(shí)，C6713還要根據(jù)選擇來決定通過C語言程序還是EMDA搬移數(shù)據(jù)，據(jù)此初始化相應(yīng)寄存器。若用C語言編寫，需要使能EINT4中斷。若用EMDA，可以不需要CPU參與，減輕工作壓力，那么初始化內(nèi)容有：使能全局中斷、使能EMDA完成中斷、對(duì)讀通道事件寄存器清零、對(duì)讀寫通道的CIPR清零、使能讀寫通道的通道中斷使能寄存器。

圖6 BU-61864初始化流程圖Fig.6 The flow chart of BU-61864 initialization

4.2 自檢任務(wù)描述

自檢模塊的主要任務(wù)就是完成對(duì)BU-61864的4kbRAM空間的檢查，檢測(cè)RAM空間是否出現(xiàn)錯(cuò)誤[8]。具體的操作方法可以向RAM內(nèi)存空間寫人連續(xù)的數(shù)據(jù)，然后讀出來，與原數(shù)據(jù)進(jìn)行比較看是否相等，如果是不相等的，那么表示有錯(cuò)。最后將記錄下的所有的錯(cuò)誤數(shù)通過串行口發(fā)送給上位機(jī)。

4.3 查詢?nèi)蝿?wù)描述

在數(shù)據(jù)查詢模塊中，通過查詢“讀總線數(shù)據(jù)標(biāo)志位”來進(jìn)行1553B總線數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)和上位機(jī)命令的讀取。若“讀總線數(shù)據(jù)標(biāo)志位”的查詢結(jié)果有效，C6713就從BU-61864命令堆棧相應(yīng)的地址處對(duì)4個(gè)地址單元的內(nèi)容進(jìn)行依次讀取。4個(gè)地址單元的內(nèi)容分別為數(shù)據(jù)塊狀態(tài)字、時(shí)間標(biāo)志字、數(shù)據(jù)塊指針和接收到的命令字。然后根據(jù)命令字和數(shù)據(jù)塊指針到數(shù)據(jù)堆棧讀取總線數(shù)據(jù)，最后將接收到的總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。通過查詢“讀串口數(shù)據(jù)命令標(biāo)志位”是否有效來進(jìn)行接收上位機(jī)的命令，根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

為了確保與上位機(jī)握手的可靠性，在查詢程序中設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。并且在查詢程序中判斷緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，看收到的命令是否是一幀完整的命令。若是，則根據(jù)不同的命令設(shè)置系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、自檢等相應(yīng)標(biāo)志，并將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次向前移動(dòng)一幀，數(shù)據(jù)指針也向前移動(dòng)一幀。

5 結(jié)束語

機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)采集記錄逐漸向高速、高效、大容量存儲(chǔ)的方向發(fā)展。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展以其出色的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力使得機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)采集向著更好的方向發(fā)展。

本文對(duì)1553B數(shù)據(jù)總線協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)介紹，結(jié)合C6713的性能特點(diǎn)，通過與協(xié)議芯片BU-61864的硬件接口和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與1553B數(shù)據(jù)總線接口的MT設(shè)計(jì)。本文用途明確，將為機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的采集記錄有著實(shí)用價(jià)值。控制，根據(jù)環(huán)境明暗程度、開關(guān)燈時(shí)間、過往行人情況綜合處理，控制LED路燈的亮滅方式，進(jìn)行優(yōu)化管理，節(jié)省能源，使系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行。防止蓄電池過度充放電，更好地保護(hù)了蓄電池，延長(zhǎng)了整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。因而，本文設(shè)計(jì)的太陽能LED路系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)太陽能路燈的推廣起到了促進(jìn)作用，是有益的嘗試。

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