基于FPGA的1553B總線接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

摘 要： 為降低成本，提高設(shè)計(jì)靈活性，提出一種基于FPGA的1553B總線接口方案；采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，在分析1553B總線接口工作原理和響應(yīng)流程的基礎(chǔ)上，完成了接口方案各FPGA功能模塊設(shè)計(jì)；對(duì)關(guān)鍵模塊編寫VHDL代碼，并采用Active?HDL軟件進(jìn)行了仿真；以Virtex?5 FPGA開發(fā)板和PC機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)，在FPGA中分別模擬BC與RT，在PC機(jī)指令下進(jìn)行了BC與RT功能模塊間的收發(fā)測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)能在協(xié)議規(guī)定的1 MHz數(shù)據(jù)率下穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，為提升接口性能，采用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜傳輸介質(zhì)，利用FPGA內(nèi)嵌RocketIO內(nèi)核進(jìn)行了傳統(tǒng)1553協(xié)議數(shù)據(jù)的光纖傳輸，速率可達(dá)3 Gb/s以上。

關(guān)鍵詞： 1553B總線； 接口； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列； 光纖

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）03?0026?05

Design and verification of 1553B bus interface based on FPGA

PAN Peng?jun， ZHU Hao?wen

（Shanghai Aerospace Institute of Electronic Technology， Shanghai 201109， China）

Abstract： In order to reduce cost and improve design flexibility， a scheme of 1553B bus interface based on FPGA is brought forward in this paper. The design of all FPGA functional modules was completed with the top?down design method by analyzing the working principle and responding flow of 1553B bus interface. The VHDL codes were compiled for the key modules and simulated with Active?HDL software. BC and RT was simulated in FPGA， and the transmitting and receiving test of BC and RT was conducted through Virtex?5 FPGA development board and PC. The results show that the system works stable in 1 Mb/s data rate. To improve interface performance， the traditional transmission cable was replaced by optical fiber. The optical fiber transmission of the traditional 1553B protocol data was realized by embedding RocketIO core into FPGA through instead of copper cable. The data transmission rate is above 3 Gb/s.

Keywords： 1553B bus； interface； FPGA； optical fiber

0 引 言

MIL?STD?1553B[1]（數(shù)字式時(shí)分制命令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線）由美國國防部于20世紀(jì)70年代末提出，它采用曼徹斯特編碼方式和冗余的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有非常好的時(shí)鐘同步能力及容錯(cuò)機(jī)制，極大地簡化了電子設(shè)備之間的互聯(lián)，因而被廣泛應(yīng)用于對(duì)可靠性要求較高的軍事、航空、航天等領(lǐng)域[2]。

隨著1553B總線優(yōu)越性能不斷體現(xiàn)，我國相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增多，其關(guān)鍵地位也日益突出。但由于1553B協(xié)議本身較為復(fù)雜、國內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，在1553B總線的設(shè)計(jì)中大多采用國外的協(xié)議接口芯片，典型如DDC公司的BU?61580等。一方面，這類芯片不僅價(jià)格昂貴，而且容易受國外限制；另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中，芯片許多功能略顯多余，不能進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA可將大量邏輯集成在單片IC中，其內(nèi)部資源豐富，相應(yīng)EDA開發(fā)工具功能強(qiáng)大[3]，是理想的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。FPGA具有開發(fā)周期短、成本低、靈活性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，基于對(duì)協(xié)議規(guī)范的分析，通過FPGA來實(shí)現(xiàn)MIL?STD?1553B總線接口是可行的。本文提出了一種基于FPGA的1553B總線接口設(shè)計(jì)方案，并編寫VHDL代碼進(jìn)行仿真，最后在FPGA上完成了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)1553B協(xié)議數(shù)據(jù)的1 Mb/s電纜傳輸和3 Gb/s以上光纖傳輸。

1 MIL?STD?1553B總線介紹

MIL?STD?1553B是一種命令/響應(yīng)型多路傳輸總線，它采用冗余的總線結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前傳輸線發(fā)生故障時(shí)可立刻切換到冗余傳輸線上，防止通信中斷。同時(shí)，1553B協(xié)議嚴(yán)格規(guī)定了消息格式，限定了每條消息的最大傳輸數(shù)據(jù)量及總線單元的最大響應(yīng)時(shí)間，并規(guī)范了總線耦合方式、電纜電氣特性等，從各個(gè)方面確?？偩€傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

1553B總線包含三種總線單元：總線控制器BC、遠(yuǎn)程終端RT和總線監(jiān)視器MT，各單元在總線控制器BC的調(diào)度下有序地進(jìn)行通信。總線上數(shù)據(jù)以字為基本單位進(jìn)行傳輸，分為命令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字，每個(gè)字包含20位?？偩€單元間每一次數(shù)據(jù)的交換稱為一條消息，1553B協(xié)議規(guī)定了10種消息格式，除此之外其他格式的消息均為非法消息。總線采用曼徹斯特編碼方式，方便接收端提取同步時(shí)鐘，簡化了總線結(jié)構(gòu)[4]。

2 1553B總線接口整體設(shè)計(jì)方案

總線接口是外部系統(tǒng)與總線之間的數(shù)據(jù)交換媒介，其主要功能是完成總線協(xié)議的處理。根據(jù)1553B協(xié)議的特點(diǎn)，總線接口整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

由圖1可知，總線接口包括模擬收發(fā)器、曼徹斯特編解碼器和協(xié)議處理邏輯三大模塊。其中，模擬收發(fā)器完成FPGA輸出信號(hào)與總線信號(hào)之間的電平轉(zhuǎn)換，可由專用轉(zhuǎn)換芯片完成，而曼徹斯特編解碼器和1553B協(xié)議處理邏輯是接口的主要組成部分，完成數(shù)據(jù)編解碼和協(xié)議處理，通過FPGA實(shí)現(xiàn)。總線接口通過一定的地址、數(shù)據(jù)和握手信號(hào)與外部系統(tǒng)相連。

3 曼徹斯特編解碼器模塊設(shè)計(jì)

3.1 1553B總線數(shù)據(jù)格式

信號(hào)編解碼的設(shè)計(jì)方案由總線傳輸層特性決定，1553B消息字格式和曼徹斯特碼型如圖2所示。

圖2 1553B消息字格式和曼徹斯特碼型

1553B總線以字為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)字包含20位，其中前3位為同步頭，后17位為數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位，如圖2（a）所示。

總線數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s，采用曼徹斯特Ⅱ雙相碼編碼方式，每位數(shù)據(jù)中間均有一個(gè)跳變沿，由正到負(fù)的跳變表示邏輯‘1’，由負(fù)到正的跳變表示邏輯‘0’，其碼型對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2（b）所示。

3.2 編碼器設(shè)計(jì)

編碼器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，主要完成對(duì)待發(fā)送消息字的曼徹斯特編碼，并將其并串轉(zhuǎn)換后輸出。由于曼徹斯特碼每位數(shù)據(jù)中間均有跳變，故發(fā)送時(shí)需將每一位分割成兩位，分別發(fā)送。其工作過程為：

（1） 同步頭編碼，若為數(shù)據(jù)字同步頭，則編碼為“111000”（由高位到低位，下同），若為狀態(tài)字或命令字同步頭，則編碼為“000111”；

（2） 數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位編碼，若為‘0’，則編碼為“10”，若為‘1’，則編碼為“01”；

（3） 按由低到高的順序?qū)⒕幋a后的40位數(shù)據(jù)串行輸出。

FPGA采用16 MHz主時(shí)鐘，由于編碼后每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)0.5 μs，故將主時(shí)鐘分頻后產(chǎn)生2 MHz時(shí)鐘來控制編碼器發(fā)送40位數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)送一位，正好滿足1553B總線1 Mb/s的速率要求[5]。

3.3 解碼器設(shè)計(jì)

解碼器主要完成消息字的解碼，并將其串并轉(zhuǎn)換后輸出，其工作過程為：

（1） 檢測(cè)到總線上有效電平，解碼器開始工作；

（2） 同步頭解碼，檢測(cè)到指令字和狀態(tài)字同步頭用“011”表示，檢測(cè)到數(shù)據(jù)字同步頭用“100”表示；

（3） 16位數(shù)據(jù)位和1位奇偶校驗(yàn)位解碼；

（4） 將解碼后的消息字（20位）并行輸出。

同步頭和數(shù)據(jù)位檢測(cè)示意如圖3所示。

由1553B協(xié)議可知，同步頭包含三個(gè)位時(shí)，在1.5個(gè)位時(shí)處有跳變。如圖3（a）所示，同步頭到來后，解碼器連續(xù)采集48個(gè)數(shù)，理論上，采用16 MHz時(shí)鐘，如果檢測(cè)到24個(gè)‘0’和24個(gè)‘1’，則表示收到有效同步頭，但考慮到信號(hào)上升時(shí)間及下降時(shí)間等因素，實(shí)際若檢測(cè)到22個(gè)或者23個(gè)‘0’和‘1’，就可以判定同步頭有效，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)的接收。

數(shù)據(jù)位包含一個(gè)位時(shí)，在0.5個(gè)位時(shí)處有跳變。如圖3（b）所示，在每個(gè)數(shù)據(jù)中間部位，若前一時(shí)鐘采樣到‘0’，后一時(shí)鐘采樣到‘1’，則表示當(dāng)前數(shù)據(jù)位為‘0’，反之則是‘1’。另外，如果采到的數(shù)沒有跳變，為全‘0’或者全‘1’，則產(chǎn)生錯(cuò)誤標(biāo)志，通知協(xié)議處理邏輯或子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理。

4 協(xié)議處理模塊設(shè)計(jì)

4.1 協(xié)議處理模塊響應(yīng)流程

協(xié)議處理模塊實(shí)現(xiàn)BC，RT，MT三種總線終端的協(xié)議處理，在FPGA模塊設(shè)計(jì)之前，根據(jù)1553B協(xié)議對(duì)協(xié)議處理模塊三種工作模式下的響應(yīng)流程分別進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

4.1.1 BC模式[6]

BC（總線控制器）是1553B總線的核心，總線上任何類型的數(shù)據(jù)交換都由它發(fā)起。BC模式下接口響應(yīng)流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

MIL?STD?1553B協(xié)議規(guī)定的總線指令可分發(fā)送指令、接收指令和方式指令三種，共能實(shí)現(xiàn)四種類型的功能：RT到BC的數(shù)據(jù)傳輸、BC到RT的數(shù)據(jù)傳輸、RT到RT的數(shù)據(jù)傳輸和總線管理。根據(jù)圖4，BC模式下接口主要工作過程為：

（1） 根據(jù)外部系統(tǒng)需求發(fā)送相應(yīng)命令字，發(fā)起總線傳輸；

（2） 根據(jù)指令類型的不同，進(jìn)入不同響應(yīng)流程，主要包括數(shù)據(jù)字發(fā)送、數(shù)據(jù)字接收和狀態(tài)字接收等；

（3） 消息完成后進(jìn)行消息結(jié)束處理，主要包括消息結(jié)束標(biāo)志的產(chǎn)生，差錯(cuò)處理，以及根據(jù)收到的RT狀態(tài)字判斷總線終端狀態(tài)等。

需要注意的是，BC如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到RT狀態(tài)回復(fù)，則需重新發(fā)送命令字進(jìn)行重試（Retry）。

4.1.2 RT模式[7]

RT（遠(yuǎn)程終端）是1553B總線上的指令/響應(yīng)型終端，它響應(yīng)BC發(fā)送的指令，按要求接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回送狀態(tài)字，并服從BC的總線管理。RT模式下接口響應(yīng)流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 RT模式下接口響應(yīng)流程

根據(jù)圖5，RT模式下接口主要工作過程為：

（1） 收到命令字后進(jìn)行指令分析，根據(jù)指令類型進(jìn)入相應(yīng)的響應(yīng)流程；

（2） 按照流程進(jìn)行數(shù)據(jù)字接收、發(fā)送，并回復(fù)狀態(tài)字；

（3） 消息完成后進(jìn)行消息結(jié)束處理，主要包括消息結(jié)束標(biāo)志的產(chǎn)生，差錯(cuò)處理，以及特殊方式指令下方式標(biāo)志的產(chǎn)生等。

4.1.3 MT模式

MT（總線監(jiān)控器）是總線上的監(jiān)聽單元，它監(jiān)控總線上的信息傳輸，完成對(duì)總線的上原始數(shù)據(jù)的記錄，但它本身不參與總線的通信。

MT模式接口的功能較為簡單，主要進(jìn)行指令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字的接收并將其寫入相應(yīng)緩存中，方便以后提取分析，可通過BC模式或RT模式下接口相應(yīng)的子模塊實(shí)現(xiàn)。

4.2 協(xié)議處理模塊FPGA總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上三種模式下接口響應(yīng)流程的分析，對(duì)協(xié)議處理模塊各FPGA子功能模塊進(jìn)行了劃分[8]，總體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

協(xié)議處理模塊主要由數(shù)據(jù)接收部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)緩存部分組成，此外還包括超時(shí)檢測(cè)、地址譯碼及讀寫控制、中斷管理等輔助部分。由于三種模式下某些功能重復(fù)，為了提高FPGA資源利用率，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了相應(yīng)模塊的模式復(fù)用，整個(gè)協(xié)議處理邏輯可在外部模式選擇信號(hào)的控制下工作在BC，RT和MT模式。

圖6 協(xié)議處理模塊總體設(shè)計(jì)框圖

16 MHz的全局時(shí)鐘通過時(shí)鐘管理模塊為各FPGA功能模塊提供工作時(shí)鐘，各模塊間通過一定的握手信號(hào)互聯(lián)，保證協(xié)議處理邏輯有序工作。整個(gè)協(xié)議處理模塊的基本工作原理如下：按照1553B協(xié)議規(guī)范，通過接收器接收總線上的數(shù)據(jù)并存入緩存，通過發(fā)送器取出緩存中的數(shù)據(jù)并發(fā)送到總線上，同時(shí)不斷以中斷和握手信號(hào)與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信，通知外部系統(tǒng)向緩存中寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)或從緩存中讀取已接收數(shù)據(jù)，并共同完成差錯(cuò)處理和協(xié)議邏輯的管理[9]。

5 設(shè)計(jì)仿真與驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，編寫了重要模塊的FPGA代碼，模擬實(shí)現(xiàn)BC功能和RT功能，采用Active?HDL軟件仿真，其中BC向RT的數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果如圖7所示。

仿真通過后，在Virtex?5 FPGA[10]平臺(tái)上對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖8所示。將BC功能模塊和RT功能模塊的代碼經(jīng)ISE綜合、布局布線后分別下載到兩塊開發(fā)板中實(shí)現(xiàn)，開發(fā)板通過串口與PC機(jī)通信。PC機(jī)將指令和數(shù)據(jù)寫入FPGA相應(yīng)寄存器中，BC和RT在PC機(jī)指令的控制下進(jìn)行1553B協(xié)議通信。驗(yàn)證過程中通過示波器查看模擬總線的波形，并通過ChipScope觀察和比對(duì)協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)。

驗(yàn)證結(jié)果表明，BC和RT功能模塊能夠正常按照1553B協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成基本1553B協(xié)議的處理，實(shí)現(xiàn)1553B協(xié)議數(shù)據(jù)的1 Mb/s電纜傳輸和3 Gb/s以上光纖傳輸，數(shù)據(jù)比對(duì)無誤，說明該接口設(shè)計(jì)方案實(shí)際可行，具備開發(fā)應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為光纖1553接口的設(shè)計(jì)提供了一定參考價(jià)值。

6 結(jié) 語

本文提出一種基于FPGA的1553B總線接口方案，該接口采用模塊化和通用性設(shè)計(jì)，能夠工作在BC，RT和MT三種模式，實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編解碼，并完成1553B協(xié)議的處理。編寫VHDL代碼對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，證明了其可行性，同時(shí)對(duì)光纖1553接口的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索性研究。目前，1553B接口芯片主要依賴進(jìn)口，若能積極開展該方面的研究，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用IP核，對(duì)于擺脫國外限制，降低成本，提升我國在該領(lǐng)域的自主競爭力具有重要意義，其應(yīng)用前景非常廣泛。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：將FPGA技術(shù)應(yīng)用于1553B總線接口，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)，系統(tǒng)的集成度提高，擴(kuò)展性增強(qiáng)，設(shè)計(jì)靈活性也大大提高。

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