基于復(fù)雜協(xié)議的硬件實(shí)裝代理硬件設(shè)計(jì)

許文騰, 柳中華, 袁 剛

(92941部隊(duì)93分隊(duì),葫蘆島 125000)

基于復(fù)雜協(xié)議的硬件實(shí)裝代理硬件設(shè)計(jì)

許文騰, 柳中華, 袁 剛

(92941部隊(duì)93分隊(duì),葫蘆島 125000)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)特點(diǎn)是成體系作戰(zhàn),單一武器性能的檢驗(yàn)試驗(yàn)已不符合潮流。檢驗(yàn)武器裝備體系對(duì)抗能力成為試驗(yàn)的關(guān)鍵,為了更好地完成海軍武器裝備試驗(yàn)任務(wù),海軍靶場(chǎng)需要充分調(diào)動(dòng)現(xiàn)有資源完成任務(wù)。目前海軍靶場(chǎng)擁有種類繁多的基于各類通訊協(xié)議的實(shí)物資源,為充分利用各種現(xiàn)有實(shí)裝資源,開展虛擬資源與實(shí)際資源之間互操作,必須將現(xiàn)有各種實(shí)物資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝,采用軟件或自動(dòng)化接口技術(shù),使其接口符合內(nèi)外場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)通用規(guī)范,轉(zhuǎn)換為靶場(chǎng)采用的試驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)中的試驗(yàn)資源。本文介紹了基于復(fù)雜協(xié)議的硬件實(shí)裝代理總體設(shè)計(jì),并詳細(xì)介紹了各類接口的設(shè)計(jì)。

復(fù)雜協(xié)議; 硬件代理; 聯(lián)合試驗(yàn); 仿真

1 引 言

隨著新軍事變革的不斷推進(jìn),未來作戰(zhàn)形式的轉(zhuǎn)變給武器裝備提出了更高更新的要求,武器裝備不僅要具有良好的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能,同時(shí)也必須具備充分的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力和裝備體系整體對(duì)抗能力。因此新型武器裝備能否在實(shí)戰(zhàn)使用之前的真實(shí)作戰(zhàn)能力和滿足戰(zhàn)場(chǎng)需求的程度做出全面的評(píng)價(jià)和鑒定,將在未來作戰(zhàn)中對(duì)戰(zhàn)局產(chǎn)生重大影響。為了能夠在武器裝備投入實(shí)戰(zhàn)之前就準(zhǔn)確掌握其真實(shí)作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境適應(yīng)程度,比較合理的方法就是人為制造一個(gè)假設(shè)的戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)武器裝備的作戰(zhàn)使用性能進(jìn)行試驗(yàn)與鑒定,也就是在近似實(shí)戰(zhàn)條件下對(duì)武器裝備進(jìn)行全面的綜合性試驗(yàn),即作戰(zhàn)試驗(yàn)[1]。內(nèi)外場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)采用類似HLARTI的“發(fā)布—訂購”數(shù)據(jù)交互機(jī)制和系統(tǒng)封裝集成機(jī)制[2],將艦平臺(tái)實(shí)裝、外場(chǎng)電磁干擾設(shè)備、外場(chǎng)目標(biāo)模擬設(shè)備以及靶場(chǎng)指控、測(cè)控系統(tǒng)整合到一個(gè)內(nèi)外場(chǎng)合成的虛擬試驗(yàn)環(huán)境,利用“虛擬打靶”(也稱“仿真交戰(zhàn)”)方式開展艦載導(dǎo)彈全系統(tǒng)、全要素、全流程的內(nèi)外場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)。為把現(xiàn)有資源整合在一起就需要有代理設(shè)備,而本文主要對(duì)硬件代理進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 基于復(fù)雜協(xié)議的硬件實(shí)裝代理總體設(shè)計(jì)

整個(gè)內(nèi)外場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)或其他資源通過網(wǎng)絡(luò)連接組成,連接的資源都可以

作為一個(gè)獨(dú)立成員加入系統(tǒng),成員之間通過用中間件進(jìn)行資源對(duì)象的訂購發(fā)布機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,每個(gè)成員都能獨(dú)立地向其余成員進(jìn)行對(duì)象或?qū)傩缘挠嗁徟c發(fā)布,通過硬件實(shí)裝代理的實(shí)物資源作為試驗(yàn)系統(tǒng)中獨(dú)立成員。實(shí)物資源通過硬件實(shí)裝代理參與試驗(yàn)的方式如圖1所示。

圖1 實(shí)物資源通過硬件實(shí)裝代理接入試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig 1 Actual resources connection with test system via hardware agent of real weaponry

硬件實(shí)裝代理的總體方案如圖2所示。

圖2 硬件實(shí)裝代理總體方案框圖Fig 2 Outline design for hardware agent of real weaponry

硬件實(shí)裝代理集成了1553B、RS422/485、ARINC429、CAN總線和網(wǎng)絡(luò)接口這5種通訊接口,實(shí)物資源向試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)參數(shù)時(shí),將這些數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的通訊協(xié)議發(fā)送給設(shè)備相應(yīng)的通訊模塊,通訊模塊對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解析得到硬件協(xié)議格式的有效數(shù)據(jù)。

不同通訊模塊解析出的數(shù)據(jù)以32位、16位、8位等不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行緩存,多種數(shù)據(jù)長(zhǎng)度導(dǎo)致以字節(jié)為單位的協(xié)議識(shí)別不方便進(jìn)行。因此,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)拆分模塊,將這些數(shù)據(jù)先拆分成單個(gè)字節(jié),然后送入?yún)f(xié)議識(shí)別模塊。協(xié)議識(shí)別模塊將數(shù)據(jù)與事先存儲(chǔ)的協(xié)議幀頭內(nèi)容進(jìn)行并行匹配,查找源協(xié)議號(hào),識(shí)別成功后,輸出中斷通知信號(hào),通知協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊到相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)和源協(xié)議號(hào)。

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和中間件模塊是整個(gè)硬件實(shí)裝代理的核心功能模塊。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊通過對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行元素值提取和函數(shù)處理等操作,完成實(shí)物資源的硬件應(yīng)用協(xié)議和試驗(yàn)系統(tǒng)的對(duì)象模型之間的相互轉(zhuǎn)換。中間件模塊提供加入退出系統(tǒng)、訂購發(fā)布數(shù)據(jù)等中間件的基本功能,支持硬件實(shí)裝代理作為獨(dú)立設(shè)備加入試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí),中間件模塊還負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備的線程調(diào)度、命令對(duì)應(yīng)、命令分發(fā)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等,是整個(gè)設(shè)備的控制器。

協(xié)議加載模塊用來加載對(duì)象和協(xié)議關(guān)聯(lián)文件,對(duì)象和協(xié)議關(guān)聯(lián)文件里描述了硬件協(xié)議和對(duì)象模型各自的格式以及他們之間的映射關(guān)系,協(xié)議轉(zhuǎn)換需依照這個(gè)映射關(guān)系進(jìn)行。協(xié)議存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)對(duì)象和協(xié)議關(guān)聯(lián)文件,硬件實(shí)裝代理上電復(fù)位后將從協(xié)議存儲(chǔ)模塊里加載關(guān)聯(lián)文件,這樣只要硬件協(xié)議和對(duì)象模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不變,就不用重新從上位機(jī)加載對(duì)象和協(xié)議關(guān)聯(lián)文件,減少內(nèi)外場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)創(chuàng)建流程,提高試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建效率。

3 硬件電路總體設(shè)計(jì)

硬件實(shí)裝代理的硬件電路如圖3所示,硬件實(shí)裝代理需要通過以太網(wǎng)接入試驗(yàn)系統(tǒng),因此設(shè)備硬件設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)絡(luò)接口。同時(shí)為了同實(shí)物資源進(jìn)行通訊,板卡需要集成1553B、RS422/485、ARINC429、CAN總線和網(wǎng)絡(luò)接口等接口電路[3-5]。因?yàn)橥ㄓ崊f(xié)議接口通常采用FPGA+電平轉(zhuǎn)換芯片或協(xié)議芯片來實(shí)現(xiàn),所以板上需要集成FPGA等可編程邏輯器件,同時(shí)硬件方式實(shí)現(xiàn)協(xié)議識(shí)別也可以采用邏輯電路的設(shè)計(jì)。板上的主處理器選擇用DSP,其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和中間件功能,這要求處理器芯片有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理及算法能力,并且支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和多線程運(yùn)行。設(shè)備上還有一般板卡上常用的硬件資源,如電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路、SDRAM以及FLASH等。

圖3 硬件實(shí)裝代理硬件框圖Fig 3 Hardware structure for hardware agent of real weaponry

選材上,DSP設(shè)計(jì)選用美國(guó)德州儀器(TI)的TMS320DM642芯片,該芯片性能優(yōu)秀,支持32位定點(diǎn)運(yùn)算,有豐富的硬件資源,支持多重外圍接口,能運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS,可以滿足需要。FPGA方面,選用Altera公司的Cyclone V系列芯片中的EP5CFC7C6F23I7,它比前幾代Cyclone系列芯片功耗更低但性能更高,內(nèi)部能實(shí)現(xiàn)多種知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊(IP核),尤其是千兆以太網(wǎng)的模塊,配合FPGA的使用,選擇128Mb的EPCS128配置芯片,用于存儲(chǔ)FPGA邏輯。另外還選用32MB SDRAM和2MB FLASH作為存儲(chǔ)器芯片,SDRAM用于程序和數(shù)據(jù)的緩存,FLASH用于保存DSP程序及相關(guān)配置文件,包括對(duì)象和協(xié)議關(guān)聯(lián)文件。

4 接口電路設(shè)計(jì)

4.1 RS422/485接口電路設(shè)計(jì)

RS422和RS485的電路原理基本相同,主要區(qū)別是接口信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)和收發(fā)模式不同,RS422的共模輸出電壓為-7V至+7V,而RS485的共模輸出電壓為-7V至+12V,RS485的電壓能完全兼容RS422,因此,在硬件代理電路設(shè)計(jì)中兩者使用同樣的電平轉(zhuǎn)換芯片,MAXIM公司的MAX485。

RS422通信方式為全雙工通信,而MAX485芯片工作模式為半雙工,因此RS422的一個(gè)通道需要兩片MAX485芯片。RS485為半雙工通信,一個(gè)通道只需要一片MAX485芯片,設(shè)計(jì)的RS422/485復(fù)用電路如圖4所示。

圖4 RS422/485復(fù)用電路硬件連接圖Fig 4 Hardware connection for composite circuit ofRS422/485

這個(gè)電路采用兩片MX485實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通道RS422和一個(gè)通道RS485的復(fù)用。MAX485有兩個(gè)使能端/RE和DE端,當(dāng)/RE為低電平輸入時(shí),器件工作于接收狀態(tài);當(dāng)DE為高電平輸入時(shí),器件工作于發(fā)送狀態(tài)。因此,從FPGA輸出485CTRL控制信號(hào)到/RE和DE端,通過485CTRL信號(hào)的高低電平變化控制MAX485在發(fā)送和接收狀態(tài)之間的切換,這樣即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道RS485的半雙工通信。當(dāng)作為RS422模式工作時(shí),485CTRL固定輸出高電平,使該MAX485芯片作為RS422的發(fā)送端,它的輸出引腳和RS485的輸出引腳復(fù)用。另外一片MAX485作為RS422的接收端,將/RE和DE端固定接地,這樣實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通道RS422的全雙工通信。

選用HCPL0631和HCPL063L芯片,對(duì)通訊信號(hào)與FPGA進(jìn)行隔離。這兩款光電耦合器具有良好的抗共模干擾能力,并支持高頻的信號(hào)傳輸。采用光耦隔離的設(shè)計(jì)既能保護(hù)設(shè)備的控制電路,又不影響數(shù)據(jù)傳輸,增加了系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

4.2 1553B接口電路設(shè)計(jì)

1553B接口電路采用如圖5中的FPGA+驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)1553B的協(xié)議處理器、曼徹斯特編碼器和接口邏輯等,配合驅(qū)動(dòng)芯片完成1553B的接口功能。較使用專用的協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)1553B接口功能,這種方法成本更低,而且系統(tǒng)靈活性更強(qiáng)。1553B接口和總線電纜的連接方式有兩種,直接連接和隔離連接,相比之下,采用隔離變壓器和耦合變壓器的隔離連接的方式比直接匹配的方式更有利于阻抗匹配和故障隔離,因此選擇隔離連接方式。驅(qū)動(dòng)芯片選擇HOLT公司的HI-1573,這款芯片功耗低,支持1Mbs通信碼率,滿足標(biāo)準(zhǔn)1553B總線協(xié)議規(guī)定,是符合1553B特定要求的雙路收發(fā)器。1553B采用雙冗余模擬收發(fā)通道設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)保證1553B接口通信時(shí)具備良好的容錯(cuò)性,因此有模擬通道A和模擬通道B,每個(gè)模擬通道通過隔離變壓器B_3067和66針連接器相連。

圖5 1553B接口電路硬件連接圖Fig 5 Hardware connection for 1553B

4.3 ARINC429接口電路設(shè)計(jì)

ARINC429也采用FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)協(xié)議編解碼和收發(fā)控制,其接口電路設(shè)計(jì)如圖6所示。ARINC429協(xié)議傳輸采用雙極型歸零的三態(tài)碼方式,用雙絞屏蔽線的兩數(shù)據(jù)線間的差分電平來表示數(shù)字信號(hào)的‘高’、‘零’和‘低’,兩線電平為+5V和-5V時(shí)表示‘高’,‘低’時(shí)正好相反。數(shù)據(jù)線上的±5V電平和FPGA所采用的3.3V TTL電平不兼容,因此ARINC429接口電路也需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片。電平轉(zhuǎn)換芯片選擇HI-8444和HI-8585。HI-8444是接收芯片,提供4路接收通道,將接收到的ARINC429的±5V電平轉(zhuǎn)換為3.3V TTL電平。HI-8585是發(fā)送芯片,將FPGA發(fā)送的3.3V TTL電平轉(zhuǎn)換為±5V電平,使用2片HI-8585。為了保護(hù)電路和避免共模干擾,ARINC429接口設(shè)計(jì)中也采用HCPL0631和HCPL063L芯片進(jìn)行光耦隔離。

圖6 ARINC429接口電路硬件連接圖Fig 6 Hardware connection for ARINC429

4.4 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

CAN總線的電路設(shè)計(jì)和前面的RS422/485、1553B和ARINC429電路不一樣,使用專門的協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議,協(xié)議模塊不在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn),因此FPGA的邏輯模塊比較簡(jiǎn)單,只需要有控制部分邏輯。CAN總線接口電路的設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 CAN總線接口電路硬件連接圖Fig 7 Hardware connection for CAN bus

協(xié)議芯片選擇獨(dú)立的CAN控制器SJA1000,這款芯片在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議的物理層和鏈路層,配合CAN收發(fā)器接口芯片82C250,能實(shí)現(xiàn)完整的CAN2.0B協(xié)議。82C250通過兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連,接收數(shù)據(jù)傳輸給SJA1000,SJA1000根據(jù)指令,將數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議格式編解碼,FPGA通過地址數(shù)據(jù)復(fù)用線和控制線對(duì)SJA1000進(jìn)行指令控制和數(shù)據(jù)收發(fā)。因?yàn)镾JA1000工作電壓為5V,和FPGA的3.3V TTL電平不兼容,所以FPGA和SJA1000之間的地址數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)需經(jīng)過轉(zhuǎn)換器IDT74FCT164245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。CAN接口設(shè)計(jì)中也采用HCPL0631和HCPL063L芯片進(jìn)行光耦隔離,保護(hù)電路避免共模干擾。

4.5 DSP網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

和試驗(yàn)系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)接口電路采用了DSP+以太網(wǎng)PHY芯片的設(shè)計(jì),具體電路連接如圖8所示。板卡上所采用的高速DM642 DSP芯片內(nèi)部有一個(gè)符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的10/100Mbs以太網(wǎng)接口EMAC,它實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)鏈路層,而物理層采用專門的PHY芯片實(shí)現(xiàn)。EMAC接口和PHY芯片之間則通過介質(zhì)無關(guān)接口MII進(jìn)行連接,MII接口包括數(shù)據(jù)接口和管理接口,數(shù)據(jù)接口是用于發(fā)送器和接收器的兩條獨(dú)立信道,管理接口用于監(jiān)視和控制PHY芯片。因?yàn)镸II接口的通信速率為25Mbs,所以DP83640接入25MHz無源晶振作為參考時(shí)鐘。PHY芯片和網(wǎng)口插座之間采用兩對(duì)差分信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備通用化,PHY芯片選用National Semiconductor公司的DP83640,它支持最高100Mbs的以太網(wǎng)通信。網(wǎng)絡(luò)的物理接口選用E型網(wǎng)口插座HR911105A,它內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45接口和狀態(tài)指示燈,方便觀察接口工作狀態(tài)和調(diào)試。

4.6 FPGA網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

因?yàn)镈M642提供的EMAC接口只能用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口,因此和實(shí)物資源的網(wǎng)絡(luò)接口采用FPGA+以太網(wǎng)PHY芯片的設(shè)計(jì),具體電路連接如圖9所示。這個(gè)設(shè)計(jì)中以太網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)鏈路層在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn),物理層還是由專門的以太網(wǎng)PHY芯片實(shí)現(xiàn)。FPGA和PHY芯片之間采用比MII接口速率更高的GMII接口,它的工作時(shí)鐘為125MHz,時(shí)鐘的每個(gè)上下沿跳變都發(fā)送4比特的數(shù)據(jù),因此能實(shí)現(xiàn)最大1000Mbs的傳輸速率。GMII也分為數(shù)據(jù)接口和管理接口,能兼容MII的工作方式,在以GMII模式工作時(shí),PHY芯片由FPGA提供125MHz時(shí)鐘,以MII模式工作時(shí),PHY芯片需要自己提供25MHz時(shí)鐘,因此接入25MHz無源晶振作為參考時(shí)鐘。PHY芯片和網(wǎng)絡(luò)物理接口之間通過4對(duì)差分信號(hào)線連接,傳輸效率遠(yuǎn)高于兩對(duì)信號(hào)線。該方案中選用的FPGA芯片EP5CFC7C6F23I7內(nèi)部能實(shí)現(xiàn)Altera公司的三速以太網(wǎng)IP核MAC Function,這個(gè)模塊提供符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的三速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層接口,支持最高達(dá)1000Mbs的以太網(wǎng)通信速率。PHY芯片的選擇上,選擇Marvell公司的千兆以太網(wǎng)PHY芯片88E1111。網(wǎng)絡(luò)的物理接口選用HFJ11-1G02E,它內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器模塊和RJ45接口。

圖9 FPGA網(wǎng)絡(luò)接口電路硬件連接圖Fig 9 Hardware connection forFPGA network interface

5 小 結(jié)

硬件實(shí)裝代理采用DSP+FPGA架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了1553B、ARICN429、RS422/485、CAN以及網(wǎng)絡(luò)的物理接口;通過FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通訊數(shù)據(jù)幀自動(dòng)識(shí)別;利用DSP內(nèi)部嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)了通訊協(xié)議的自動(dòng)編解碼,實(shí)現(xiàn)了中間件的標(biāo)準(zhǔn)化接口。

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Wang Zhigang,Zhao Yining,Du Yilin.Software Design of Telemetry Data Processing Module Based on CAN Bus[J].Computer Measurement & Control,2015,23(3):1038-1041.

許文騰 男(1986-),山東榮成人,工程師,研究方向?yàn)閷?dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真。

柳中華 男(1978-),湖北武漢人,工程師/主任,研究方向?yàn)閷?dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真。

Hardware Design for Hardware Agent of Real WeaponryBased on Complex Protocols

XUWenteng,LIUZhonghua,YUANGang

(Unit of 92941,Huludao 125000,China)

The characteristic of modern war is system-of-system.A single weapon performance inspection test is not conforming to the trend.Inspection equipment system against ability becomes the key to test,in order to better complete the naval weapon and equipment test task,naval range needs to give full play to existing resources to complete the task.Naval range owns a great variety of real object resources according to each kind of communication protocol.For making full use of various existing resources and mutual operation between virtual resources and actual resources,technology of software or automation should be employed to make the actual resource interface according with the standard of infield and airfield joint test.Therefore,these actual resources are converted to test resources based on the test architecture used by range.Outline design for hardware agent of real weaponry based on complex protocols is introduced,the design for each kind of interface is stated in detail.

complex protocols; hardware agent; joint test; simulation

TP 391.9

A