基于FPGA的MIL-STD-1553B信號發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)

劉良勇 王緯國

摘 要：為滿足航空裝備維修保障單位地面MIL-STD-1553B信號傳輸電纜檢測需要，本研究設(shè)計一種手持式MIL-STD-1553B信號發(fā)生器。系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片作為主控制芯片，對外部輸入信號進(jìn)行曼徹斯特編碼，利用MIL-STD-1553B信號收發(fā)芯片HI-1573將編碼結(jié)果轉(zhuǎn)換成差分信號，經(jīng)過變壓器耦合成標(biāo)準(zhǔn)的MIL-STD-1553B總線信號。其中，外部輸入信號為自產(chǎn)生信號、RS485接口輸入信號和WiFi接口輸入信號的一路。為滿足便攜式需求，本系統(tǒng)采用電池供電，并提供充電電路和電量顯示電路，滿足用戶電量補(bǔ)充和電量監(jiān)控需求。經(jīng)驗證，此系統(tǒng)作為總線控制器（BC）向遠(yuǎn)程終端（RT）發(fā)送信號，通過總線監(jiān)控器（BM）監(jiān)控，數(shù)據(jù)發(fā)送穩(wěn)定可靠。最后，通過示波器對此系統(tǒng)產(chǎn)生的信號進(jìn)行物理特性測量。測試結(jié)果表明，信號符合MIL-STD-1553B總線信號標(biāo)準(zhǔn)，滿足電纜測試信號源要求，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器;曼徹斯特編碼;現(xiàn)場可編程門陣列;HI-1573芯片

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0016-05

Design and Implementation of MIL-STD-1553B Signal

Generator Based on FPGA

LIU Liangyong WANG Weiguo

（State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu Anhui 247001）

Abstract： In order to meet the requirements of ground MIL-STD-1553B signal transmission cable testing for aviation equipment maintenance and support units， this research designs a handheld MIL-STD-1553B signal generator. The system uses a field programmable gate array （FPGA） chip as the main control chip to perform Manchester encoding on external input signals， and uses the MIL-STD-1553B signal transceiver chip HI-1573 to convert the encoding result into a differential signal， which is coupled to a standard MIL-STD-1553B bus signal through a transformer. Among them， the external input signal is one of self-generated signal， RS485 interface input signal and WiFi interface input signal. In order to meet the needs of portable， this system adopts battery power supply， and provides a charging circuit and a power display circuit to meet the user's power supplement and power monitoring needs. It has been verified that this system is used as a bus controller （BC） to send a signal to a remote terminal （RT）， monitored by a bus monitor （BM）， and the data transmission is stable and reliable. Finally， the physical characteristics of the signal generated by this system are measured by an oscilloscope. The test results show that the signal conforms to the MIL-STD-1553B bus signal standard， meets the requirements of the cable test signal source， and has a good application prospect.

Keywords： signal generator;Manchester code;FPGA;HI-1573 chip

MIL-STD-1553B總線是飛機(jī)內(nèi)部時分制命令/響應(yīng)式多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線，它是20世紀(jì)70年代由美國公布的一種串行多路數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地應(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)展到飛機(jī)控制等系統(tǒng)及坦克、艦船、航天等領(lǐng)域[1]。

在航空裝備保障單位地面MIL-STD-1553電纜檢測過程中，為提高測試的覆蓋率，要添加MIL-STD-1553信號源滿足測試需求。目前，MIL-STD-1553信號發(fā)生器均采用知識產(chǎn)權(quán)（IP）核來實現(xiàn)，成本高且連接方式單一，由于不內(nèi)置電池，需要外接電源才能工作，不便于攜帶。針對上述問題，本研究提出一種基于FPGA的MIL-STD-1553信號發(fā)生器，內(nèi)置電池并可無線連接，方便外場使用。

1 系統(tǒng)總體概述

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由充電電源管理部分、信號輸入部分、FPGA最小系統(tǒng)和MIL-STD-1553B信號轉(zhuǎn)換部分組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。其中，充電電源管理部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)的充電管理和電源供應(yīng)，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)為系統(tǒng)的處理中心，解析輸入信號和曼徹斯特編碼，MII-STD-1553B信號轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)將曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的MII-STD-1553B信號[2]。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)由4個按鍵組成，分別為電源按鍵、自發(fā)模式按鍵、串口模式按鍵和無線模式按鍵。電源按鍵輕觸一下，系統(tǒng)電源啟動，輕觸兩下，系統(tǒng)電源關(guān)閉;輕觸自發(fā)模式按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入自發(fā)模式，同時自發(fā)模式指示燈亮起;輕觸串口模式按鍵，進(jìn)入串口收發(fā)模式，同時串口模式指示燈亮起，在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，數(shù)據(jù)傳輸指示燈閃爍;輕觸無線模式按鍵，進(jìn)入無線模式，同時無線模式指示燈亮起。

1.2.1 自發(fā)模式。在自發(fā)模式下，F(xiàn)PGA將自定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曼特斯特碼發(fā)送給MIL-STD-1553B收發(fā)器模塊，MIL-STD-1553B收發(fā)器模塊將曼特斯特碼轉(zhuǎn)換成低電壓的MIL-STD-1553B信號，變壓器將低電壓的MIL-STD-1553信號放大成標(biāo)準(zhǔn)的MIL-STD-1553B信號給MIL-STD-1553B接口，實現(xiàn)產(chǎn)生MIL-STD-1553B信號的目的。

1.2.2 串口模式。在串口模式下，RS485接口接收計算機(jī)傳輸過來的RS485信號，RS485接口將RS485信號轉(zhuǎn)換成晶體管-晶體管邏輯（TTL）電平并給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片將反饋信號反方向傳輸給計算機(jī)，并將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曼徹斯特碼發(fā)送給MIL-STD-1553B收發(fā)器模塊，MIL-STD-1553B收發(fā)器模塊將曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換成低電壓的MIL-STD-1553B信號，變壓器將低電壓的MIL-STD-1553B信號放大成標(biāo)準(zhǔn)的MIL-STD-1553B信號給MIL-STD-1553B接口，實現(xiàn)產(chǎn)生MIL-STD-1553B信號的目的。

1.2.3 無線模式。在無線模式下，計算機(jī)和WiFi轉(zhuǎn)WART模塊進(jìn)行連接，WiFi轉(zhuǎn)WART模塊接收計算機(jī)傳輸過來的網(wǎng)絡(luò)信號，WiFi轉(zhuǎn)WART模塊將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換成UART信號并傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA將反饋信號反方向傳輸給計算機(jī)，F(xiàn)PGA將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曼徹斯特碼發(fā)送給MIL-STD-1553B收發(fā)器模塊，MIL-STD-1553B收發(fā)器模塊將曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換成低電壓的MIL-STD-1553B信號，變壓器將低電壓的MIL-STD-1553B信號放大成標(biāo)準(zhǔn)的MIL-STD-1553B信號給MIL-STD-1553B接口，實現(xiàn)產(chǎn)生MIL-STD-1553B信號的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件由FPGA及其外圍電路、充電和升壓電路、DC-DC電路、WiFi轉(zhuǎn)UART電路和MIL-STD-1553B轉(zhuǎn)換電路等部分組成，硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

2.1 FPGA及其外圍電路設(shè)計

FPGA采用英特爾（INTEL）公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C5E144I7芯片，該芯片采用65納米技術(shù)制造，具有94個I/O端口、22對差分對端口。FPGA最小系統(tǒng)及外圍電路如圖3所示。

2.2 充電和升壓電路

充電和升壓電路采用國產(chǎn)的英集芯的IP5207芯片，它是一款集成升壓轉(zhuǎn)換器、鋰電池充電管理、電池電量指示的多功能電源管理系統(tǒng)芯片，只需要一個電感就能實現(xiàn)降壓與升壓功能，可以支持低成本電感和電容。IP5207芯片的同步升壓系統(tǒng)提供1.2 A輸出電流，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93%?？蛰d時，自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流降至100 μA。IP5207芯片采用開關(guān)充電技術(shù)，提供1 A電流，充電效率高達(dá)92%。其內(nèi)置集成電路（IC）溫度和輸入電壓檢測模塊，自動調(diào)節(jié)充電電流[3]。充電和升壓電路如圖4所示。

2.3 DC-DC電路

DC-DC電路采用德州儀器（TI）公司的TPS82085SILR開關(guān)電源芯片，TPS82085芯片是經(jīng)優(yōu)化的3 A降壓轉(zhuǎn)換器模塊，兼具小型解決方案尺寸和高效率優(yōu)勢。該模塊集成有同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感，可簡化設(shè)計，減少外部元件并節(jié)省印刷電路板（PCB）面積。為了最大限度地提高效率，該轉(zhuǎn)換器以2.4 MHz的標(biāo)稱開關(guān)頻率工作于脈寬調(diào)制（PWM）模式，并且會在輕負(fù)載電流時自動進(jìn)入節(jié)能工作模式。在節(jié)能模式下，器件的工作靜態(tài)電流典型值為17 [μA]。TPS82085SILR芯片應(yīng)用流程如圖5所示。

2.4 WiFi轉(zhuǎn)UART電路

該模塊選用廣州有人科技有限公司的超小尺寸WiFi模塊USR-C215，實現(xiàn)TTL串口與WiFi的雙向透明傳輸。C215是一款小尺寸、插針式WiFi模塊，可以實現(xiàn)UART轉(zhuǎn)WiFi雙向透傳功能;主頻為166 MHz，尺寸小，便于嵌入開發(fā);支持無線接入點(diǎn)（AP）、站點(diǎn)（STA）、AP+STA配網(wǎng);支持有線等效加密（WEP）、WiFi訪問保護(hù)（WPA）/WiFi訪問保護(hù)Ⅱ（WPA2）安全加密傳輸;支持Httpd Client功能;支持簡單AT指令集配置;支持注冊包、心跳包機(jī)制。

2.5 MIL-STD-1553B轉(zhuǎn)換電路

MIL-STD-1553B轉(zhuǎn)換電路采用HI-1573收發(fā)器，HI-1573是低功耗CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）雙收發(fā)器設(shè)計，滿足MIL-STD-1553B規(guī)范要求。每條總線的接收器部分轉(zhuǎn)換MIL-STD-1553B總線雙相差分?jǐn)?shù)據(jù)到適合輸入曼徹斯特解碼器的互補(bǔ)CMOS/TTL數(shù)據(jù)中。每條總線的發(fā)射器部分取互補(bǔ)的CMOS/TTL曼徹斯特雙相數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為適用于驅(qū)動總線隔離的差分電壓變壓器的MIL-STD-1553B總線雙相差分?jǐn)?shù)據(jù)[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

模塊是在研究MIL-STD-1553B信號編碼方式的基礎(chǔ)上，通過FPGA芯片接受串口數(shù)據(jù)并解碼，將解碼的數(shù)據(jù)按照MIL-STD-1553B的BC編碼特性進(jìn)行編碼，發(fā)送至上位機(jī)的1553B板卡。

3.1 軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)接收三個串口通道（WiFi轉(zhuǎn)串口、RS485和自產(chǎn)生信號）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)按鍵確定的接收通道進(jìn)行接收，將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將解析的數(shù)據(jù)按照MIL-STD-1553B總線的編碼格式發(fā)送，從而實現(xiàn)信號發(fā)生器的作用。軟件設(shè)計的總體框圖如圖6所示。

3.2 串口數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計

串口數(shù)據(jù)接收模塊的功能為接收3個輸入通道的一路數(shù)據(jù)，按照事先設(shè)計的協(xié)議格式進(jìn)行解析，提取出需要轉(zhuǎn)碼的MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)。串口接收模塊的設(shè)計原理為通過串口接收數(shù)據(jù)放入FIFO存儲器，再從FIFO存儲器中讀取數(shù)據(jù)，通過FIFO存儲器的數(shù)據(jù)數(shù)量判斷一幀數(shù)據(jù)是否結(jié)束，從而計算出一幀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，然后利用狀態(tài)機(jī)解析出一幀數(shù)據(jù)里需要轉(zhuǎn)碼的數(shù)據(jù)。接受狀態(tài)機(jī)如圖7所示。

3.3 MIL-STD-1553B總線信號產(chǎn)生模塊軟件設(shè)計

MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線采用曼徹斯特編碼解碼協(xié)議，以異步、命令/響應(yīng)方式執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，采用半雙工方式，其傳輸速率為1 Mb/s，曼徹斯特碼與常用的不歸零碼（NRZ）的編碼不同，在電路中，NRZ碼的“0”用低電平表示;曼徹斯特碼的“0”用由低到高的電平跳變表示。同理，NRZ碼的“1”用高電平表示;曼徹斯特碼的“1”用由高到低的電平跳變表示[5]。差分曼徹斯特碼與不歸零（NRZ）的波形對照如圖8所示。

MIL-STD-1553B總線信號產(chǎn)生模塊實現(xiàn)的功能為對從串口接收解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，并按MIL-STD-1553B總線的BC端編碼特性進(jìn)行組合后串行輸出。實現(xiàn)的原理是將解析后的串口數(shù)據(jù)按位進(jìn)行編碼，編碼方式如下：當(dāng)數(shù)據(jù)位為0時，編碼為0與1，產(chǎn)生上升沿;當(dāng)數(shù)據(jù)為1時，編碼為1與0，產(chǎn)生下降沿，將20位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為40位數(shù)據(jù)待串行輸出。串行輸出的實現(xiàn)方式如下：按照MIL-STD-1553B總線的1 MHz速率計算，1位為1 μs，先通過鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生4 MHz頻率的時鐘，設(shè)計一個計數(shù)器，按照MIL-STD-1553B的BC發(fā)送周期和時間間隔在規(guī)定的計數(shù)時間段將編碼的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計實現(xiàn)了基于FPGA的MIL-STD-1553B信號發(fā)生器，可實現(xiàn)三路輸入信號的切換，將一路信號接收后進(jìn)行解析和編碼，通過1573芯片轉(zhuǎn)換成MIL-STD-1553B信號。將信號發(fā)生器與北京石竹科技股份有限公司生產(chǎn)的1553B板卡進(jìn)行連接，將1553B板卡作為RT端，上位機(jī)按照規(guī)定格式發(fā)送數(shù)據(jù)至信號發(fā)生器，1553B板卡接收的數(shù)據(jù)與上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，同時用示波器測量信號發(fā)生器輸出信號的物理特性，波形滿足MIL-STD-1553B信號標(biāo)準(zhǔn)[7]。MIL-STD-1553B信號圖如圖10所示。

5 結(jié)語

本文介紹了一種以FPGA為控制核心的MIL-STD-1553B信號發(fā)生器設(shè)計，該設(shè)計穩(wěn)定可靠，內(nèi)置電池，有自發(fā)、RS485和WiFi模式輸入，使用場景靈活。此設(shè)計創(chuàng)新性地實現(xiàn)了MIL-STD-1553B總線的BC發(fā)送功能，便于接收端對MIL-STD-1553B信號物理特性和協(xié)議特性的驗證。該設(shè)計最終利用1553B板卡和示波器進(jìn)行了驗證，信號穩(wěn)定可靠，滿足作為MIL-STD-1553B總線電纜檢測的信號源要求[8]。本文提出的基于FPGA的MIL-STD-1553B信號產(chǎn)生器的設(shè)計方法通過了實際驗證，為MIL-STD-1553B總線研究提供了有效的參考。

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