基于A(yíng)RM的便攜式1553B總線(xiàn)測試系統的設計與實(shí)現

摘要：為了方便對1553B設備進(jìn)行測試，介紹了一種基于ARM9平臺和FPGA的1553B總線(xiàn)測試系統的設計與實(shí)現方法。該系統以L(fǎng)PC3250作為微處理器，以CYCLONE I系列的EP1C6Q240C8芯片實(shí)現ARM與1553B協(xié)議芯片的接口邏輯。在Linux操作系統2.6群訟率迪1553B的驅動(dòng)程序。15 53B協(xié)議芯片采用BU-64843T8，以實(shí)現系統的便攜性。

隨著(zhù)航空電子系統的發(fā)展，多路數據傳輸數據總線(xiàn)在航空電子系統中起著(zhù)越來(lái)越重要的作用，其主要特點(diǎn)是集中控制、實(shí)時(shí)性要求高、分布處理。1553B總線(xiàn)以其具有較高的可靠性和靈活性，廣泛應用于軍事、航空航天系統。傳統的1553B測試設備采用普通計算機或工控機作為測試平臺，通過(guò)PCI總線(xiàn)與被測設備通信，這對測試設備的攜帶造成極大不便。本文所闡述的測試系統以ARM9作為中央處理器，以DDC的BU-64843T7作為1553B協(xié)議芯片，從而實(shí)現系統的小型化和便攜化，應用FPGA實(shí)現ARM時(shí)序與1553B時(shí)序的轉換，并采用Linux操作系統以確保系統穩定可靠。

1 ARM與FPGA數據通信接口設計

1. 1 系統硬件介紹

該系統硬件由LPC3250核心板、外擴接口電路、FPGA和1553B協(xié)議芯片組成組成。系統架構如圖1所示。

LPC3250微處理器面向低功耗、高性能的應用，采用ARM926EJ-S CPU內核，實(shí)現5級流水處理并采用哈佛結構，可工作在266 MHz的頻率下，數據處理能力強大。

本系統外擴USB、RS232和網(wǎng)絡(luò )接口，用于操作系統的燒寫(xiě)和驅動(dòng)程序、應用程序的調試，并且配備實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以掉電保持。為增加其可靠性，本系統在多處增加ESD芯片，以增強系統的抗靜電能力。

FPGA采用Altera公司的Cyclone I系列的EP1C6Q240C8芯片，該系列芯片具有20 060個(gè)邏輯單元以及288 kb RAM，支持3.3V LVTTL/CM OS IO標準，可直接與ARM通信，無(wú)需進(jìn)行電平轉換。

1553B協(xié)議芯片選擇DDC公司的BU-64843T8芯片。該芯片是世界上第一個(gè)將1553B協(xié)議芯片和隔離變壓器集成到一體的芯片。因此，在布PCB時(shí)，會(huì )節省很大空間，從而使系統小巧，方便攜帶。

1.2 接口電路設計

LPC3250包括3個(gè)外部存儲器接口，分別是NAND Flash控制器、Secure Digital控制器和外部存儲器控制器(External memory controll er，簡(jiǎn)稱(chēng)為EMC)。EMC提供了系統總線(xiàn)與片外存儲設備之間的接口功能，可實(shí)現與SDRAM、DDR SDRAM和SRAM設備的通信。該系統采用EMC的靜態(tài)RAM接口與FPGA進(jìn)行通信，該接口具有時(shí)序操作簡(jiǎn)單，接口速度快等特點(diǎn)。利用FPGA模擬靜態(tài)RAM，并進(jìn)行時(shí)序轉換，從而實(shí)現ARM對1553B芯片的訪(fǎng)問(wèn)。圖2為ARM與FPGA的接口電路圖，由于1553B芯片內部RAM為4K*16bit，因此數據線(xiàn)選用16位，地址線(xiàn)選用12位。通過(guò)EMC靜態(tài)存儲器控制器的配置寄存器，可將數據總線(xiàn)分別設置為8位、16位、32位。該系統需將配置寄存器的低兩位設置為01，即16位總線(xiàn)。其他控制信號說(shuō)明見(jiàn)表1所示。

1. 3 FPGA邏輯設計

若想成功訪(fǎng)問(wèn)1553B設備，必須嚴格按照1553B時(shí)序進(jìn)行操作，然而EMC的時(shí)序與1553B的時(shí)序差異很大，因此需要進(jìn)行時(shí)序轉換，這通過(guò)一片FPGA來(lái)實(shí)現。BU-64843T8的控制信號主要包括，TRANSPARENT/BUFFERED*、STRBD*、SELECT*、RD/WR*、MEM/REG*、IOEN*、READYD*、ADDR_LAT/MEMOE*.RT_AD_LAT*，INT*等信號。

TRANSPARENT/BUFFERED*信號用于設定芯片工作在透明模式還是緩沖模式，該系統的1553B不需外擴存儲器，工作在緩沖模式下即可，因此MEMOE*等信號可以不做考慮;STRBD*和SELECT*可接到一起，作為芯片的片選信號;RD/WR*為讀寫(xiě)信號;MEM/REG*用來(lái)區分訪(fǎng)問(wèn)內部4K存儲器資源還是寄存器資源;IOEN*有效時(shí)，標志芯片正在處理外部的訪(fǎng)問(wèn);READYD*信號在本系統中十分重要，當ARM寫(xiě)時(shí)，READYD*有效表示數據成功寫(xiě)入芯片中，當ARM讀時(shí)，READYD*有效表示數據線(xiàn)上的數據有效，可以使用;ADDR_LAT為地址鎖存信號，對于總線(xiàn)未復用的處理器，該信號置為高;RT_AD_LAT*信號為RT地址鎖存信號，該信號出現上升沿，即可將RT地址上的數據鎖存到芯片內部，因此RT地址無(wú)需一直保持著(zhù)。INT*信號用于中斷ARM，該信號經(jīng)過(guò)FPGA與ARM的GPIO引腳相連，相應的GPIO引腳被配置為外部中斷引腳。

FPCA的邏輯設計采用鎖存的方式，即所有的地址信號、數據信號、讀寫(xiě)、片選、EME/REG*信號通過(guò)鎖存器直接打到總線(xiàn)上，這些信號在A(yíng)RM訪(fǎng)問(wèn)期間一直有效。因此ARM需要進(jìn)行多次寫(xiě)操作：先把要寫(xiě)的數據送出，再把要訪(fǎng)問(wèn)的地址和控制信息送出，之后循環(huán)讀取READYD*信號，直到其有效，再進(jìn)行下一次讀寫(xiě)操作。相關(guān)的VHDL代碼如下：

2 1553B驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)原理與實(shí)現

2.1 文件操作接口

設備驅動(dòng)程序在Linux內核中扮演著(zhù)特殊的角色。它們是獨立的模塊，使某個(gè)特定的硬件響應一個(gè)定義良好的內部編程接口，用戶(hù)的操作通過(guò)一組標準化的調用執行，而這些調用獨立于特定的驅動(dòng)程序。將這些調用映射到作用于實(shí)際硬件的設備特有操作上，則是設備驅動(dòng)程序的任務(wù)。系統軟件架構如圖3所示。

Linux驅動(dòng)程序支持3種類(lèi)型的設備：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備。字符設備是個(gè)能夠像字節流一樣被訪(fǎng)問(wèn)的設備。字符設備驅動(dòng)程序通常要實(shí)現open、close、read、write系統調用。本系統的1553B設備屬于字符設備，它的驅動(dòng)程序主要包括以下幾個(gè)模塊：初始化模塊、打開(kāi)關(guān)閉模塊、讀寫(xiě)模塊、中斷處理模塊。

驅動(dòng)程序與應用程序的通信主要通過(guò)系統函數調用，Linux為所有設備文件提供統一的操作函數接口，我們的驅動(dòng)程序中只需實(shí)現struct file_operations中相應的函數即可，主要包括ioctl、read、write、open、release、fasync函數。具體C語(yǔ)言代碼如下所示：

當用戶(hù)加載驅動(dòng)模塊時(shí)，一系列初始化工作在static int_init xc1553_init(void)函數中完成，包括設備注冊，物理地址到虛擬地址的映射，EMC模式的配置，中斷處理函數的注冊。

當用戶(hù)卸載驅動(dòng)模塊時(shí)，需要在static void_exitxc1553_exit(void)函數中進(jìn)行驅動(dòng)模塊和設備的卸載，以及中斷號的釋放。

2.2 中斷處理模塊的實(shí)現

當1553B產(chǎn)生中斷時(shí)，由xc1553_init函數中注冊的中斷處理函數進(jìn)行處理，并且通知上層應用程序進(jìn)行讀寫(xiě)操作。驅動(dòng)程序與應用程序的通信通過(guò)異步通知的方式實(shí)現。為了實(shí)現異步通知，在驅動(dòng)程序中需要實(shí)現int fasync_helper(int fd,struct file*filp,int mode,stru ct fasync_struct**fa)和voidkill_fasync(struct fasync_struct**fa，int sig,int band)函數。

fasync_helper函數在xc1553_fasync中實(shí)現，作用是為當前進(jìn)程創(chuàng )建一個(gè)fasync_struct結構體，然后掛入目標設備的fasync隊列，最后在設備驅動(dòng)的中斷處理程序中，使用kill_fasync函數向該隊列發(fā)送信號，通知上層應用程序。

xc1553_fasync函數實(shí)現如下：

3 結束語(yǔ)

1553B總線(xiàn)廣泛應用于航空領(lǐng)域，基于1553B總線(xiàn)的測控設備普遍體積大，攜帶不方便，本文所闡述的測試系統完全能夠實(shí)現傳統測控設備的功能，并且極大的縮小了設備的體積，方便攜帶。經(jīng)過(guò)測試，該系統實(shí)時(shí)性高、工作穩定，能夠滿(mǎn)足軍工要求。