基于USB接口1553B總線(xiàn)設備檢測系統設計

　　引言

　　MIL-STD-1553B軍用總線(xiàn)標準，在軍事裝備，特別是飛機系統中得到了廣泛的應用，艦載系統中也正在逐步推廣。對于1553B總線(xiàn)傳輸信息的飛機系統，特別是由該總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構成的綜合航火控系統、通信系統而言，系統時(shí)實(shí)監測與在線(xiàn)故障診斷均建立在信息錄取的前提下。為了方便錄取1553B總線(xiàn)上傳輸的信息就需要應用1553B總線(xiàn)到計算機標準接口轉換器，目前常用轉換器有1553B-PCI、1553B-VXI等，但在工程實(shí)踐過(guò)程中，它們存在體積大、價(jià)格高、使用不方便等缺陷。相比而言，USB接口具有體積小、攜帶方便、熱插拔等特征，具有不可替代的優(yōu)勢。

　　本文介紹的1553B設備檢測系統就是基于USB接口的。設計包含兩大部分：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要實(shí)現1553B接口到USB接口的轉換;軟件設計主要是USB芯片固件開(kāi)發(fā)、USB接口驅動(dòng)、開(kāi)發(fā)計算機測試1553B設備軟件。

　　2 硬件系統設計

　　本系統的硬件設計工作主要集中在1553B與USB總線(xiàn)接口的轉換設計。硬件系統分成三部分：1553B接口轉換電路、FPGA譯碼電路和USB接口電路。

　　2.1 1553B接口轉換電路

　　目前，1553B接口芯片種類(lèi)繁多，根據工程應用場(chǎng)合和實(shí)際需要，我們選用DDC公司BU-61580芯片。BU-61580芯片除了具有遠程終端(RT)功能外，還可以用作總線(xiàn)控制器(BC)、總線(xiàn)監控器(MT)。其內部功能極強，接口靈活、便于控制，有各種封裝形式和供電電壓供用戶(hù)選擇。

　　2.2 FPGA譯碼電路

　　FPGA作為現場(chǎng)可編程器件越來(lái)越廣泛地應用到工程設計中。利用FPGA對系統中信號進(jìn)行譯碼可避免由于開(kāi)始硬件電路設計考慮不周造成的硬件設計錯誤，而且方便系統的以后的升級。本系統中，FPGA通過(guò)1553B接口芯片讀取1553B總線(xiàn)上的數據并暫存在FPGA內部RAM中，然后通知USB接口芯片把數據讀出;同時(shí)，還要通過(guò)USB接口接收從PC下發(fā)的數據，重新打包，發(fā)送到1553B設備。

　　2.3 USB接口電路

　　USB接口控制芯片包含兩大類(lèi)：一類(lèi)是需要外置控制器的芯片，還有一類(lèi)為內置控制器，如Cypress公司的CY7C64613芯片。本系統選用PHILIP公司的PDIUSBD12芯片，需外置控制器的芯片。

　　PDIUSBD12芯片是帶有并行總線(xiàn)和局部DMA傳輸能力的全速USB接口器件。片內集成了高性能USB接口器件、SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器等，可與任何外部微控制器/微處理器實(shí)現高速并行接口(2MB/s)，完全能匹配1553B總線(xiàn)最高傳輸速率(1MB/s)[1]。USB 實(shí)現模塊的核心是PIDUSB12。外置控制器AT89C52的P0口接PIDUSBD12的DATA0～DATA7，用來(lái)傳輸要交換的數據。P0 口所有引腳都要外接上拉電阻。PIDUSBD12的片選信號和復位信號由AT89C52的P1.6與P1.7提供。AT89C52 的P3.6與P3.7作為PIDUSBD12的寫(xiě)讀控制端，AT89C52和PIDUSBD12的ALE相連，PIDUSBD12的掛起狀態(tài)和中斷控制都接高電平。 PIDUSB12的D+和D-加上+5V電源和地就構成了USB接口,從而能與計算機相連。

　　PDIUSBD12與USB的連接通過(guò)1.5K上拉電阻將D+置為高實(shí)現，默認狀態(tài)不與Vcc相連，可用SoftConnect技術(shù)通過(guò)AT89C52發(fā)送專(zhuān)門(mén)的命令來(lái)實(shí)現該連接，允許AT89C52在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序，USB總線(xiàn)連接可以重新初始化而不需要撥出電纜[2]。隨后USB設備識別和通信就要依靠固件程序和驅動(dòng)程序了。

　　3 軟件設計

　　1553B設備測試軟件首先要實(shí)現USB接口與PC之間的通信，然后，再對設備進(jìn)行性能檢測。因此，需要對USB芯片進(jìn)行固件、PC驅動(dòng)程序和測試程序設計。

　　3.1 USB固件設計

　　AT89C52中的固化程序可采用C51 設計，主要功能是：控制PDIUSBDl2接受USB驅動(dòng)程序的請求;控制PDIUSBDl2接受應用程序的控制指令;通過(guò)PDIUSBDl2存儲數據并實(shí)時(shí)上傳PC機。PDIUSBDl2的固件設計成完全的中斷驅動(dòng)，當CPU處理前臺任務(wù)時(shí)USB的傳輸可在后臺進(jìn)行，確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結構，簡(jiǎn)化了編程和調試。單片機通過(guò)PDIUSBDl2與主機通信的過(guò)程簡(jiǎn)述如下:：當PDIUSBDl2接收到主機發(fā)來(lái)的令牌包后就給單片機發(fā)中斷，單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序。它將數據從PDIUSBD12的內部FIFO取回到CPU存儲器并根據中斷寄存器判斷USB令牌包的類(lèi)型從而建立正確的事件標志以通知主循環(huán)程序進(jìn)行處理，主循環(huán)檢查事件標志并進(jìn)入對應的子程序進(jìn)行進(jìn)一步的處理，固件程序流程如圖2所示。系統上電后，先檢測PDIUSBD12，如檢測不成功則報錯，要使用者重插USB接口，再次檢測。檢測成功則根據PDIUSBD12的中斷類(lèi)型設定中斷標志位的值，再根據中斷位的值調用相應的功能子程序[3]。

　　在本設計中，功能子程序主要包括兩部分：

　　1)通過(guò)AT89C52的P0端口從FPGA接收1553B設備數據，重新打包，再經(jīng)過(guò)P0端口寫(xiě)入PC機;

　　2) 通過(guò)P0端口接收PC數據，重新打包，通過(guò)AT89C52的P0端口從FPGA寫(xiě)入1553B設備。

　　3.2 驅動(dòng)程序

　　完成驅動(dòng)程序設計的方法一般有三種：基于DDK開(kāi)發(fā)、基于Windrive開(kāi)發(fā)和基于DriveStudio開(kāi)發(fā)。由于Windrive和DriveStudio開(kāi)發(fā)對DDK中的函數進(jìn)行了一定程度的封裝，它們開(kāi)發(fā)的難度比直接用DDK開(kāi)發(fā)要小，但開(kāi)發(fā)的靈活性不如DDK。本設計使用的驅動(dòng)是DriveStudio與DDK配合進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序的效率較高。

　　在驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)平臺搭建成功后，我們利用驅動(dòng)程序生成向導Driver Wizard，根據硬件設置生成USB設備驅動(dòng)程序的大體框架。設置如下：①選擇 WDM的驅動(dòng)程序類(lèi)型和Windows 2000運行平臺。②選擇 USB總線(xiàn)類(lèi)型，填寫(xiě)它的VID(供應商ID)和PID(設備ID)，這些信息由芯片的供應商提供。③增加端點(diǎn) 1和端點(diǎn)2，它們分別具有IN 和OUT屬性。④根據需要選擇對設備的操作有：Read、Write、Device Control和CleanUp。⑤選擇給端點(diǎn)2產(chǎn)生 BULK Read和Write的代碼, 向導會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生一套對端點(diǎn)2進(jìn)行讀、寫(xiě)的代碼。⑥設置驅動(dòng)程序的屬性，采用WDM接口;在選取讀寫(xiě)方式時(shí)應遵循一條原則：需要快速傳送大量數據時(shí)，用 Direct I/O，反之用 Buffer I/O，本設計數據量不大，故選用Buffer I/O;由于無(wú)特殊的電源需求，故選用系統默認的Manage Power For This Device。⑦增加IOCTL接口，在其生成的代碼框架中加入自己的操作，以實(shí)現一個(gè)完整的USB 設備驅動(dòng)程序。最后就生成了一個(gè) WDM 型的 USB 設備驅動(dòng)程序框架和一個(gè)測試該驅動(dòng)程序的測試程序大體框架。然后在其中添加需要的功能代碼。

　　通過(guò)DriveStudio初步建立一個(gè)驅動(dòng)程序框架后，我們只要修改TESTFIRMDevice.h和TESTFIRMDevice.cpp就可以了，修改完畢后，可以發(fā)現使用DriveStudio向導生成的USB設備驅動(dòng)程序，不僅不需要對底層的硬件進(jìn)行編程，甚至可以忽略與硬件控制緊密相關(guān)的復雜的Windows數據結構(如，URB、IPR)、API函數(DriveEntry()、IoCreateDevice()、AddDevice())的使用。

　　用DriveWizard創(chuàng )建USB框架程序自動(dòng)生成的兩個(gè)工程(Project)文件：TESTFIRM驅動(dòng)程序工程和Test_TESTFIRM應用程序工程，將光標定位在其中一個(gè)工程上之后，單擊右鍵，選擇“set as Acnve Pmiect”即可設置該工程為當前活動(dòng)工程。對于驅動(dòng)程序編譯，不用進(jìn)行任何設置，單擊Build圖標即可生成USB驅動(dòng)程序TESTFIRM.sys文件。

　　3.3 通信程序

　　因為DriveStudio已經(jīng)替我們把核心驅動(dòng)程序基本開(kāi)發(fā)完了，在本設計中，只要掌握WriteFile和ReadFile兩個(gè)函數的使用就可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的USB通信了。由于DriveStudio所用的類(lèi)庫是對DDK函數一定程度的封裝，必須在 VB、VC++等軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯，創(chuàng )建自己的庫文件，所以很容易為程序增加了圖形界面，使用戶(hù)操作更加方便。

　　當USB設備與PC通信時(shí)，USB設備是從設備，PC是主設備。PC機通過(guò)檢測USB總線(xiàn)數據端電平判斷是否接入或拔出USB設備。PC檢測到USB設備后，調用USB設備函數。如果設備被正確打開(kāi)，軟件開(kāi)啟監聽(tīng)USB設備線(xiàn)程，以20ms周期輪詢(xún)USB接收數據接口。一旦接收到數據，數據就被分析并且回顯到界面上，直到線(xiàn)程被中斷。

　　4 結論

　　1553B總線(xiàn)是當前飛機系統中廣泛應用的總線(xiàn)類(lèi)型，將它與USB總線(xiàn)融合起來(lái)具十分重要的實(shí)際意義。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用DriveStudio與DDK配合進(jìn)行開(kāi)發(fā)USB驅動(dòng)程序，大大提高了開(kāi)發(fā)的效率。本設計在實(shí)際設備測試中，板卡可以穩定工作，測試軟件工作正常，滿(mǎn)足項目設計要求。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：利用PDIUSBDl2外置CPU控制數據的讀入和寫(xiě)出，開(kāi)發(fā)USB驅動(dòng)程序，結合FPGA完成系統時(shí)序控制，是對1553B-USB轉換器設計一種有益的探索。