FPGA在航空電子系統中的設計應用

1 系統設計面臨的問(wèn)題

由于競爭的壓力和對飛機性能無(wú)止境的追求，航空電子從簡(jiǎn)單、獨立的設備發(fā)展到如今以每秒百萬(wàn)位乃至更快的速度交換信息的高級智能系統網(wǎng)絡(luò )。這也帶來(lái)了必須克服的許多設計問(wèn)題(見(jiàn)表1)。

在要求高性能的航空系統設計中，每項設計都要減少空間、功耗和重量，滿(mǎn)足這些要求至關(guān)重要。這項要求直接作用于芯片級別，單一芯片體積減小后對所需板卡的要求也會(huì )降低，從而降低了對封裝外殼、固定元件、冷卻器件甚至是電源的要求。同樣，每多增加一個(gè)組件，都會(huì )增加一些引發(fā)故障的機會(huì )。減少芯片數量的設計必然有助于緩解這些問(wèn)題。廢棄則是像MIL-STD-1553設計實(shí)施這類(lèi)長(cháng)期項目所面臨的另一個(gè)問(wèn)題。每個(gè)組件無(wú)論其是由世界最大的制造商提供，還是來(lái)自于產(chǎn)量較小的專(zhuān)業(yè)供應商，都存在著(zhù)廢棄的風(fēng)險。單一來(lái)源的組件不但面臨著(zhù)被廢棄的風(fēng)險，還有個(gè)長(cháng)期價(jià)格保護的問(wèn)題，特別是那些從原有項目繼承的設計，這個(gè)問(wèn)題更為明顯。對于已經(jīng)部署的系統，由于所涉及的代價(jià)過(guò)高，應盡量避免由于廢棄組件而重新對系統進(jìn)行驗證。當系統架構師指定一種系統設計時(shí)，必然會(huì )存在架構無(wú)法正確實(shí)現的某種風(fēng)險。一個(gè)非常典型的問(wèn)題是：經(jīng)常在設計過(guò)程中或架構確定很久之后(如在集成階段)，才知道需求有所變化。這些變化一般都會(huì )增加對架構的要求，并提出一些關(guān)于設計的常見(jiàn)問(wèn)題，如：設計足夠靈活嗎?能提供充分的處理能力嗎?功能在硬件和軟件之問(wèn)是否得以有效且高效地進(jìn)行了區分?能達到關(guān)鍵時(shí)間要求嗎?

理想狀況下，所選定的架構應功能強大、應用靈活，足以在初始部署階段就將風(fēng)險降到最低，并且提供了一個(gè)允許系統隨著(zhù)時(shí)間發(fā)展的平臺。

理想條件下，一個(gè)MIL-STD-1553設計師可以采用傳統的技術(shù)，使用有多個(gè)來(lái)源的COTS組件來(lái)解決這些問(wèn)題。這種由大量市場(chǎng)提供的組件在性?xún)r(jià)比上有明顯的優(yōu)勢。

2 MIL-STD-1553簡(jiǎn)介

請看一下數據傳輸路徑，即圖1中的MIL-STD-1553總線(xiàn)結構。MIL-STD-1553是一種定義數據總線(xiàn)的電子和協(xié)議特點(diǎn)的軍用標準。作為一種在軍用和商用領(lǐng)域廣泛應用超過(guò)25年之久的總線(xiàn)，并且符合MIL-STD-1553標準，它能以1 Mbit／s的速率高度精確、極為可靠地傳輸數據。

根據MIL-STD-1553標準的規定，總線(xiàn)結構由三個(gè)不同的硬件組成：

●總線(xiàn)控制器——總線(xiàn)控制器是總線(xiàn)上唯一允許在數據總線(xiàn)上發(fā)出命令，并負責引導數據總線(xiàn)中數據流的硬件設備。如果同時(shí)有幾個(gè)終端可以實(shí)現總線(xiàn)控制器的功能，同一時(shí)間內只能有一個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)。

●總線(xiàn)監視器——總線(xiàn)監視器是一個(gè)可以監控總線(xiàn)上信息交換的終端。它可以用于飛行測試記錄、飛行故障診斷、維護記錄與任務(wù)分析，同時(shí)還可作為一個(gè)備用總線(xiàn)控制器，它有足夠的信息可以接替總線(xiàn)控制器。然而，總線(xiàn)監視器是一個(gè)被動(dòng)的設備，它不能報告所傳輸信息的狀態(tài)。

●遠程終端——每個(gè)遠程終端都包括在數據總線(xiàn)和子系統間傳輸數據所必須的電子器件和支持性中間件。對于MIL-STD-1553，子系統就是所傳輸數據的發(fā)送者和接收者。這些終端不能作為總線(xiàn)控制器或總線(xiàn)監視器使用。

3 MIL-STD-1553系統實(shí)施

像其它網(wǎng)絡(luò )技術(shù)一樣，航空電子市場(chǎng)中的MIL-STD-1．553測試和仿真實(shí)施也經(jīng)歷了從龐大的DEC Unibus卡到19英寸的通過(guò)機架安裝的組件，又發(fā)展到用于VME和PCI系統上的較小、較為集成的多通道背板，現在又出現了更小、集成度更高的。 PCMCIA接口。圖2描述了專(zhuān)用的MIL-STD-1553 ASIC芯片制造商的實(shí)施從離散的協(xié)議和收發(fā)器芯片組精簡(jiǎn)到單一的體積小、功耗低的ASIC的發(fā)展過(guò)程。

(4)便于重新編程——由于支持對現場(chǎng)硬件的重新編程，核心的實(shí)施顯著(zhù)降低了設計風(fēng)險。如果系統需求發(fā)生變化，或者要修復一個(gè)錯誤時(shí)，基于FPGA的設計可以在軟件的控制下進(jìn)行升級。這種靈活性還可以在硬件構造完成后，在硬件和軟件間重新區分功能。例如，如果在集成階段發(fā)現軟件不能有效地響應一個(gè)實(shí)時(shí)事件，可以將該功能下移到FPGA級別，這樣就將原由軟件實(shí)現的功能轉化為硬件功能。

(5)適應多種機體——靈活，可重新編程的解決方案適于為多種機體構架或針對多用途基礎設計的飛航測試線(xiàn)上可更換件(LRU)。由于USAF和NATO的多種機體采用從MIL-STD-1553B標準分離出來(lái)的協(xié)議，所以多種機體的LRU需要靈活、可編程的設計。某些設計實(shí)施了通過(guò)特殊的子地址或模式代碼協(xié)議進(jìn)行尋址擴展的數據集。很多固定翼和可旋轉翼飛機同時(shí)采用了較老的MIL-STD-1553A和MIL-STD-1553B LRU，這就要求總線(xiàn)控制器和總線(xiàn)監視器能夠處理不同的協(xié)議。

4 對MIL-STD-1553系統設計采用基于核心的實(shí)施

現代FPGA的強大功能使其成為MIL-STD -1553設計的理想選擇，這就是Condor Engineering推出FlightCORE的原因。FlightCORE是一種允許設計人員在各種Altera和Xilinx的FPGA中輕松實(shí)現無(wú)版權的實(shí)例化設計的MIL-STD-1553 IP。多數情況下，利用Xilinx綜合技術(shù)(XST)或Altera Quartus II集成綜合技術(shù)(QIS)，FlightCORE 1553可以在兩天內成功地集成。如圖4所示，用戶(hù)只須將CondorEngineering的IP核心與其自身邏輯和Condor Engineering的個(gè)別化模塊(3 mm×3 mm)集成，即可實(shí)現高性能的MIL-STD-1553設計。FlightCORE還允許開(kāi)發(fā)人員選擇存儲器的大小以恰好地與其系統需求相匹配。圖4還顯示了可以實(shí)施內部存貯和／或外部雙端口隨機存貯器。該產(chǎn)品還提供了Manchester II編碼與解碼、信息協(xié)議驗證與合法化及為接口控制和編程實(shí)施簡(jiǎn)單的共享存貯架構等所有的必要組件。只需增加外部收發(fā)器即可，如標準的COTS MIL-STD-1553或RS-485收發(fā)器。


5 單一芯片上集中多個(gè)實(shí)例

類(lèi)似Condor Engineering的FlightCORE這樣的MIL-STD-1553解決方案需要少量的FPGA資源，約為3000個(gè)邏輯單元，148 kbit的內存和不到20個(gè)引腳(不包括外部主存總線(xiàn))。較小的體積使在單一芯片上放置多個(gè)相互獨立的實(shí)例成為可能，如圖3所示，某些程序可以在單一 FPGA上集中8到10個(gè)實(shí)例。

6 結論

FPGA與其容納的“知識產(chǎn)權”使設計人員可以對LRU進(jìn)行修改或專(zhuān)門(mén)設計，以適應不同的航空電子通信和日新月異的升級之間的微小差異。像Condor Engineering的MIL-STD-1553、1．Mb和10 Mb的FlightCORE IP這樣的通信核心，提供了一種直接而靈活的方法，可有效地解決日益增長(cháng)的功能和廢棄問(wèn)題。