基于FPGA/DSP技術(shù)的1553B飛機總線(xiàn)系統通訊軟件的設計

目前，隨著(zhù)工藝和技術(shù)的進(jìn)步，集成電路技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得在一個(gè)芯片上集成一個(gè)可編程系統（Programmable System ON a Chip，PSOC）成為可能。其中，現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）由于其設計靈活、速度快，在數學(xué)專(zhuān)用集成電路的設計中得到廣泛的應用。數字信號處理（DSP）的理論與實(shí)現手段獲得了快速發(fā)展，已成為當代發(fā)展最快的學(xué)科之一。由于其高速的處理速度和強大而又靈活的接口與通信能力，在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用［1］。

MILSTD1553B數據總線(xiàn)具有雙向輸出特性，實(shí)時(shí)性和可靠性高，廣泛應用在當代的運輸機和相當數量的民航客機以及軍用飛機上。

1 1553B數據總線(xiàn)系統構成

1553B總線(xiàn)系統主要由3部分組成：總線(xiàn)控制器BC；遠程終端RT；數據總線(xiàn)D ata Bus。
某飛機的總線(xiàn)系統構成如圖1所示。

圖中CIP1為BC，CIP2為CIP1備份，其他子系統都是RT，并且此總線(xiàn)系統是雙余度的，兩套總線(xiàn)互為備份。

CIP1為通信和信息處理系統；CIP2為通信和信息處理系統備份；DTE為數據傳輸設備；INS為慣性導航系統；FDR為飛行參數記錄系統；ADC為大氣數據計算機；IFU為接口組件；FCC為火控計算機；SMS為外掛管理系統；LRS為激光測距系統。

2 1553B數據總線(xiàn)通信協(xié)議

1553B總線(xiàn)的工作頻率是1 Mb/s 。采用曼徹斯特II碼，半雙工工作方式。主要的硬件部分為總線(xiàn)控制器（BC）、遠端終端（RT）和可選用的總線(xiàn)監控器（MT）。一般情況下，這3部分通過(guò)1個(gè)多路總線(xiàn)接口（MBI）來(lái)完成?？砂袽BI嵌在計算機內。該總線(xiàn)有10種消息格式。每個(gè)消息至少包含2個(gè)字，每個(gè)字有16個(gè)消息位，1個(gè)奇偶校驗位和3個(gè)位長(cháng)的同步頭，所有的消息字都采用曼徹斯特II碼構成。1553B的數據總線(xiàn)傳輸的字的格式如圖2所示。

1553B數據總線(xiàn)用的是指令／響應型通信協(xié)議。他有3種類(lèi)型的終端，分別為：
(1)總線(xiàn)控制器（BC）
他是在總線(xiàn)上惟一被安排為執行建立和啟動(dòng)數據傳輸任務(wù)的終端。
(2)遠程終端(RT)
他是用戶(hù)子系統到數據總線(xiàn)上的接口，他在BC的控制下提取數據或吸收數據。
(3)總線(xiàn)監控器（MT）
他“監控”總線(xiàn)上的信息傳輸，以完成對總線(xiàn)上的 數據源進(jìn)行記錄和分析，但他本身不參與總線(xiàn)的通信。
3 1553B數據總線(xiàn)消息傳輸格式
1553B總線(xiàn)上的信息的傳遞是以消息為單位的。所有的消息都是由數據字、指令字、狀態(tài)字組成。下面是1553B協(xié)議允許的10種消息格式，如圖3所示。


4 某型飛機總線(xiàn)系統通訊層次結構

參考ISO的開(kāi)放式互連系統七層模式，某型飛機機載系統分為5層：應用層、驅動(dòng)層、傳輸層、數據鏈路層和物理層，如圖4所示。

這5層之間功能劃分明確，接口簡(jiǎn)單，從而為硬軟件的設計實(shí)現奠定良好的基礎［2］。應用層是通信系統的最高層次，他實(shí)現通信系統管理功能（如初始化、維護、重構等）和解釋功能（如描述數據交換的含義、有效性、范圍、格式等）。

驅動(dòng)層是應用層與低層的軟件接口。為實(shí)現應用層的管理功能，驅動(dòng)層應能控制子系統內多路傳輸總線(xiàn)接口（簡(jiǎn)稱(chēng)MBI）的初始化、啟動(dòng)、停止、連接、斷開(kāi)、啟動(dòng)其自測試，監控其工作狀態(tài)，控制其和子系統主機的數據交換。

傳輸層控制多路傳輸總線(xiàn)上的數據傳輸，傳輸層的任務(wù)包括信息處理、通道切換、同步管理等。
數據鏈路層按照MILSTD1553B規定，控制總線(xiàn)上各條消息的傳輸序列。
物理層按照MILSTD1553B規定，處理1553B總線(xiàn)物理介質(zhì)上的位流傳輸。
應用層、驅動(dòng)層在各個(gè)子系統主機上實(shí)現，傳輸層、數據鏈路層、物理層在MBI上實(shí)現。

5 總線(xiàn)系統通訊軟件設計

在某型飛機航空總線(xiàn)系統的設計中，一個(gè)很重要的工作就是總線(xiàn)通訊軟件的設計。航空總線(xiàn)通訊軟件設計包括：驅動(dòng)層和應用層的軟件設計。其中驅動(dòng)層直接驅動(dòng)總線(xiàn)接口板主要完成各個(gè)寄存器的配置，實(shí)現數據的發(fā)送和接收；應用層是設計中的最高層，他管理整個(gè)系統的功能［3］。作為一塊接口板，設計的重點(diǎn)在于驅動(dòng)層的軟件的設計，他包括3個(gè)方面的內容：
（1）FPGA部分的軟件。
（2）DSP部分的軟件。

（3）上位機操作系統驅動(dòng)軟件。
5.1 FPGA程序控制功能

該部分采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě),實(shí)現1553B總線(xiàn)數據的接收、發(fā)送、曼徹斯特II碼、錯誤檢出、奇偶檢驗、與DSP的接口和譯碼電路等功能。其中發(fā)送單元與接收單元是并行工作的，由邏輯門(mén)電路實(shí)現。這里從軟件角度畫(huà)出流程圖如圖5所示。


5.2 DSP程序控制功能

DSP控制部分程序實(shí)現的功能如下:

(1)對總線(xiàn)接口板的初始化(包括初始化DSP本身內部電路和寄存器FPGA及上位機通訊寄存器)。

(2)實(shí)現RT地址識別
由于是多RT總線(xiàn)接口板，所以收到數據后，應該判別該RT地址是否屬于該接口板；

(3)與上位機消息傳輸控制功能
消息傳輸控制程序完成總線(xiàn)應傳輸的數據在總線(xiàn)接口 板和上位機之間的數據交換。包括數據的讀寫(xiě)過(guò)程和自檢測過(guò)程，所要完成的操作如下：
①向FPGA寫(xiě)入發(fā)送數據（到總線(xiàn)）。
②從FPGA內讀出數據（該數據由DSP處理）。
③向雙口RAM寫(xiě)入數據（到上位機）。