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基于FPGA和DSP技術某型飛機總線系統(tǒng)通訊軟件的設計

摘要： 在分析某型飛機MILSTD1553B數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)構成的基礎上，結合其通信協(xié)議與其消息傳輸格式,，建立了某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構,，并運用FPGA和DSP技術設計了此型飛機總線系統(tǒng)通訊軟件,。

關鍵詞： FPGA DSP 飛機總線通訊軟件

Abstract：

Key words :

　　在分析某型飛機MILSTD1553B數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)構成的基礎上，結合其通信協(xié)議與其消息傳輸格式，建立了某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構，并運用FPGA和DSP技術設計了此型飛機總線系統(tǒng)通訊軟件,。

　　目前，隨著工藝和技術的進步,，集成電路技術的發(fā)展已經(jīng)使得在一個芯片上集成一個可編程系統(tǒng)（Programmable System On a Chip,，PSOC）成為可能。其中,，現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array,，F(xiàn)PGA）由于其設計靈活、速度快,，在數(shù)學專用集成電路的設計中得到廣泛的應用,。數(shù)字信號處理（DSP）的理論與實現(xiàn)手段獲得了快速發(fā)展，已成為當代發(fā)展最快的學科之一,。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,，在很多領域已經(jīng)得到了廣泛的應用［1］,。

　　MILSTD1553B數(shù)據(jù)總線具有雙向輸出特性,，實時性和可靠性高，廣泛應用在當代的運輸機和相當數(shù)量的民航客機以及軍用飛機上,。

　　1 1553B數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)構成

　　1553B總線系統(tǒng)主要由3部分組成：總線控制器BC,；遠程終端RT；數(shù)據(jù)總線D ata Bus,。

　　某飛機的總線系統(tǒng)構成如圖1所示,。

某飛機的總線系統(tǒng)構成

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

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

　　2 1553B數(shù)據(jù)總線通信協(xié)議

　　1553B總線的工作頻率是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控制器（BC）,、遠端終端（RT）和可選用的總線監(jiān)控器（MT）。一般情況下,，這3部分通過1個多路總線接口（MBI）來完成,。可把MBI嵌在計算機內,。該總線有10種消息格式,。每個消息至少包含2個字，每個字有16個消息位,，1個奇偶校驗位和3個位長的同步頭,，所有的消息字都采用曼徹斯特II碼構成。1553B的數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)淖值母袷饺鐖D2所示,。

1553B的數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)淖值母袷? border=

　　1553B數(shù)據(jù)總線用的是指令／響應型通信協(xié)議,。他有3種類型的終端，分別為：

　　(1)總線控制器（BC）

　　他是在總線上惟一被安排為執(zhí)行建立和啟動數(shù)據(jù)傳輸任務的終端,。

　　(2)遠程終端(RT)

　　他是用戶子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線上的接口,，他在BC的控制下提取數(shù)據(jù)或吸收數(shù)據(jù)。

　　(3)總線監(jiān)控器（MT）

　　他“監(jiān)控”總線上的信息傳輸,，以完成對總線上的數(shù)據(jù)源進行記錄和分析,，但他本身不參與總線的通信。

　　3 1553B數(shù)據(jù)總線消息傳輸格式

　　1553B總線上的信息的傳遞是以消息為單位的,。所有的消息都是由數(shù)據(jù)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,。

1553B協(xié)議允許的10種消息格式

　　4 某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構

　　參考ISO的開放式互連系統(tǒng)七層模式，某型飛機機載系統(tǒng)分為5層：應用層,、驅動層,、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,，如圖4所示,。

某型飛機總線系統(tǒng)通訊層次結構

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

　　驅動層是應用層與低層的軟件接口,。為實現(xiàn)應用層的管理功能,，驅動層應能控制子系統(tǒng)內多路傳輸總線接口（簡稱MBI）的初始化、啟動,、停止,、連接、斷開,、啟動其自測試,，監(jiān)控其工作狀態(tài)，控制其和子系統(tǒng)主機的數(shù)據(jù)交換,。

　　傳輸層控制多路傳輸總線上的數(shù)據(jù)傳輸,，傳輸層的任務包括信息處理、通道切換,、同步管理等,。

　　數(shù)據(jù)鏈路層按照MILSTD1553B規(guī)定，控制總線上各條消息的傳輸序列,。

　　物理層按照MILSTD1553B規(guī)定,，處理1553B總線物理介質上的位流傳輸,。

　　應用層,、驅動層在各個子系統(tǒng)主機上實現(xiàn),，傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層,、物理層在MBI上實現(xiàn),。

　　5 總線系統(tǒng)通訊軟件設計

　　在某型飛機航空總線系統(tǒng)的設計中，一個很重要的工作就是總線通訊軟件的設計,。航空總線通訊軟件設計包括：驅動層和應用層的軟件設計,。其中驅動層直接驅動總線接口板主要完成各個寄存器的配置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,；應用層是設計中的最高層,，他管理整個系統(tǒng)的功能［3］。作為一塊接口板,，設計的重點在于驅動層的軟件的設計,，他包括3個方面的內容：

　　（1）FPGA部分的軟件,。

　?。?）DSP部分的軟件。

　?。?）上位機操作系統(tǒng)驅動軟件,。

　　5.1 FPGA程序控制功能

　　該部分采用VHDL語言編寫,實現(xiàn)1553B總線數(shù)據(jù)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，由邏輯門電路實現(xiàn),。這里從軟件角度畫出流程圖如圖5所示,。

從軟件角度畫出流程圖

　　5.2 DSP程序控制功能

　　DSP控制部分程序實現(xiàn)的功能如下:

　　(1)對總線接口板的初始化(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)實現(xiàn)RT地址識別

　　由于是多RT總線接口板,，所以收到數(shù)據(jù)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應傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在總線接口板和上位機之間的數(shù)據(jù)交換,。包括數(shù)據(jù)的讀寫過程和自檢測過程,，所要完成的操作如下：

　　①向FPGA寫入發(fā)送數(shù)據(jù)（到總線）,。

　?、趶腇PGA內讀出數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)由DSP處理）。

　?、巯螂p口RAM寫入數(shù)據(jù)（到上位機）,。

　?、茏詸z測過程。自檢測過程是在收到上位機的自檢命令后,，實現(xiàn)接口板的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收性能測試,。

　　(4)中斷控制程序

　　在DSP芯片TMS320F206接口的設計中，使用3個硬件中斷,，INT1,，INT2由FPGA來產(chǎn)生，INT3 則由上位機來產(chǎn)生,。INT1表明FPGA的接收單元已收到一個數(shù)據(jù),，通知F206讀數(shù)，INT2表明FPGA的接收單元已收到一個錯誤數(shù)據(jù),，通知F206讀取錯誤狀態(tài)信息,，INT3是上位機和接口板數(shù)據(jù)傳輸控制的一種手段，通過INT3中斷,，上位機告訴接口板進行數(shù)據(jù)接收還是數(shù)據(jù)發(fā)送操作,，發(fā)送多少數(shù)據(jù)，采用的消息格式以及總線控制等信息,。

　　DSP部分的軟件采用C++和匯編語言混合編程,，關鍵路徑如中斷服務程序，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序都采用匯編語言以達到最大的執(zhí)行效率,，主程序采用C++編寫,。

　　DSP部分軟件的流程圖，如圖6所示,。

DSP部分軟件的流程圖