基于FPGA的1553B通信模块的设计(转）

reference：http://www.21ic.com/app/eda/201808/798483.htm

https://www.milstd1553.com/

[导读]

　　摘 要： 提出一种将FPGA与PowerPC芯片结合，实现MIL-STD-1553B通信模块的技术方案。详细讨论了该系统的结构、1553B总线协议在FPGA上的实现以及系统的软件结构等关键技术。该系统方案与采用专用的协议芯片实现1553总线接口的方法相比，具有更灵活、成本更低、可移植性好等特点。
关键词： MIL-STD-1553B；FPGA；PowerPC

　　MIL-STD-1553总线是美国国防部制定的一种具有可确定性且传输可靠的数据总线，被广泛应用于军用飞机、军用车辆以及舰载等领域中。目前，1553B总线接口模块的实现主要有2种方式：一种是采用专用的协议芯片(如DDC公司的BU-61580、HOLT公司的HI-6110等)；另一种是采用FPGA与CPU结合实现1553B的协议模块。
　　本系统采用后一种方式，硬件上采用PowerPC芯片PPC405EP与Xilinx的FPGA芯片XC3S200为系统的核心芯片，使用VHDL语言实现1553B的总线协议。与采用专用的协议芯片实现1553总线接口的方法相比，该方案的成本很低，也很容易根据需要进行功能扩展，使用灵活。
1、 1553总线分析
　　在MIL-STD-1553总线上有总线控制器、远程终端和监视器3种设备。其中，最重要的是总线控制器（BC－Bus Controller），总线上的任何操作都是由BC发起的（通过发不同的命令控制总线上的数据传输）；远程终端（RT－Remote Terminal）接收BC的命令，并按命令进行相应数据传输；总线监视器（BM－Bus Monitor）对总线上的数据进行接收和存储。
　　1553B总线上数据的交互是基于消息机制的。该标准定义了10种消息传输格式，而这10种传输格式都采用前述的3种字类型，总线上的数据传输就是采用这10种消息传输格式中的一种。其传输过程如下：BC通过总线发送某种命令字，所有的RT接收该命令字，并将命令字中的地址域与自己的地址相比较，相同则接收该命令字；随后，RT对命令字进行解析，根据命令完成相应的操作(接收数据字、发送数据字、同步、自检等)。这些操作都会产生相应的状态字发送给BC。BC通过状态字来判断RT是否工作正常。如果RT接收到的命令字中的终端地址是广播地址，则所有的RT都接收该命令，但都不返回状态字给BC。
2 、系统设计
2.1 系统结构
　　系统结构如图1所示。1553B的协议处理以及编解码都由FPGA实现。在同一电路上集成BC、BM和R/T功能，可以通过软件设置来选择所需的功能。同时，其综合了通信和测试功能，既能够检测出各种可能出现的错误，又能根据测试要求产生各种错误。

　　CPU芯片采用AMCC公司的PowerPC405EP。该芯片不仅包括一个高性能的RISC处理器内核，还有SDRAM控制器、PCI总线接口、以太网接口、外部ROM和周边资源控制及串行口、IIC接口、通用I/O口等，支持DMA功能。
系统中的PXI接口是用PowerPC405EP的PCI接口与外部的开关电路扩展实现的。CPU通过EBC总线与1553模块通信，其接口电路由FPGA实现。图1所示接口电路主要完成通道选择、数据环回等功能。

2.2 总体方案
　　1553B总线协议由硬件和软件配合实现。整体设计思路是：硬件和软件采用中断和查询2种方式，通过一个共享的数据Buffer进行信息交互。下面介绍系统整体数据收发流程。本系统的软硬件功能就是根据该流程进行分工和实现的。
2.2.1 数据发送流程
　　上层软件以数据结构的形式将控制和数据信息传输给硬件逻辑电路，硬件电路自动地将数据按照控制信息发送到1553B总线上。CPU向硬件逻辑发送数据时，首先应检测上次的发送是否已经结束。具体方法是：读通道状态寄存器发送完成位，如果有效，表示上次发送已经结束了。只有检测到上次发送结束了，才能进行数据的发送操作。硬件电路在将数据发送完之后，会产生中断请求。软件根据中断请求去查询状态寄存器，决定下一步的操作。传输流程简述如下：
　　(1)CPU向数据发送FIFO写入1个指令字/状态字和错误控制信息；
　　(2)CPU向通道控制寄存器写入发送使能信号；
　　(3)CPU向数据发送FIFO写入0～32次数据和错误控制信息；
　　(4)硬件逻辑检测到发送使能信号；
　　(5)硬件逻辑自动将存储在FIFO中的数据顺序取出；
　　(6)硬件逻辑根据错误控制信息对数据进行相应处理后将数据发送到1553B总线上；
　　(7)硬件逻辑在发送消息结束2 μs后，置发送完成状态位，并产生中断信号。
2.2.2 数据接收流程
　　硬件逻辑接收到1553B总线上的数据后，对该数据进行错误检测，并将相应的状态信息和数据组合起来一起存入到接收FIFO中。当接收FIFO达到一定容量后，便向CPU产生中断信号。CPU对FIFO进行读操作，将数据和状态取出。接收步骤如下：
　　(1)硬件逻辑接收总线上的数据；
　　(2)硬件逻辑对数据进行错误检测，产生状态信息；
　　(3)硬件逻辑将数据和状态信息写入接收FIFO中；
　　(4)当接收FIFO达到一定容量时便产生中断信号；
　　(5)CPU响应外部中断；
　　(6)CPU对FIFO进行读操作，将状态信息和数据取走；
　　(7)CPU对状态信息进行解析，决定对数据的处理。
3 、总线编解码的FPGA实现
　　本系统中的FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan-3A XC3S200。该系列产品采用了90 nm工艺，支持业界最广泛的I/O标准(26种)，具备独特的功耗和配置功能以及防克隆（anti-cloning）安全性优势。
　　FPGA的功能全部采用VHDL语言实现，其功能框图如图2所示。其主要完成的工作有：(1)曼彻斯特码的编解码，包括串/并转换。(2)1553B协议的消息的解析，包括同步头的识别，以及各种错误的识别、奇偶校验等。(3)1553B协议的消息发生，包括同步头的产生、各种状态位的产生以及各种错误信息的产生。(4)与CPU接口的实现。(5)各种中断信号的实现。(6)定时和超时控制电路等。
3.1 总线发送电路实现
　　如果没有注入错误的要求，编码器的实现就比较简单，只需要用若干倍1553B的传输速率（本设计采用12倍频）将并行数据转换为串行数据，加上相应的同步头即可。在硬件上数据发送电路主要由一个状态机、双口FIFO、注入错误标志寄存器以及控制电路组成。状态机的状态图如图3所示。复位之后，该状态机在每个时钟的上升沿都检测FIFO中是否有数据，若为空则停留在空闲状态。一旦上层软件通过EBC接口向FIFO写入数据后， 硬件电路自动将数据读出。进入到同步头发送状态，硬件电路根据命令寄存器的控制字送出相应的串行同步头，随后进入数据发送状态。在每个时钟沿，移位寄存器将数据寄存器的数据移出，进行曼码编码后发出，同时，数据计数器自动加1。当计数值为16时，则转入到奇偶校验状态，将异或得到的检验位编码后发出。

　　本系统要求具有测试功能，主要有以下注入错误的要求：
　　(1)EI_BITCOUNT：消息中指定数据的位数错误(不为16位)；
　　(2)EI_PARITY：消息中指定数据的校验位错误；
　　(3)EI_SYNC：错误的同步头；
　　(4)EI_WORDCOUNT：使消息中的数据长度不等于命令字中的长度；
　　(5)EI_MIDBIT：指定数据位过零点错误，比期望位置延时300 ns；
　　(6)EI_MIDSYNC：同步头的过零点错误，比期望位置延时300 ns；
　　(7)EI_BIPHASE：整个位时无过零点。
　　硬件电路要求在状态机中加入对应的电路，检测错误寄存器中的标志位，并产生对应的错误。
3.2 总线接收电路实现
　　无论是BC还是RT都需要对收到的数据进行解析。接收电路的主要功能有：曼码的解码、串并转换、同步头检测、奇偶校验以及各种错误的检测。如图4所示，状态机复位之后进入同步头搜索状态。硬件电路以12倍1553总线传输速率的频率去检测几种同步头。若收到同步头，则将状态寄存器中的对应位置位，并转入数据接收状态；否则，停留在该状态下。数据接收状态下，移位寄存器在时钟沿将经过解码的数据移入。在数据计数器计数到16之后转入到奇偶校验状态；之后，将数据和状态写入到FIFO中。硬件电路在状态机的每个阶段都要检测各种错误，如果出错则回到同步头搜索状态。同时，产生错误标志和中断信号。

3.3 硬件中断功能的实现
　　如上所述，本系统软件和硬件的通信主要通过中断和查询的方式进行信息交互。硬件电路实现了如下中断功能：
　　(1)每收到1个命令/状态字产生中断；
　　(2)数据长度计数器中断和使能。软件对收到的命令/状态字进行解析，如果有数据准备接收，将数据长度值写入数据长度计数器，同时使能计数器。硬件收到1个数据字，递减计数器，直到0产生中断，同时禁止该数据计数器中断；
　　(3)接收FIFO半满或3/4满产生中断；
　　(4)接收FIFO全满（overflow）产生中断；
　　(5)发送FIFO为空产生中断；
　　(6)中断状态/使能寄存器；
　　(7)等待超时中断（接收数据长度不够）；
　　(8)数据计数器中断处，打上时间戳；收到每个命令/状态字打上时间戳；发送的命令/状态字的同步头过零点打上时间戳。
4 、软件设计
　　软件设计包括板载嵌入程序、主机驱动程序设计。板载嵌入程序和主机驱动程序通过共享PPC外挂内存来完成数据交互，板载嵌入式程序通过访问FPGA的寄存器和FIFO来完成硬件操作和数据收发。其结构如图5所示。

　　主机驱动程序的开发平台是LabWindows/CVI，为用户提供方便实用的API接口函数及其定义。
　　嵌入式程序的开发平台是Tornado2.2。该程序主要完成模块的初始化、各通道BCRTBM的消息解析、中断服务处理、与主机交互等功能。其中消息解析是嵌入式程序的核心部分。
　　当模块选项为多功能模块时，要求各通道在同一个工作时期可同时作为BC、BM和最多31个RT进行工作。当被测系统的可得终端有限时，又希望获得充足完备的测试，多功能模块将提供充足的终端用以测试。为了能同时且正确充当BC、BM、RT 3个不同的角色，模块的嵌入式程序设计引入了可编程逻辑设计的状态机设计思想。BC、BM、RT各自拥有自己的状态机。
5 、测试与结论
　　图6所示为1553收发器仿真波形图。由于篇幅原因，只显示了部分功能。该仿真主要验证了如下过程：软件通过EBC总线接口将3个待传输数据以及对应的控制字写入到FIFO中，经过硬件电路转换为串行数据输出到差分输出端；输出再环回到差分输入端，经过解码电路再写入到FIFO中，产生中断信号，并被软件通过EBC总线将数据和状态读回。

　　经过仿真和实际验证，本系统满足1553B总线协议的要求。同时，该设计已经成为产品，在实际中得到了应用。

参考文献
[1] Condor Engineering Inc．MIL-STD-1 553 Tutorial[Z].2000.
[2] Data Device Corporation．MIL-STD-1 553 DESIGNER′S GUIDE[Z].1998.
[3] Applied Micro Circuits Corporation.PowerPC 405EP Embedded Processor datasheet[EB/OL].http：//www.appliedmicro. com/MyAMCC/retrieveDocument/PowerPC/405EP/PPC405EP_DS2003.pdf,2003.
[4] Xilinx INC.Spartan-3 FPGA Family：Complete Data Sheet [EB/OL].http：//www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds099.pdf，2008.