１５５３Ｂ總線遠程端點數據鏈路層協議的ＦＰＧＡ實現

吳結根　楊　俊

摘 要：介紹了用FPGA設計實現MIL-STD-1553B總線遠程端點的數據鏈路層協議，整個設計采用自頂向下的方式，實現程序分為4個模塊，每個模塊獨立完成相關功能，最后通過頂層模塊完成信號連接。該設計采用VerilogHDL編寫，通過Modelsim和Quartus Ⅱ完成仿真和綜合，最后在Altera公司Cyclone系列的FPGA上進行了實現，并通過實際應用對整個設計進行了驗證。

關鍵詞：1553B；總線接口；通信協議；FPGA；實現

中圖分類號：TN915.05文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-163-04

Realization of 1553B Bus Remote Terminal′s Data Link Layer Protocol

WU Jiegen YANG Jun2

(1.Jiangxi Branch Co.,China Netcom Group,Nanchang,330025,China;2.Jiangxi Co.Ltd.,China Mobile Group,Nanchang,330009,China)

Abstract：The design and realization of MIL-STD-1553B bus remote terminal′s data link layer protocol through FPGA is introduced.The design realized by top-down mode is divided into four modules.Each module achieved some functions and final achieved the signal connection by the top module.The design is programmed by VerilogHDL,emulated by Modelsim,synthesized by QuartusII and final realized on the Altera′s Cyclone series FPGA is validated by practical application.

Keywords：1553B;bus interface;communication protocol;FPGA;realization

0 引 言

用于車輛、艦船、飛機等機動平臺上的電子設備越來越多，并且越來越復雜。將電子設備加以有效的綜合，使之達到資源和功能共享已成為必然趨勢。電子綜合的支撐技術是聯網技術，而機動平臺上的聯網技術不同于一般的局域網技術，它特別強調網絡的可靠性和實時性。1553B總線是在20世紀70年代末為適應飛機的發展，由美國提出的飛機內部的電子系統聯網標準；其后由于它的高可靠性和靈活性而在其他機動平臺上得到了廣泛應用。國內上世紀80年代中期已開始接觸這類技術，目前它的研究與應用范圍正在迅速擴大。

1553B總線標準由美國軍方制定。支持該標準的協議芯片有DDC公司的BU-6517X，BU-615XX系列；HOLT公司的HI-61XX系列；UTMC公司的BCRTM等。這些芯片都集成了BC，RT，BM的功能，但是這些芯片都由美國公司生產，價格非常昂貴。為了能低成本地使用這種可靠性非常好的數據總線，采用FPGA設計并實現遠程端點的數據鏈路層協議，通過外接一個總線收發器完成1553B遠程端點協議芯片功能。

在電子設計領域，可編程邏輯器件的廣泛應用為數字系統的設計帶來極大的靈活性，1片FPGA芯片可代替上百個IC電路。Altera公司開發的Cyclone系列FPGA芯片價格便宜，功能強大，而且配套的開發軟件Quartus Ⅱ更是集成了時序仿真、編譯、綜合、優化等功能，這為實現1553B總線遠程節點通信協議提供了有利條件。文中所實現的1553B總線遠程端點數據鏈路層協議采用VerilogHDL語言編寫；采用ModelSim仿真；采用Quartus Ⅱ編譯、綜合、優化，并在Altera 的EP1C6系列FPGA上實現。

1 1553B總線及其接口功能

1553B的全稱是：飛機內部時分制指令/響應式多路傳輸數據總線。它對物理層，如：傳輸介質、屏蔽條件、耦合方式、阻抗匹配以及輸入輸入兼容性等都做了嚴格規范。1553B總線是以串行數據脈沖的形式進行傳輸的，其數據用雙相曼徹斯特碼的形式來表示，其傳輸速率為1 Mb/s。1553B數據總線上連接有3種類型的節點：

(1) 總線控制器(BC)：控制總線上的數據傳輸；

(2) 遠程終端(RT)：響應BC命令，執行相關操作；

(3) 總線監視器(BM)：有選擇地接收數據總線上的信息并保存。

飛機上的每個子系統可以通過1553B總線連接到任何一個系統中并與其通信。

在總線上傳輸字有3種類型：命令字、狀態字和數據字。每種字的字長為20位，有效信息位為16位，每個字的前三位為同步字頭，最后一位為奇偶校驗位。有效信息(16位)及奇偶校驗位在總線上以曼徹斯特碼的形式進行編碼，每位占的時間為1 μs。同步字頭占3位，或先正后負(命令字、狀態字)或先負后正(數據字)，正、負電平各占1.5 μs，即占同步頭位場的50%。由于系統類型的不同，可辨別出命令字和狀態字，命令字由總線控制器發出，而狀態字由遠程終端RT發出。

作為1553B總線的遠程端點，應完成以下功能：

(1) 將總線上的串行信息流轉換成微控制器可以處理的并行信息或者與之相反；

(2) 接收或者發送信息時，能夠識別或生成標準的1553B信息字；

(3) 完成與微控制器之間的信息交換，包括1553B信息地址的分配、命令字的譯碼或返回狀態字、發送數據字等。

1553B遠程端點數據鏈路層協議需要完成上述的1553B遠程端點的大部分功能，包括同步頭添加與檢測，曼徹斯特碼編解碼，命令字譯碼與接收數據字，狀態字反饋與收發數據字，數據緩沖以及與微控制器之間的接口等。整個數據鏈路層協議內部采用寄存器控制的方式進行操作，上層微控制器通過讀寫實現程序的寄存器，以完成對協議的控制，而內部操作也是根據相關寄存器的狀態來進行的，因此設計時，首先定義相關寄存器，根據數據線的寬度，所有寄存器都定義為16位。

(1) 控制寄存器：它完成內部時鐘、總線端口選擇、節點狀態設定、狀態字保留位、節點ID以及全局復位等狀態的設置和操作。

(2) 錯誤寄存器(ER)：當通信協議中出現了奇偶校驗錯誤，數據不連續錯誤，接收數據個數錯誤，接收FIFO錯誤，發送FIFO錯誤時就會置位其相關位，上層微控制器通過讀取ER就知道錯誤的類型。

(3) 狀態寄存器(SR)：SR中反映了當前數據鏈路層協議的狀態，包括接收數據狀態、接收FIFO長度、發送FIFO長度、接收錯誤狀態、中斷信號狀態nINT和nINTD。

(4) 接收命令字寄存器(RCR)：RCR用于保存當前接收到的命令字。

(5) 發送矢量字寄存器(SVWR)：該寄存器用于存放總線控制器要求的矢量字，這個矢量字由微控制器寫入。

(6) 接收同步字寄存器(SYNDR)：用于存放接收到的帶數據字同步命令中的數據字。