基于HOLT芯片的1553B總線通信接口的設(shè)計(jì)

武瑞歡 曾曉東

摘要：MIL-STD-1553B是一種具有高可靠傳輸特性的總線協(xié)議，在航空航天等領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的地位。為解決新裝備對于1553B總線通信接口模塊體積小和低功耗的需求，本文基于1553B總線協(xié)議及其特點(diǎn)，研究了HOLT公司某型號的1553B協(xié)議芯片，提出一種以該HOLT芯片為協(xié)議芯片的1553B總線通信接口設(shè)計(jì)方案。通過仿真測試，結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)滿足數(shù)據(jù)傳輸可靠實(shí)時(shí)的要求。

關(guān)鍵詞：1553B總線；HOLT協(xié)議芯片；BC；RT

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0223-02

MIL-STD-1553B是由美國提出應(yīng)用在機(jī)載設(shè)備間信息傳輸?shù)目偩€標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了數(shù)據(jù)間的傳輸協(xié)議，因其高可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空電子通信網(wǎng)絡(luò)。1553B接口模塊（MBI）是連接在飛機(jī)總線上多個(gè)子系統(tǒng)通信的接口，負(fù)責(zé)多個(gè)設(shè)備間消息的正確傳輸。隨著實(shí)際需求的增加，機(jī)載系統(tǒng)對通信接口模塊體積、功耗和成本等提出了更多的要求，HOLT公司的某1553B協(xié)議芯片因符合發(fā)展趨勢而逐漸成為1553B總線協(xié)議芯片的主要選擇。本文就此基礎(chǔ)上介紹一種新型的1553B接口模塊的設(shè)計(jì)方法。

1 1553B總線介紹

1553B總線系統(tǒng)內(nèi)的功能節(jié)點(diǎn)分為三種類型：總線控制器（BC），遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)控器（MT）。BC負(fù)責(zé)總線上所有命令的管理和調(diào)度， RT被動接收BC的指令并完成相應(yīng)的操作，這種指令響應(yīng)型的通信模式避免了對總線資源的爭奪。MT負(fù)責(zé)監(jiān)控總線系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全部或者根據(jù)配置選擇性的記錄數(shù)據(jù)并存儲，方便出現(xiàn)問題進(jìn)行排故。1553B總線的架構(gòu)見圖1。

1553B總線采用A，B個(gè)傳輸通道，若當(dāng)前通道出現(xiàn)故障則可切換到備份通道保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。還結(jié)合采用BC和BBC互為備份，總線看門狗WDT和總線自測試保證高可靠性。協(xié)議制定了命令的響應(yīng)時(shí)間，消息的間隔時(shí)間和每次傳輸消息的長度，實(shí)現(xiàn)了通信效率的提升。1553B傳輸媒介為屏蔽雙絞線，為隔離單點(diǎn)故障協(xié)議推薦使用變壓器耦合方式，這種情況下理論上短截線長度不超過6m，總共的電纜長度不大于100m[1]。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 HOLT某型芯片介紹

該芯片是由HOLT公司根據(jù)1553B標(biāo)準(zhǔn)研制生產(chǎn)的一款通信協(xié)議芯片。芯片采用BC/ RT /MT硬件一體化設(shè)計(jì)，由軟件編程工作模式。其上集成了雙曼徹斯特編碼解碼器、收發(fā)器、帶誤碼檢測校正功能的64k大小的片內(nèi)靜態(tài)RAM來滿足應(yīng)用的需求。單個(gè)IC的尺寸為15×15mm，封裝相對主流的協(xié)議芯片更小，成本也更加滿足生產(chǎn)需求。

該芯片作為BC擁有多幀消息調(diào)度、消息重傳調(diào)度、存儲消息數(shù)據(jù)、異步信息插入和狀態(tài)錯誤報(bào)告等功能。所有的1553B錯誤檢查可以自動執(zhí)行，包括RT響應(yīng)時(shí)間，曼徹斯特編碼，同步頭，位計(jì)數(shù)值，字計(jì)數(shù)值等[2]。

該協(xié)議芯片可被配置為兩種RT，每個(gè)RT都擁有獨(dú)立描述符表，非法命令表、主機(jī)終端配置和狀態(tài)寄存器，并分配獨(dú)立的RAM，兩個(gè)RT可被獨(dú)立的復(fù)位和初始化。

芯片作為終端時(shí)的狀態(tài)通過可編程的中斷呈報(bào)給主機(jī)進(jìn)行處理。主機(jī)的中斷來自設(shè)備硬件或者是使能的終端設(shè)備，并使用硬件中斷寄存器、中斷記錄緩存和中斷計(jì)數(shù)記錄地址寄存器來管理中斷。該型號協(xié)議芯片的功能結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.2硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用HOLT協(xié)議芯片 + DSP 來搭建整個(gè)硬件系統(tǒng)。DSP作為核心處理器實(shí)現(xiàn)傳輸層的功能。協(xié)議芯片用作1553B協(xié)議處理器，實(shí)現(xiàn)物理層的連接和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。可編程邏輯器件FPGA作為高速的組合邏輯和時(shí)序邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)DSP和協(xié)議芯片之間主要的控制邏輯[3]。整個(gè)硬件設(shè)計(jì)見圖2。硬件組成包括通信處理器接口電路，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和總線接口電路。

通信處理器接口電路：DSP對協(xié)議處理器的片選和讀寫控制信號[4]通過FPGA的譯碼后輸出到協(xié)議芯片。協(xié)議芯片使用16位的數(shù)據(jù)線和16位的地址線，地址位的最低位在8位處理器用來標(biāo)志第一個(gè)和第二個(gè)字節(jié)。

復(fù)位電路：硬件復(fù)位時(shí)，命令處理器、總線編解碼器和內(nèi)部邏輯被清除，所有時(shí)標(biāo)被復(fù)位，復(fù)位最短延遲時(shí)間為200ns。通過設(shè)置主狀態(tài)寄存器和復(fù)位寄存器相應(yīng)的標(biāo)志位可以對MT、RT1和RT2實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位，BC模式下只有硬件復(fù)位。

通信總線接口電路：由隔離變壓器和雙通道的數(shù)據(jù)收發(fā)器組成。HOLT 芯片的片上邏輯和收發(fā)器需要的電壓為3.3V，隔離變壓器保護(hù)與總線連接的終端的安全。收發(fā)器為MIL-STD-1553 隔離變壓器和設(shè)備提供了接口，完成電平信號和曼徹斯特2型碼的轉(zhuǎn)換。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路：為協(xié)議芯片提供工作時(shí)鐘為50MHz，DSP時(shí)鐘為20MHz，還有看門狗和定時(shí)服務(wù)。其中BC、MT、RT1、RT2都有獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)計(jì)數(shù)器，BC和RT的計(jì)數(shù)器可以共享一個(gè)時(shí)鐘，MT的時(shí)鐘由單獨(dú)的外部晶振提供。

2.3軟件設(shè)計(jì)

1553B總線通信軟件是實(shí)現(xiàn)接口模塊與子系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)用軟件間的接口控制與數(shù)據(jù)傳遞的專用軟件，提供各類消息數(shù)據(jù)的讀、寫支持；對計(jì)時(shí)器的控制及處理；對各種中斷原因分析及處理。軟件包括驅(qū)動層軟件和傳輸層的軟件。驅(qū)動軟件駐留在主機(jī)中，為應(yīng)用層提供API接口，使應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對1553B通信模塊的管理和控制。傳輸層軟件固化在主處理器的FlASH中，調(diào)試時(shí)將傳輸軟件的目標(biāo)碼加載到內(nèi)部RAM中運(yùn)行。子系統(tǒng)主機(jī)和1553B接口模塊之間的交互使用“指令響應(yīng)型”的方式，主機(jī)在DPRAM的命令字單元中寫入命令字，命令字通過傳輸層的解析后下發(fā)給協(xié)議芯片組織信息的傳輸，MBI模塊在命令成功執(zhí)行后會將該命令字寫入雙口的響應(yīng)字單元。驅(qū)動層的功能分解圖見圖3。

驅(qū)動層的功能有：系統(tǒng)控制管理，如MBI模塊的初始化、模塊狀態(tài)的設(shè)置（GO、STOP和BIT）、以及工作模式（BC、RT、MT）的配置；總線時(shí)鐘管理，利用讀寫RTC實(shí)現(xiàn)BC與子系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，BC通過使用授時(shí)命令實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的時(shí)間同步；中斷的解析和處理，如底層進(jìn)行終端上下網(wǎng)查詢操作后上報(bào)中斷碼和中斷字，上層通過解析完成設(shè)備的上下網(wǎng)管理[4]；數(shù)據(jù)的收發(fā)，在MBI的緩沖區(qū)讀取和寫入數(shù)據(jù)，檢查接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)更新。

傳輸層主循環(huán)一直檢查相應(yīng)的命令字單元，通過解析命令字完成相關(guān)的操作。傳輸層需要完成的功能有：解析主機(jī)命令并執(zhí)行，如主機(jī)下達(dá)MBI工作模式的命令后，底層通過配置主配置寄存器來設(shè)置工作模式（BC、RT、MT）；中斷的上報(bào)，如對新收到的消息進(jìn)行解析后為緊急消息，則設(shè)置中斷標(biāo)志并上報(bào)給主機(jī)；對收發(fā)消息的處理，協(xié)議芯片不能自動設(shè)置消息的標(biāo)志位，所以傳輸層需要對收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。傳輸層的處理流程見圖4。

2.3.1 BC設(shè)計(jì)

1553B中BC負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備間信息的傳輸，組織消息的調(diào)度，并通過總線表和通信表維護(hù)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議芯片全面兼容支持MIL-STD-1553B的消息格式，其作總線控制器時(shí)通過使用命令塊來支持1553B功能的實(shí)現(xiàn)，命令塊按照消息的邏輯號排列。命令塊包括了BC控制字、命令字、狀態(tài)字、數(shù)據(jù)地址指針等字。其中控制字由主機(jī)初始化和維護(hù)，包括消息格式、消息重試使能、總線屬性等。協(xié)議芯片作為BC通過解析命令字塊中消息的類型調(diào)用特定的處理完成傳輸工作，并自動將消息響應(yīng)后傳回的狀態(tài)字寫入RAM，其中包括當(dāng)前通道、錯誤檢測、錯誤類型等[5]。主機(jī)通過訪問命令塊表中相應(yīng)地址空間可以得到消息的狀態(tài)字并執(zhí)行下一步操作。

2.3.2 RT設(shè)計(jì)

在主機(jī)完成對RT相關(guān)寄存器的配置后，RT可以在自主的回復(fù)消息而很少需要主機(jī)的干預(yù)。RT的描述符按照子地址的順序排列，與通信表相對應(yīng)。協(xié)議芯片在RAM中定義了每種消息類型的存儲區(qū)間，設(shè)備在接收到消息時(shí)根據(jù)描述符指針的位置識別命令類型后完成BC要求的操作。RT每次處理完一個(gè)命令，設(shè)備會自動更新該命令對應(yīng)的描述符表控制字，其中控制字中設(shè)置了命令指示的數(shù)據(jù)的存儲方式、地址和中斷信息。

BC負(fù)責(zé)總線中所有消息的調(diào)度和控制，RT不具備主動發(fā)起消息的能力，只能被動的接收來自BC的指令并完成指定的操作。在收到接收命令后，RT將會自動對描述符中接收子地址指向的1～32個(gè)數(shù)據(jù)字進(jìn)行存儲，并返回BC一個(gè)狀態(tài)字。當(dāng)RT有消息需要上報(bào)時(shí)，過程相對接收更為復(fù)雜： 首先RT需要將要上報(bào)的數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)中，設(shè)置對應(yīng)的矢量字；BC在每個(gè)周期會定時(shí)發(fā)出發(fā)送矢量字命令，周期性的詢問RT是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送；RT回復(fù)狀態(tài)字和一個(gè)數(shù)據(jù)字，BC通過解析該數(shù)據(jù)字，查詢總線表中相關(guān)的指令后組織消息的發(fā)送；RT端在發(fā)送數(shù)據(jù)后清除相應(yīng)的矢量字。

3 結(jié)論

本文在1553B總線接口應(yīng)用新需求上，提出了使用HOLT公司的某型號芯片作為協(xié)議芯片，DSP作為核心處理器的1553B接口模塊設(shè)計(jì)方法，以此實(shí)現(xiàn)新裝備對于1553B通信模塊的要求。在實(shí)際應(yīng)用中該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉陶，張翀，譚志宏.高性能DSP在1553B 總線中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2017，47（2）.

[4] 曾曉東，牟明，張成.基于61864協(xié)議芯片的1553B總線控制器通信接口設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)應(yīng)用，2014（11）：112.

[5] 范祥輝，楊寒，史巖，等.一種1553B 總線多功能接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2017（2）：170.

【通聯(lián)編輯：唐一東】