基于DSP的MIL-STD-1553B總線測試系統設計

張 佳

（西安航空學院 電子工程學院，西安710077）

MIL-STD-1553B 總線是為適應工業和軍事的需要而提出的機載數據總線標準。MIL-STD-1553B 總線具有高速、靈活，通信效率高，修改、擴充和維護簡便的特點。MIL-STD-1553B 最初是設計作為軍用航空電子的航空數據總線，但目前已廣泛地應用于軍事、工業和科技領域。由于MIL-STD-1553B 總線優異的性能和特點，伴隨著武器裝備的更新，MILSTD-1553B 總線不僅在航空武器裝備中得到了廣泛應用，同時其應用也已擴展到了陸軍和海軍等其他兵種的武器裝備中，空間飛行器、各類艦艇、地面裝備等都有其應用。

MIL-STD-1553B 總線測試常用的測試方法是“工控機+測試板卡”的結構，工控機通常采用PCI/CPCI/PXI 等總線結構結構，配合相應的MIL-STD-1553B 總線測試卡，通過工控機中的上位機軟件實現對MIL-STD-1553B 總線設備的控制與測試。這種測試方法的優點是成熟度高、周期短，缺點是成本高、測試系統體積重量大、不易移動。本文針對傳統MIL-STD-1553B 總線測試系統存在的問題，提出了一種基于DSP 的MIL-STD-1553B 總線測試系統設計方案，該測試系統能夠實現便攜式測量且成本低，從而有效地解決傳統測試方法所面臨的問題。

1 MIL-STD-1553B 總線工作原理

MIL-STD-1553B 是美國國防部發布的一個軍用標準，定義了機械、電氣和串行數據總線的功能特征。MIL-STD-1553B 的全稱是“數字時分命令/響應多路復用數據總線”。它具有多個冗余的平衡線路物理層、一個差分網絡接口、時分多路復用、半雙工命令/響應協議。該總線協議的功能是為不同系統之間進行數據和信息傳遞提供橋梁。

典型的MIL-STD-1553B 多路數據總線系統由控制多個遠程終端（RT）的總線控制器（BC）組成，它們通過數據總線連接在一起，在總線控制器與所有相關的遠程終端之間提供單個信息路徑。數據總線上節點包含多種終端類型，通常包括總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監視器（MT）3 種終端類型。這3 種終端通過多路總線接口（MBI）來完成其功能。一般情況下，將多路總線接口嵌在主控機內部，在一條數據總線上可以控制31 個遠程終端，并且總線上也可以有1 個或多個總線監視器（BM）。總線監視器不參與數據傳輸，只能用作捕獲和記錄數據等[1]。在MIL-STD-1553B 數據總線上，只有總線控制器（BC）能夠發起數據傳輸任務。各用戶子系統設備作為遠程終端（RT）是接入數據總線，如果遠程終端（RT）要傳輸或接收數據，同樣需要BC 進行控制[2]。各終端之間的信息傳輸方式有多種，在總線控制器與特定遠程終端之間，或者在總線控制器與1對遠程終端之間，允許6 種類型的信息。

（1）控制器到遠程終端傳輸。總線控制器發送1個16 位接收命令字，緊隨1 到32 個16 位數據字。然后，所選的遠程終端發送1 個16 位狀態字。

（2）遠程終端到控制器傳輸。總線控制器向遠程終端發送1 個發送命令字。遠程終端然后發送1個狀態字，緊隨1 到32 個字。

（3）遠程終端到遠程終端傳輸。總線控制器發出1 個接收命令字，緊隨1 個發送命令字。發送遠程終端發送1 個狀態字，緊隨1 到32 個數據字。接收終端然后發送其狀態字。

（4）無數據字的模式命令。總線控制器發送1個命令字，子地址為0 或31，表示“模式代碼”類型命令。遠程終端用1 個狀態字響應。

（5）有數據字的模式命令（發送）。總線控制器發送1 個命令字，子地址為0 或31，表示“模式代碼”類型命令。遠程終端以1 個狀態字作為響應，緊隨1 個數據字。

（6）有數據字的模式命令（接收）。總線控制器發送1 個具有子地址0 或31 的命令字，表示“模式代碼”類型命令，緊隨1 個數據字。遠程終端用1 個狀態字響應。

為了提高MIL-STD-1553B 數據總線工作可靠性，單個總線由在1 MHz 時具有70～85 Ω 阻抗的線對組成。在使用圓形連接器的情況下，其中心引腳用于高（正）曼徹斯特雙相信號[3]。發射器和接收器經由隔離變壓器耦合到總線，并使用一對隔離電阻器和可選地耦合變壓器分支出短截線連接。曼徹斯特編碼用于在同一線對上呈現時鐘和數據，并消除信號中的任何DC 分量。通常采用雙冗余或三冗余方式。所有設備連接到所有總線。在當前主控制器發生故障的情況下，指定新的總線控制計算機。MIL-STD-1553B 數據總線的典型拓撲結構如圖1所示。

圖1 MIL-STD-1553B 總線拓撲結構Fig.1 MIL-STD-1553B bus topology

1553B 總線以異步、命令/響應方式實現信息的傳輸，它的工作方式為半雙工方式。在數據傳輸過程中，所有的通信由總線控制器啟動，并且終端設備無法自行啟動信息傳輸[4]。總線上的數據以消息為單位，數據流由消息組成。總線消息包含命令字、數據字和狀態字3 種類型的字，所有的消息字都采用曼徹斯特Ⅱ型碼。

曼徹斯特Ⅱ型碼原理如圖2所示。

圖2 曼徹斯特Ⅱ型雙極性碼Fig.2 ManchesterⅡbipolar code

2 1553B 總線控制器

在構建MIL-STD-1553B 多路傳輸數據總線時，必須使用1553B 協議芯片及其附屬電路。目前，諸多廠家均推出了1553B 總線協議芯片，這些協議芯片普遍設計了多樣的接口方式，可以與不同的主控制器連接，其中具有典型代表性的是DDC 公司的ACE（advanced communication engine）系列多功能模塊，它屬于超大規模混合集成電路，功能強，適宜復雜應用。

MIL-STD-1553B 協議的BU-61580 型號ACE 多功能模塊是DDC 公司研制的1553B 總線協議芯片。它可在主處理器與1553B 總線之間實現通信，該芯片包含了終端與CPU 之間的完整集成接口，支持MIL-STD-1553 A 和B 以及STANAG 3838 總線協議[5]。ACE 模塊采用1.9 平方英寸、70 引腳的薄型封裝，采用適合嚴苛應用環境的多芯片模塊MCM（multi-chip module）陶瓷封裝。

BU-61580 芯片包含了2 個低功耗的雙端收發器、協議邏輯處理單元、存儲器管理邏輯單元、處理器接口邏輯單元并且內置了共享靜態RAM 和緩沖接口。其電磁兼容性滿足MIL-STD-883B 軍標，芯片采用單電源（+5 V）供電。

BU-61580 與主機處理器的接口包含17 個內部操作寄存器以及額外的8 個測試寄存器和64 K×16個共享內存空間。BU-61580 的4 K×16 內部RAM 位于此空間中。

使用BU-61580 芯片開發1553B 總線接口，需掌握其引腳功能及內部操作寄存器。要實現對BU-61580 的讀寫訪問及配置，需要嚴格按照其數據手冊中的讀寫時序進行。圖3給出了16 位緩沖非零等待模式下主處理器讀取BU-61580 的RAM時序圖。

圖3 讀取BU-61580 的RAM 時序圖Fig.3 Sequence diagram of reading BU-61580 RAM

3 測試系統硬件設計

MIL-STD-1553B 總線測試系統的硬件結構主要用于實現各器件和芯片之間的電氣、邏輯連接等，主要分為DSP 處理器、顯示模塊、電源模塊、其他輔助模塊等部分。下面分別對各模塊的設計思路進行介紹。

3.1 DSP 處理器

為了實現對MIL-STD-1553B 總線協議控制器的訪問和讀寫，并實現相應的測試邏輯，需要選用功能和性能均能滿足需求的主處理器。經綜合比較與考察，本設計選用了美國德州儀器公司（TI）的TMS320F28335 型號的DSP 處理器作為測試系統的主處理器，其運算速度最高可達150 MHz，并且支持AD 轉換、I2C、CAN、SPI 等幾乎所有的外設接口功能。

TMS320F28335 處理器使用具有多級流水線特點的哈佛總線結構，該結構允許其并行讀寫程序和數據存儲空間。在TMS320F28335 芯片內部集成了大量不同的存儲介質，TMS320F28335 片上有256 K×16 位的FLASH，34 K×16 位的SRAM，8 K×16 位的BOOT ROM，2 K×16 位的OPT ROM。F28335 對以上存儲空間進行統一尋址也就是程序、數據和I/O統一尋址，通過這種尋址方式可以提高存儲空間的利用率。另外，更重要的是TMS320F28335 DSP 還具備外部并行擴展接口XINTF，可進一步外擴存儲空間。

F28335 內核本身并無存儲空間，經由數據總線讀寫芯片內部集成的或者外部擴展的存儲器。其總線按照改進哈佛結構，分成32 位的數據讀、數據寫數據總線，地址讀、地址寫總線，公用數據總線即程序總線，包括22 位的程序地址總線，其功能是傳輸程序空間的I/O 地址，32 位讀數據程序總線，其功能是讀入程序空間的指令或者數據。TMS320F28335通過32 位的數據地址總線和22 位的程序地址總線訪問存儲器空間和外部設備，最大可尋址4 G×16位的數據空間和4 M×16 位的程序空間。通常寫的程序所需存放4 M×16 位空間已足夠大，若大于4 M×16 位意味著程序空間不夠處理，在實際中采用分頁處理的方式，因為實際數據尋址空間為4 G×16位，通過分頁機制可以擴展實際尋址的程序空間。要找到對應程序的空間地址與數據的空間地址，就需要對空間地址進行編碼，將空間地址進行邏輯編碼，也就是映射。F28335 的存儲器配置及地址映射如圖4所示。

圖4 存儲器配置及地址映射圖Fig.4 Memory configuration and address map

TMS320F28335 的外部并行擴展接口XINTF分別映射到3 個固定的存儲器區域，即XINTF ZONE0、ZONE6 和ZONE7。外部并行擴展接口XINTF 的每個區域均包含片選引腳，當對某個區域進行讀寫訪問時，就要將信號線置低。XINTF 的存儲器的3 個區域中的任何一個都可通過編程設定獨立的等待時間，選通信號建立時間及保持時間，每個區域的讀寫操作都可以配置成不同的等待時間，另外可以通過XREADY 信號線延長等待時間，XINTF 接口的這些特性允許其方位不同速率的外部存儲器設備[6]。

通過XTIMINGx 寄存器可配置每個區域的等待時間及選通信號的建立與保持時間。XINTF 接口的訪問時序是以內部時鐘XTIMCLK 為基準的，XTIMCLK 信號頻率可以配置為系統時鐘SYSCLKOUT 的頻率或其一半。圖5給出了XTIMCLK=SYSCLKOUT 情況下的讀訪問時序圖，其中XINTF配置為XRDLEAD=2，XRDACTIVE=4，XRDTRAIL=2。

對比圖3中BU-61580 的讀寫時序和圖5中TMS320F28335 的讀寫時序可知，可以將F28335 的XINTF 模塊的讀寫時序配置為滿足BU-61580 讀寫的時序波形，從而實現兩種器件的互連通訊。

圖5 XINTF 讀訪問時序圖Fig.5 XINTF read access sequence diagram

3.2 顯示模塊

為實現MIL-STD-1553B 總線測試數據的實時顯示，在測試系統中配置了LCD 液晶顯示屏，選用的型號是LCD12864。本設計選用了帶中文字庫的LCD12864 液晶顯示屏。該液晶顯示屏具有多種通信方式，包括并行、串行通信方式。其內部自帶國標一級、二級簡體中文字庫。其顯示分辨率為128×64像素，具備8192 個16×16 點漢字以及128 個16×8點ASCII 字符集。通過該模塊靈活的接口方式和簡潔的控制方式，能夠實現全中文人機交互界面，顯示8×4 行16×16 點陣的漢字，完成圖形文字顯示。

利用液晶顯示模塊LCD12864 的顯示功能，將MIL-STD-1553B 總線測試系統的工作模式、接收和發送數據實時的顯示出來，能夠使用戶直觀地了解總線測試狀態。LCD12864 顯示界面如圖6所示。

圖6 LCD12864 顯示界面Fig.6 LCD12864 display interface

3.3 電源模塊

電源模塊主要用于為測試系統中的各器件供電，由于各元器件的供電電壓不同，因此電源模塊需要提供不同的電壓。電源電路的設計是硬件系統的核心。

1553B 總線控制器BU-61580 的供電電壓和IO口電壓是5 V，采用穩壓電源的5 V 輸出直接供電。

為降低功耗，同時便于DSP 芯片與外圍芯片兼容，F28335 DSP 控制器采用雙電源供電機制，在F28335 系統中需要提供以下3 種電源。

（1）內核電源VDD。用于為CPU、時鐘源模塊和大部分外設等內部邏輯電路提供電源。F28335的內核電源為1.8 V 或1.9 V。若CPU 工作頻率低于135 MHz，可采用1.8 V 供電； 否則必須采用1.9 V供電。

（2）I/O 供電電源VDDIO。為便于與外圍芯片兼容，DSP 控制器采用3.3 V 供電電源與外部接口相連。所有數字量輸入引腳電平與3.3 VTTL 電平兼容，所有輸出引腳與3.3 VCMOS 電平兼容。因而DSP 控制器與外圍低壓器件接口相連時，無需額外的電平轉換電路。

（3）模擬電源VDDA 和VDDAIO，分別為3.3 V與1.9 V。用于為片內ADC 模塊的模擬電路提供電源。

考慮到F28335 采用3.3 V 和1.9 V 雙電源供電，本系統采用數字模擬地分離設計，電路如圖7所示。設計電源電路時需要特別注意散熱和電容匹配問題。本設計使用TPS767D301 電源轉換芯片，它帶有使能端的3.3 V 和一個可調輸出通道，每路輸出最大電流可達1 A。

5 V 輸入電源經過TPS676D301 后經濾波器輸出CPU 內核電源（VDD）1.9 V 和I/O 電源（VDDIO）3.3 V。

圖7 電源電路圖Fig.7 Power circuit diagram

4 測試系統軟件設計

軟件部分是整個測試系統的核心，用于實現測試流程的邏輯。為使F28335 控制器的CPU 控制片內各功能模塊正常工作，必須對其進行軟件編程驅動，使系統時鐘、片內外設等硬件資源按照各自功能和系統需求運行。進行驅動程序開發的基本思想是：首先通過代碼描述片內硬件資源，然后編寫程序對硬件資源進行設置。

為便于用戶編程，TI 提供了驅動程序開發包和部分源程序。其中最基本的開發包是C/C++頭文件和外設示例，可根據DSP 目標系統芯片的不同選擇對應的開發包。開發包所提供的示例程序具有代碼質量高、內容全面，結構規范、易于掌握，開發周期短、便于實時硬件評測等優點。基于這些代碼庫，可以方便地進行軟件開發。

MIL-STD-1553B 總線測試系統的軟件部分基于TI 提供的驅動程序開發包實現。系統上電后，首先初始化各器件，然后進入主循環。在主循環中，程序判斷按鍵狀態，包括工作模式切換按鍵、方向按鍵以及數字按鍵。如果檢測到按鍵工作，軟件根據按鍵類型執行相應的操作：工作模式切換按鍵按下，則軟件控制DSP 輸出命令使BU-61580 切換到對應的工作狀態；方向按鍵按下，軟件移動顯示光標到下一位置；數字按鍵按下，在光標位置處輸入對應數字。軟件工作流程如圖8所示。

5 結語

圖8 軟件工作流程圖Fig.8 Flow chart of software principle

利用TMS320F28335 型DSP 處理器強大的外部并行擴展接口能夠實現對BU-61580 總線控制器的讀寫訪問與控制，結合LCD12864 顯示模塊可以設計出具有良好人機界面的MIL-STD-1553B 總線測試系統。此外該系統具有輕量、便攜的特點，適合在外場對MIL-STD-1553B 總線設備進行測試。