基于FPGA的MIL-STD-1553B信號發生器設計與實現

劉良勇 王緯國

摘 要：為滿足航空裝備維修保障單位地面MIL-STD-1553B信號傳輸電纜檢測需要，本研究設計一種手持式MIL-STD-1553B信號發生器。系統采用現場可編程門陣列（FPGA）芯片作為主控制芯片，對外部輸入信號進行曼徹斯特編碼，利用MIL-STD-1553B信號收發芯片HI-1573將編碼結果轉換成差分信號，經過變壓器耦合成標準的MIL-STD-1553B總線信號。其中，外部輸入信號為自產生信號、RS485接口輸入信號和WiFi接口輸入信號的一路。為滿足便攜式需求，本系統采用電池供電，并提供充電電路和電量顯示電路，滿足用戶電量補充和電量監控需求。經驗證，此系統作為總線控制器（BC）向遠程終端（RT）發送信號，通過總線監控器（BM）監控，數據發送穩定可靠。最后，通過示波器對此系統產生的信號進行物理特性測量。測試結果表明，信號符合MIL-STD-1553B總線信號標準，滿足電纜測試信號源要求，具有良好的應用前景。

關鍵詞：信號發生器;曼徹斯特編碼;現場可編程門陣列;HI-1573芯片

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0016-05

Design and Implementation of MIL-STD-1553B Signal

Generator Based on FPGA

LIU Liangyong WANG Weiguo

（State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu Anhui 247001）

Abstract： In order to meet the requirements of ground MIL-STD-1553B signal transmission cable testing for aviation equipment maintenance and support units， this research designs a handheld MIL-STD-1553B signal generator. The system uses a field programmable gate array （FPGA） chip as the main control chip to perform Manchester encoding on external input signals， and uses the MIL-STD-1553B signal transceiver chip HI-1573 to convert the encoding result into a differential signal， which is coupled to a standard MIL-STD-1553B bus signal through a transformer. Among them， the external input signal is one of self-generated signal， RS485 interface input signal and WiFi interface input signal. In order to meet the needs of portable， this system adopts battery power supply， and provides a charging circuit and a power display circuit to meet the user's power supplement and power monitoring needs. It has been verified that this system is used as a bus controller （BC） to send a signal to a remote terminal （RT）， monitored by a bus monitor （BM）， and the data transmission is stable and reliable. Finally， the physical characteristics of the signal generated by this system are measured by an oscilloscope. The test results show that the signal conforms to the MIL-STD-1553B bus signal standard， meets the requirements of the cable test signal source， and has a good application prospect.

Keywords： signal generator;Manchester code;FPGA;HI-1573 chip

MIL-STD-1553B總線是飛機內部時分制命令/響應式多路復用數據總線，它是20世紀70年代由美國公布的一種串行多路數據總線標準，被廣泛地應用于飛機綜合航電系統、外掛物管理與集成系統，并逐步擴展到飛機控制等系統及坦克、艦船、航天等領域[1]。

在航空裝備保障單位地面MIL-STD-1553電纜檢測過程中，為提高測試的覆蓋率，要添加MIL-STD-1553信號源滿足測試需求。目前，MIL-STD-1553信號發生器均采用知識產權（IP）核來實現，成本高且連接方式單一，由于不內置電池，需要外接電源才能工作，不便于攜帶。針對上述問題，本研究提出一種基于FPGA的MIL-STD-1553信號發生器，內置電池并可無線連接，方便外場使用。

1 系統總體概述

1.1 系統組成

本系統由充電電源管理部分、信號輸入部分、FPGA最小系統和MIL-STD-1553B信號轉換部分組成，系統整體框圖如圖1所示。其中，充電電源管理部分負責系統的充電管理和電源供應，FPGA最小系統為系統的處理中心，解析輸入信號和曼徹斯特編碼，MII-STD-1553B信號轉換部分負責將曼徹斯特編碼轉換為標準的MII-STD-1553B信號[2]。

1.2 系統功能

本系統由4個按鍵組成，分別為電源按鍵、自發模式按鍵、串口模式按鍵和無線模式按鍵。電源按鍵輕觸一下，系統電源啟動，輕觸兩下，系統電源關閉;輕觸自發模式按鍵，系統進入自發模式，同時自發模式指示燈亮起;輕觸串口模式按鍵，進入串口收發模式，同時串口模式指示燈亮起，在數據收發過程中，數據傳輸指示燈閃爍;輕觸無線模式按鍵，進入無線模式，同時無線模式指示燈亮起。

1.2.1 自發模式。在自發模式下，FPGA將自定的數據轉換成曼特斯特碼發送給MIL-STD-1553B收發器模塊，MIL-STD-1553B收發器模塊將曼特斯特碼轉換成低電壓的MIL-STD-1553B信號，變壓器將低電壓的MIL-STD-1553信號放大成標準的MIL-STD-1553B信號給MIL-STD-1553B接口，實現產生MIL-STD-1553B信號的目的。

1.2.2 串口模式。在串口模式下，RS485接口接收計算機傳輸過來的RS485信號，RS485接口將RS485信號轉換成晶體管-晶體管邏輯（TTL）電平并給FPGA芯片，FPGA芯片將反饋信號反方向傳輸給計算機，并將接收的數據轉換成曼徹斯特碼發送給MIL-STD-1553B收發器模塊，MIL-STD-1553B收發器模塊將曼徹斯特碼轉換成低電壓的MIL-STD-1553B信號，變壓器將低電壓的MIL-STD-1553B信號放大成標準的MIL-STD-1553B信號給MIL-STD-1553B接口，實現產生MIL-STD-1553B信號的目的。

1.2.3 無線模式。在無線模式下，計算機和WiFi轉WART模塊進行連接，WiFi轉WART模塊接收計算機傳輸過來的網絡信號，WiFi轉WART模塊將網絡信號轉換成UART信號并傳輸給FPGA，FPGA將反饋信號反方向傳輸給計算機，FPGA將接收的數據轉換成曼徹斯特碼發送給MIL-STD-1553B收發器模塊，MIL-STD-1553B收發器模塊將曼徹斯特碼轉換成低電壓的MIL-STD-1553B信號，變壓器將低電壓的MIL-STD-1553B信號放大成標準的MIL-STD-1553B信號給MIL-STD-1553B接口，實現產生MIL-STD-1553B信號的目的。

2 系統硬件設計

系統的硬件由FPGA及其外圍電路、充電和升壓電路、DC-DC電路、WiFi轉UART電路和MIL-STD-1553B轉換電路等部分組成，硬件設計框圖如圖2所示。

2.1 FPGA及其外圍電路設計

FPGA采用英特爾（INTEL）公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C5E144I7芯片，該芯片采用65納米技術制造，具有94個I/O端口、22對差分對端口。FPGA最小系統及外圍電路如圖3所示。

2.2 充電和升壓電路

充電和升壓電路采用國產的英集芯的IP5207芯片，它是一款集成升壓轉換器、鋰電池充電管理、電池電量指示的多功能電源管理系統芯片，只需要一個電感就能實現降壓與升壓功能，可以支持低成本電感和電容。IP5207芯片的同步升壓系統提供1.2 A輸出電流，轉換效率高達93%。空載時，自動進入休眠狀態，靜態電流降至100 μA。IP5207芯片采用開關充電技術，提供1 A電流，充電效率高達92%。其內置集成電路（IC）溫度和輸入電壓檢測模塊，自動調節充電電流[3]。充電和升壓電路如圖4所示。

2.3 DC-DC電路

DC-DC電路采用德州儀器（TI）公司的TPS82085SILR開關電源芯片，TPS82085芯片是經優化的3 A降壓轉換器模塊，兼具小型解決方案尺寸和高效率優勢。該模塊集成有同步降壓轉換器和電感，可簡化設計，減少外部元件并節省印刷電路板（PCB）面積。為了最大限度地提高效率，該轉換器以2.4 MHz的標稱開關頻率工作于脈寬調制（PWM）模式，并且會在輕負載電流時自動進入節能工作模式。在節能模式下，器件的工作靜態電流典型值為17 [μA]。TPS82085SILR芯片應用流程如圖5所示。

2.4 WiFi轉UART電路

該模塊選用廣州有人科技有限公司的超小尺寸WiFi模塊USR-C215，實現TTL串口與WiFi的雙向透明傳輸。C215是一款小尺寸、插針式WiFi模塊，可以實現UART轉WiFi雙向透傳功能;主頻為166 MHz，尺寸小，便于嵌入開發;支持無線接入點（AP）、站點（STA）、AP+STA配網;支持有線等效加密（WEP）、WiFi訪問保護（WPA）/WiFi訪問保護Ⅱ（WPA2）安全加密傳輸;支持Httpd Client功能;支持簡單AT指令集配置;支持注冊包、心跳包機制。

2.5 MIL-STD-1553B轉換電路

MIL-STD-1553B轉換電路采用HI-1573收發器，HI-1573是低功耗CMOS（互補金屬氧化物半導體）雙收發器設計，滿足MIL-STD-1553B規范要求。每條總線的接收器部分轉換MIL-STD-1553B總線雙相差分數據到適合輸入曼徹斯特解碼器的互補CMOS/TTL數據中。每條總線的發射器部分取互補的CMOS/TTL曼徹斯特雙相數據并將其轉換為適用于驅動總線隔離的差分電壓變壓器的MIL-STD-1553B總線雙相差分數據[4]。

3 系統軟件設計

模塊是在研究MIL-STD-1553B信號編碼方式的基礎上，通過FPGA芯片接受串口數據并解碼，將解碼的數據按照MIL-STD-1553B的BC編碼特性進行編碼，發送至上位機的1553B板卡。

3.1 軟件總體設計

系統接收三個串口通道（WiFi轉串口、RS485和自產生信號）發送過來的數據，并根據按鍵確定的接收通道進行接收，將接收的數據進行解析，將解析的數據按照MIL-STD-1553B總線的編碼格式發送，從而實現信號發生器的作用。軟件設計的總體框圖如圖6所示。

3.2 串口數據接收模塊設計

串口數據接收模塊的功能為接收3個輸入通道的一路數據，按照事先設計的協議格式進行解析，提取出需要轉碼的MIL-STD-1553B數據。串口接收模塊的設計原理為通過串口接收數據放入FIFO存儲器，再從FIFO存儲器中讀取數據，通過FIFO存儲器的數據數量判斷一幀數據是否結束，從而計算出一幀數據的字節數，然后利用狀態機解析出一幀數據里需要轉碼的數據。接受狀態機如圖7所示。

3.3 MIL-STD-1553B總線信號產生模塊軟件設計

MIL-STD-1553B數據總線采用曼徹斯特編碼解碼協議，以異步、命令/響應方式執行數據傳輸，采用半雙工方式，其傳輸速率為1 Mb/s，曼徹斯特碼與常用的不歸零碼（NRZ）的編碼不同，在電路中，NRZ碼的“0”用低電平表示;曼徹斯特碼的“0”用由低到高的電平跳變表示。同理，NRZ碼的“1”用高電平表示;曼徹斯特碼的“1”用由高到低的電平跳變表示[5]。差分曼徹斯特碼與不歸零（NRZ）的波形對照如圖8所示。

MIL-STD-1553B總線信號產生模塊實現的功能為對從串口接收解析后的數據進行曼徹斯特編碼，并按MIL-STD-1553B總線的BC端編碼特性進行組合后串行輸出。實現的原理是將解析后的串口數據按位進行編碼，編碼方式如下：當數據位為0時，編碼為0與1，產生上升沿;當數據為1時，編碼為1與0，產生下降沿，將20位的數據轉換為40位數據待串行輸出。串行輸出的實現方式如下：按照MIL-STD-1553B總線的1 MHz速率計算，1位為1 μs，先通過鎖相環（PLL）產生4 MHz頻率的時鐘，設計一個計數器，按照MIL-STD-1553B的BC發送周期和時間間隔在規定的計數時間段將編碼的并行數據轉換為串行數據[6]。數據發送流程如圖9所示。

4 系統調試

本設計實現了基于FPGA的MIL-STD-1553B信號發生器，可實現三路輸入信號的切換，將一路信號接收后進行解析和編碼，通過1573芯片轉換成MIL-STD-1553B信號。將信號發生器與北京石竹科技股份有限公司生產的1553B板卡進行連接，將1553B板卡作為RT端，上位機按照規定格式發送數據至信號發生器，1553B板卡接收的數據與上位機發送的數據一致，同時用示波器測量信號發生器輸出信號的物理特性，波形滿足MIL-STD-1553B信號標準[7]。MIL-STD-1553B信號圖如圖10所示。

5 結語

本文介紹了一種以FPGA為控制核心的MIL-STD-1553B信號發生器設計，該設計穩定可靠，內置電池，有自發、RS485和WiFi模式輸入，使用場景靈活。此設計創新性地實現了MIL-STD-1553B總線的BC發送功能，便于接收端對MIL-STD-1553B信號物理特性和協議特性的驗證。該設計最終利用1553B板卡和示波器進行了驗證，信號穩定可靠，滿足作為MIL-STD-1553B總線電纜檢測的信號源要求[8]。本文提出的基于FPGA的MIL-STD-1553B信號產生器的設計方法通過了實際驗證，為MIL-STD-1553B總線研究提供了有效的參考。

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