基于FPGA的航空总线协议接口设计

1 引言


数据总线是飞机航电系统中首先运用的数字电子设备之一，其典型代表是飞机内部时分制指令／响应式多路传输数据总线MIL-STD-1553B(简称1553B)。它利用一条屏蔽的双绞线进行带有时钟信息的数据传输。高可靠性1553B已成为我国航空航天领域广泛采用的军用总线标准。由于1553B总线协议控制器基本依赖于进口的专用器件，价格昂贵，还受到限制，并且这些器件需要外围的硬件电路配合工作，如果完成整个总线接口板的设计，还需要单独的MCU，集成度不高，这样就在某种程度上限制了设计能力。随着嵌入式技术的发展，可编程片上系统设计SoPC技术已广泛应用于诸多领域。这里采用SoPC技术，以Virtex-II Pro FPGA为核心，实现1553B航空总线传输协议的接口逻辑设计。

2 1553B航空总线传输协议标准


　　目前广泛采用的1553B标准是根据1973年军标1553原版基础上发展。1553B是一种集中控制式、飞机内部时分指令／响应型多路串行数据总线标准。具有高可靠性和灵活性。已经成为现代航空机载系统设备互联的关键技术。广泛应用于飞机、舰船等武器平台。1553B数据总线的传输速率为1Mb／s，协议规定3种字：命令字、数据字和状态字。字的长度为20 bit，且由同步头(3 bit)消息块(16 bit)和奇偶位(1 bit)3部分组成。信息量最大长度为32。总线系统由一个总线控制器(BC)与不多于31个的远程终端(RT)组成，有时系统中还可加入总线监控器(MT)。总线上传输的信息格式主要有BC到RT，RT到BC，RT到RT，以及广播方式和系统控制方式。

3 系统设计


该系统采用Xilinx公司的Virtex-II Pm XC2VP30 FPGA为核心，该器件内部带有2个PowerPC 405处理器核。总线接口协议实现是基于Xilinx Virtex-II Pro开发系统平台，Virtex-II Pro开发平台是整个系统的核心。这样可以快速搭建1553B总线实现平台。系统的硬件平台主要由Vinex-II Pro开发板、总线转换器、总线终端设备和主控计算机构成，系统结构如图1所示。

在系统开发中，为了提高开发效率，同时系统主要验证的就是1553B总线协议模块，因此可充分利用Xilinx公司的Virtex-II Pro开发板。开发板上具有丰富的资源，主要包括：XC2VP30器件、SDRAM (可扩展到2 GB)、高速SelectMAPFPGA配置PROM、RS232串口、嵌入平台的USB配置端口、高速系统扩展接口(与FPGA的I／O引脚相连)并可选择差分或单端模式、PS2接口、AC97音频接口、板上10／100 M以太网设备等等。这些丰富的板上资源为1553B总线协议逻辑的开发提供支持。

1553B总线协议开发主要在FPGA器件中开发，因此FPGA本身性能的好坏将影响系统的开发。XC2VP30内部具有2个PowerPC 405处理器核、13 969个Slices、分布式RAM为428 KB、136个乘法器单元、块RAM为2 448 KB、8个DCM、8个多吉比特收发器。因此，选用XC2VP30FPGA完全满足1553B总线逻辑开发需求。

该系统设计采用Virtex-II Pro系列XC12VP30型FPGA，而FPGA的配置则是硬件设计中很关键的问题。FPGA配置是对其内容进行编程。采用SRAM工艺的FPGA，每次上电后都需重新配置。XC2VP30通过模式引脚选择配置模式，其中M2、M1和M0是专用引脚，HSWAP_EN和配置模式引脚相组合，决定I/O引脚在配置过程中是否具有上拉功能。默认情况下，HSWAP_EN置为高电平，此时在配置过程中关闭I/O引脚的上拉功能；当其置为低电平时，I/O引脚具有上拉功能。当选择某些配置模式时，CCLK可作为FPGA的信号输出引脚，也可作为外部时钟的输入信号，这些引脚不受VCCO的影响，而是采用2．5 V的辅助电源(VCCAUX)。

图2给出的是FPGA配置引脚连接电路图。XC2VP30支持5种配置模式，分别是Slave-serial模式、Master-serial模式、Slave SelectMAP模式、MasterSelectMAP模式和Boundary-Scan (IEEE 1532/IEEE 1149)模式。通过调整配置引脚MO、M1、M2调整配置模式。该系统设计只提供两种配置模式，在XC2VP30的配置电路中将M0引脚拉为高电平，这样只能选择MasterSelectMAP模式和Boundary-Scan模式(即边界扫描模式)。Master SelectMAP模式是SelectMAP模式的主版本模式，在由XC2VP30所提供的CCLK信号的作用下，器件通过字节宽度数据总线即配置器件XCF32P的[D7：D0]，除了CCLK是由FPGA提供之外，配置时序与Slave SelectMAP模式相似。在边界扫描模式下，XC2VP30通过专用配置引脚CCLK，DONE，PROG_B，TDI，TDO，MS，TCK按照IEEE 1149.1标准进行配置。

4 1553B航空总线协议接口的SoPC设计


SoPC的开发设计与传统嵌入式系统设计不同，分为硬件开发和软件开发。系统设计思想是充分利用FPGA片上资源，以PPC405处理器硬核为核心，1553B接口逻辑为主要设计内容的SoPC系统，在FPGA内部实现系统的总线架构、外设接口、编码／解码、消息处理模块等系统部件和功能，各功能部件在FPGA的内部都是通过IP核的形式连接在一起的。Xilinx为了用户能够将自行编写的逻辑方便连接到OPB总线上，提供总线与用户逻辑之间的接口，即IPIF(IP InteRFace，IP接口)，利用IPIF便可解决总线接口信号，总线协议以及其他接口问题。

数据总线的学习

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