基于FPGA和DSP技术某型飞机总线系统通讯软件的设计

在分析某型飞机MILSTD1553B数据总线系统构成的基础上，结合其通信协议与其消息传输格式，建立了某型飞机总线系统通讯层次结构，并运用FPGA和DSP技术设计了此型飞机总线系统通讯软件。

　　目前，随着工艺和技术的进步，集成电路技术的发展已经使得在一个芯片上集成一个可编程系统（Programmable System On a Chip，PSOC）成为可能。其中，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）由于其设计灵活、速度快，在数学专用集成电路的设计中得到广泛的应用。数字信号处理（DSP）的理论与实现手段获得了快速发展，已成为当代发展快的学科之一。由于其高速的处理速度和强大而又灵活的接口与通信能力，在很多领域已经得到了广泛的应用［1］。

　　MILSTD1553B数据总线具有双向输出特性，实时性和可靠性高，广泛应用在当代的运输机和相当数量的民航客机以及军用飞机上。

　　1 1553B数据总线系统构成

　　1553B总线系统主要由3部分组成：总线控制器BC；远程终端RT；数据总线D ata Bus。

　　某飞机的总线系统构成如图1所示。

　　图中CIP1为BC，CIP2为CIP1备份，其他子系统都是RT，并且此总线系统是双余度的，两套总线互为备份。

　　CIP1为通信和信息处理系统；CIP2为通信和信息处理系统备份；DTE为数据传输设备；INS为惯性导航系统；FDR为飞行参数记录系统；ADC为大气数据计算机；IFU为接口组件；FCC为火控计算机；SMS为外挂管理系统；LRS为激光测距系统。

　　2 1553B数据总线通信协议

　　1553B总线的工作频率是1 Mb/s 。采用曼彻斯特II码，半双工工作方式。主要的硬件部分为总线控制器（BC）、远端终端（RT）和可选用的总线监控器（MT）。一般情况下，这3部分通过1个多路总线接口（MBI）来完成。可把MBI嵌在计算机内。该总线有10种消息格式。每个消息至少包含2个字，每个字有16个消息位，1个奇偶校验位和3个位长的同步头，所有的消息字都采用曼彻斯特II码构成。1553B的数据总线传输的字的格式如图2所示。

　　1553B数据总线用的是指令／响应型通信协议。他有3种类型的终端，分别为：

　　(1)总线控制器（BC）

　　他是在总线上惟一被安排为执行建立和启动数据传输任务的终端。

　　(2)远程终端(RT)

　　他是用户子系统到数据总线上的接口，他在BC的控制下提取数据或吸收数据。

　　(3)总线监控器（MT）

　　他“监控”总线上的信息传输，以完成对总线上的 数据源进行记录和分析，但他本身不参与总线的通信。

　　3 1553B数据总线消息传输格式

　　1553B总线上的信息的传递是以消息为单位的。所有的消息都是由数据字、指令字、状态字组成。下面是1553B协议允许的10种消息格式，如图3所示。

　　4 某型飞机总线系统通讯层次结构

　　参考ISO的开放式互连系统七层模式，某型飞机机载系统分为5层：应用层、驱动层、传输层、数据链路层和物理层，如图4所示。

　　这5层之间功能划分明确，接口简单，从而为硬软 件的设计实现奠定良好的基础［2］。应用层是通信系统的层次，他实现通信系统管理功能（如初始化、维护、重构等）和解释功能（如描述数据交换的含义、有效性、范围、格式等）。

　　驱动层是应用层与低层的软件接口。为实现应用层的管理功能，驱动层应能控制子系统内多 路传输总线接口（简称MBI）的初始化、启动、停止、连接、断开、启动其自测试，监控其工作状态，控制其和子系统主机的数据交换。

　　传输层控制多路传输总线上的数据传输，传输层的任务包括信息处理、通道切换、同步管理等。

　　数据链路层按照MILSTD1553B规定，控制总线上各条消息的传输序列。

　　物理层按照MILSTD1553B规定，处理1553B总线物理介质上的位流传输。

　　应用层、驱动层在各个子系统主机上实现，传输层、数据链路层、物理层在MBI上实现。

　　5 总线系统通讯软件设计

　　在某型飞机航空总线系统的设计中，一个很重要的工作就是总线通讯软件的设计。航空总线通讯软件设计包括：驱动层和应用层的软件设计。其中驱动层直接驱动总线接口板主要完成各个寄存器的配置，实现数据的发送和接收；应用层是设计中的层，他管理整个系统的功能［3］。作为一块接口板，设计的重点在于驱动层的软件的设计，他包括3个方面的内容：

　　（1）FPGA部分的软件。

　　（2）DSP部分的软件。

　　（3）上位机操作系统驱动软件。

5.1 FPGA程序控制功能

　　该部分采用VHDL语言编写,实现1553B总线数据的接收、发送、曼彻斯特II码、错误检出、奇偶检验、与DSP的接口和译码电路等功能。其中发送单元与接收单元是并行工作的，由逻辑门电路实现。这里从软件角度画出流程图如图5所示。  

　　5.2 DSP程序控制功能

　　DSP控制部分程序实现的功能如下:

　　(1)对总线接口板的初始化(包括初始化DSP本身内部电路和寄存器FPGA及上位机通讯寄存器)。

　　(2)实现RT地址识别

　　由于是多RT总线接口板，所以收到数据后，应该判别该RT地址是否属于该接口板；

　　(3)与上位机消息传输控制功能

　　消息传输控制程序完成总线应传输的数据在总线接口 板和上位机之间的数据交换。包括数据的读写过程和自检测过程，所要完成的操作如下：

　　①向FPGA写入发送数据（到总线）。

　　②从FPGA内读出数据（该数据由DSP处理）。

　　③向双口RAM写入数据（到上位机）。

　　④自检测过程。自检测过程是在收到上位机的自检命令后，实现接口板的数据发送 和接收性能测试。

　　(4)中断控制程序

　　在DSP芯片TMS320F206接口的设计中，使用3个硬件中断，INT1，INT2由FPGA来产生，INT3 则由上位机来产生。INT1表明FPGA的接收单元已收到一个数据，通知F206读数，INT2表明FPGA的接收单元已收到一个错误数据，通知F206读取错误状态信息，INT3是上位机和接口板数据传输 控制的一种手段，通过INT3中断，上位机告诉接口板进行数据接收还是数据发送操作，发送多少数据，采用的消息格式以及总线控制等信息。

　　DSP部分的软件采用C++和汇编语言混合编程，关键路径如中断服务程序，数据发送和接收程序都采用汇编语言以达到的执行效率，主程序采用C++编写。

　　DSP部分软件的流程图，如图6所示。  

　　5.3 上位机控制程序

　　主要实现上位机在特定的操作系统下对接口板的软件驱动、数据通讯和传输控制。主要使用C++在Windows环境下进行软件开发。

　　6结语

　　本文介绍了一种基于FPGA和DSP对某型飞机总线系统通讯软件设计与实现的方法。在实际的运用中，较好的实现了总线系统通讯功能，对1553B总线研究具有一定的使用和参考价值。

  

参考文献:

[1]. PSOC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PSOC_555958.html.
[2]. TMS320F206 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F206_17297.html.