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基于FPGA和DSP技术的某型飞机总线系统通讯软件设计方案

基于FPGA和DSP技术的某型飞机总线系统通讯软件设计方案

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,已成为当代发展最快的学科之一。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。  
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。应用层是通信系统的最高层次,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;应用层是设计中的最高层,他管理整个系统的功能。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最大的执行效率,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。
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