基于ARM的便携式1553B总线测试系统的设计与实现 可靠性, 电子

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为了方便对1553B设备进行测试，介绍了一种基于ARM9平台和FPGA的1553B总线测试系统的设计与实现方法。该系统以LPC3250作为微处理器，以CYCLONE I系列的EP1C6Q240C8芯片实现ARM与1553B协议芯片的接口逻辑。在Linux操作系统2.6內核下实现1553B的驱动程序。15 53B协议芯片采用BU-64843T8，以实现系统的便携性。
　　随着航空电子系统的发展，多路数据传输数据总线在航空电子系统中起着越来越重要的作用，其主要特点是集中控制、实时性要求高、分布处理。1553B 总线以其具有较高的可靠性和灵活性，广泛应用于军事、航空航天系统。传统的1553B测试设备采用普通计算机或工控机作为测试平台，通过PCI总线与被测设备通信，这对测试设备的携带造成极大不便。本文所阐述的测试系统以ARM9作为中央处理器，以DDC的BU-64843T7作为1553B协议芯片，从而实现系统的小型化和便携化，应用FPGA实现ARM时序与1553B时序的转换，并采用Linux操作系统以确保系统稳定可靠。
　　1 ARM与FPGA数据通信接口设计
　　1. 1 系统硬件介绍
　　该系统硬件由LPC3250核心板、外扩接口电路、FPGA和1553B协议芯片组成组成。系统架构如图1所示。

　　

　　LPC3250微处理器面向低功耗、高性能的应用，采用ARM926EJ-S CPU内核，实现5级流水处理并采用哈佛结构，可工作在266 MHz的频率下，数据处理能力强大。
　　本系统外扩USB、RS232和网络接口，用于操作系统的烧写和驱动程序、应用程序的调试，并且配备实时时钟，可以掉电保持。为增加其可靠性，本系统在多处增加ESD芯片，以增强系统的抗静电能力。
　　FPGA采用Altera公司的Cyclone I系列的EP1C6Q240C8芯片，该系列芯片具有20 060个逻辑单元以及288 kb RAM，支持3.3V LVTTL/CM OS IO标准，可直接与ARM通信，无需进行电平转换。
　　1553B协议芯片选择DDC公司的BU-64843T8芯片。该芯片是世界上第一个将1553B协议芯片和隔离变压器集成到一体的芯片。因此，在布PCB时，会节省很大空间，从而使系统小巧，方便携带。
　　1.2 接口电路设计
　　LPC3250包括3个外部存储器接口，分别是NAND Flash控制器、Secure Digital控制器和外部存储器控制器（External memory controll er，简称为EMC）。EMC提供了系统总线与片外存储设备之间的接口功能，可实现与SDRAM、DDR SDRAM和SRAM设备的通信。该系统采用EMC的静态RAM接口与FPGA进行通信，该接口具有时序操作简单，接口速度快等特点。利用FPGA模拟静态RAM，并进行时序转换，从而实现ARM对1553B芯片的访问。图2为ARM与FPGA的接口电路图，由于1553B芯片内部RAM为 4K*16bit，因此数据线选用16位，地址线选用12位。通过EMC静态存储器控制器的配置寄存器，可将数据总线分别设置为8位、16位、32位。该系统需将配置寄存器的低两位设置为01，即16位总线。其他控制信号说明见表1所示。

　　

　　1. 3 FPGA逻辑设计
　　若想成功访问1553B设备，必须严格按照1553B时序进行操作，然而EMC的时序与1553B的时序差异很大，因此需要进行时序转换，这通过一片FPGA来实现。BU-64843T8的控制信号主要包括，TRANSPARENT/BUFFERED*、STRBD*、SELECT*、RD /WR*、MEM/REG*、IOEN*、READYD*、ADDR_LAT/MEMOE*.RT_AD_LAT*，INT*等信号。
　　TRANSPARENT/BUFFERED*信号用于设定芯片工作在透明模式还是缓冲模式，该系统的1553B不需外扩存储器，工作在缓冲模式下即可，因此MEMOE*等信号可以不做考虑;STRBD*和SELECT*可接到一起，作为芯片的片选信号;RD/WR*为读写信号;MEM/REG*用来区分访问内部4K存储器资源还是寄存器资源;IOEN*有效时，标志芯片正在处理外部的访问;READYD*信号在本系统中十分重要，当ARM写时，READYD*有效表示数据成功写入芯片中，当ARM读时，READYD*有效表示数据线上的数据有效，可以使用;ADDR_LAT为地址锁存信号，对于总线未复用的处理器，该信号置为高;RT_AD_LAT*信号为RT地址锁存信号，该信号出现上升沿，即可将RT地址上的数据锁存到芯片内部，因此 RT地址无需一直保持着。INT*信号用于中断ARM，该信号经过FPGA与ARM的GPIO引脚相连，相应的GPIO引脚被配置为外部中断引脚。
　　FPCA的逻辑设计采用锁存的方式，即所有的地址信号、数据信号、读写、片选、EME/REG*信号通过锁存器直接打到总线上，这些信号在ARM访问期间一直有效。因此ARM需要进行多次写操作：先把要写的数据送出，再把要访问的地址和控制信息送出，之后循环读取READYD*信号，直到其有效，再进行下一次读写操作。相关的VHDL代码如下：
　　
　　2 1553B驱动程序的开发原理与实现
　　2.1 文件操作接口
　　设备驱动程序在Linux内核中扮演着特殊的角色。它们是独立的模块，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，用户的操作通过一组标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。将这些调用映射到作用于实际硬件的设备特有操作上，则是设备驱动程序的任务。系统软件架构如图3所示。

　　

　　Linux驱动程序支持3种类型的设备：字符设备、块设备和网络设备。字符设备是个能够像字节流一样被访问的设备。字符设备驱动程序通常要实现 open、close、read、write系统调用。本系统的1553B设备属于字符设备，它的驱动程序主要包括以下几个模块：初始化模块、打开关闭模块、读写模块、中断处理模块。
　　驱动程序与应用程序的通信主要通过系统函数调用，Linux为所有设备文件提供统一的操作函数接口，我们的驱动程序中只需实现struct file_operations中相应的函数即可，主要包括ioctl、read、write、open、release、fasync函数。具体C语言代码如下所示：
　　
　　当用户加载驱动模块时，一系列初始化工作在static int_init xc1553_init（void）函数中完成，包括设备注册，物理地址到虚拟地址的映射，EMC模式的配置，中断处理函数的注册。
　　当用户卸载驱动模块时，需要在static void_exitxc1553_exit（void）函数中进行驱动模块和设备的卸载，以及中断号的释放。
　　2.2 中断处理模块的实现
　　当1553B产生中断时，由xc1553_init函数中注册的中断处理函数进行处理，并且通知上层应用程序进行读写操作。驱动程序与应用程序的通信通过异步通知的方式实现。为了实现异步通知，在驱动程序中需要实现int fasync_helper（int fd，struct file*filp，int mode，stru ct fasync_struct**fa）和voidkill_fasync（struct fasync_struct**fa，int sig，int band）函数。
　　fasync_helper函数在xc1553_fasync中实现，作用是为当前进程创建一个fasync_struct结构体，然后挂入目标设备的fasync队列，最后在设备驱动的中断处理程序中，使用kill_fasync函数向该队列发送信号，通知上层应用程序。
　　xc1553_fasync函数实现如下：
　　
　　
　　3 结束语
　　1553B总线广泛应用于航空领域，基于1553B总线的测控设备普遍体积大，携带不方便，本文所阐述的测试系统完全能够实现传统测控设备的功能，并且极大的缩小了设备的体积，方便携带。经过测试，该系统实时性高、工作稳定，能够满足军工要求。