1 引言
1553B 總線是MIL-STD-1553B 總線的簡(jiǎn)稱，其全稱為飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線，是一種滿足實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)可靠性的通用機(jī)載串行多路總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線標(biāo)準(zhǔn)首先在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，1553B 總線在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，作為與之配套的地面檢測(cè)設(shè)備也需要具有1553B 總線接口 的通信板卡。
2 方案設(shè)計(jì)
本板卡是基于PCI 總線的1553B 總線接口卡，要實(shí)現(xiàn)的功能是利用PCI 總線作為媒介， 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制1553B 總線BC 端和RT 端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽罱K在衛(wèi)星地面測(cè)試過程中 實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程終端的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和控制。板卡硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由PCI 協(xié)議接口芯片、1553B 總線控制器、收發(fā)器和變壓器等組成。
3 PCI-1553B 接口卡功能實(shí)現(xiàn)
3.1 1553B 協(xié)議
1553B 總線系統(tǒng)中包含三種不同類型的終端：總線控制器（BC）、總線監(jiān)視器（MT）和 遠(yuǎn)程終端（RT）。由于1553B 數(shù)據(jù)總線采用的是主從控制方式的總線控制，主節(jié)點(diǎn)即總線控 制器（BC）負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，控制數(shù)據(jù)流從BC 流向RT、RT 流向BC 以及RT 流向RT。數(shù) 據(jù)流的基本形式是消息，協(xié)議規(guī)定一個(gè)消息傳輸?shù)耐暾^程由指令字、數(shù)據(jù)字（或指令字和狀態(tài)字）組成。每一種字長(zhǎng)為20 位，有效消息位是16 位，每種字的前三位為同步頭，最后一位是奇偶校驗(yàn)位。在本系統(tǒng)中，主要數(shù)據(jù)傳輸方式是BC→RT 和RT→BC 兩種。 BC 端向RT 端的數(shù)據(jù)傳輸過程是首先由BC 發(fā)出一個(gè)接收指令字及規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字到 RT，后者在核實(shí)消息后發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字給BC，指令字和數(shù)據(jù)字應(yīng)以沒有字間間隔的連續(xù)形 式發(fā)出。
RT 端向BC 端的數(shù)據(jù)傳輸過程是首先由BC 向RT 發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字，該RT 在核實(shí)指令字后，發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字給BC，繼之以規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字，狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字應(yīng)以沒有字間 間隔的連續(xù)形式發(fā)出。
3.2 1553B 總線協(xié)議控制器的實(shí)現(xiàn)
1553B 總線協(xié)議控制器是本板卡構(gòu)成的關(guān)鍵。市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)1553B 總線協(xié)議的芯片很多，目前應(yīng)用比較廣泛的是美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DDC）的BU-61580，它雖然能夠完整的實(shí)現(xiàn) 1553B 總線協(xié)議，但缺點(diǎn)是設(shè)置比較復(fù)雜、體積比較大、功耗比較高。本設(shè)計(jì)采用Condor Engineering 公司的FlightCORE-1553 IP 核作為總線協(xié)議控制器，它完全滿足1553B 總線協(xié) 議，為主處理器和1553B 總線提供了完整、靈活的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程 終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM）三種模式，并且適應(yīng)ALTEA 和XILINX 大部分型號(hào)的FPGA， 與BU-61580 等協(xié)議芯片相比，具有使用靈活、功耗低、節(jié)省印制板面積等特點(diǎn)。
該總線控制器內(nèi)部有 1K×16bits 的存儲(chǔ)空間，在存儲(chǔ)空間的低地址區(qū)是硬件寄存器、固件保留區(qū)和文件寄存器，通過對(duì)這些寄存器的設(shè)置，可以方便地將控制器配置為BC、RT 或者BM。
下面對(duì)常用的寄存器進(jìn)行說(shuō)明： 1. 配置寄存器：用來(lái)選擇工作模式，即 BC、RT 或BM；
2. 控制寄存器：用來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的工作模式；
3. 中斷使能寄存器：設(shè)置產(chǎn)生中斷的條件；
4. 中斷狀態(tài)寄存器：當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，固件將該寄存器相應(yīng)位設(shè)置為有效，主處理器通 過讀該寄存器判斷是否有中斷發(fā)生；
5. 自檢寄存器：該寄存器具有只讀屬性，表明工作狀態(tài)。 實(shí)際應(yīng)用中，該控制器需要4K 字的存儲(chǔ)空間才能正常工作，所以需要擴(kuò)充存儲(chǔ)空間， 考慮到控制器接收處理總線數(shù)據(jù)后計(jì)算機(jī)能及時(shí)獲取而又不影響其正常工作，采用雙口RAM 比較合適，其中控制器前1K 字的存儲(chǔ)空間和雙口RAM 的地址空間是重疊的。
3.3 PCI 功能的實(shí)現(xiàn)
PCI 協(xié)議接口芯片采用PLX9054，通過XILINX 的FPGA 實(shí)現(xiàn)PLX9054 與1553 總線協(xié)議的通信。當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，9054 需要串行EEPROM 為其提供一些必要的配置信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI 配置寄存器和本地寄存器的設(shè)置，這些信息除了局部空間的范圍和基地址外，還包括設(shè)備信 息和中斷資源等，這些需要我們事先燒寫到EEPROM 中，本文EEPROM 采用93LC56B。
實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)存儲(chǔ)空間大小配置相應(yīng)的9054 的地址空間，1553B 總線控制器 本身含有1K 字的寄存器空間，為了擴(kuò)大存儲(chǔ)器空間，在FPGA 內(nèi)例化了8K×16bits 的雙口 RAM。在9054 的本地端，將地址總線設(shè)為32 位，每一次32 位的讀寫操作僅對(duì)其低16 位進(jìn) 行，高16 位未用，因此實(shí)際需要配置2 倍于雙口RAM 大小的空間，即32KByte,故EEPROM 中的局部地址空間0 范圍寄存器設(shè)為FFFF8000，局部地址空間0 描述寄存器設(shè)為4B430043。
3.4 PCI 總線和1553B 總線的橋接
在PCI 總線一邊，9054 的PCI 總線端需要和主機(jī)上的PCI 插槽進(jìn)行連接。由于9054 是 專用的PCI 協(xié)議芯片，所以它的PCI 端可以直接通過插卡上的引線和PCI 插槽連接。
9054 的本地端和1553B 總線控制器HOST 端通過FPGA 實(shí)現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)換。9054 支持三種傳輸模式，即主模式、從模式和DMA 模式，DMA 模式適合突發(fā)的大量數(shù)據(jù)的傳輸，由于1553B 總線的數(shù)據(jù)速率為1Mbps,數(shù)據(jù)量很小，因此采用從模式中的單周期讀寫模式，相對(duì)于主模 式而言電路設(shè)計(jì)和時(shí)序控制也相對(duì)簡(jiǎn)單。
根據(jù)9054 從模式下單周期讀寫時(shí)序、1553B 總線控制器HOST 端時(shí)序和雙口RAM 時(shí)序采 用如圖2 所示的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)PCI 總線對(duì)1553B 總線控制器和雙口RAM 空間的讀寫操作。
圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
當(dāng)9054 的局部總線復(fù)位信號(hào)有效后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入S0 狀態(tài)，當(dāng)啟動(dòng)本地總線的單周期寫操作時(shí)，在檢測(cè)到地址選通信號(hào)有效，且寫信號(hào)有效后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入S1 狀態(tài)，將本地地址 總線賦給1553B 總線控制器的地址總線，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入S2 狀態(tài)，將本地?cái)?shù)據(jù)總線賦給1553B 總線控制器的數(shù)據(jù)總線，直到數(shù)據(jù)寫入后，狀態(tài)機(jī)重新回到S0 狀態(tài)；當(dāng)啟動(dòng)本地總線單周 期讀操作時(shí)，在地址選通信號(hào)有效且讀信號(hào)有效后判斷本地地址總線，當(dāng)本地地址大于等于 1024 時(shí)，訪問雙口RAM 的B 端口，當(dāng)本地地址小于1024 時(shí)，訪問1553B 總線控制器內(nèi)的寄 存器，這樣做的好處是防止對(duì)雙口RAM 操作時(shí)出現(xiàn)讀寫沖突的問題。
3.5 接口卡外圍電路
接口卡外圍電路主要包括收發(fā)器、變壓器和 RT 子地址電路等。 收發(fā)器分為接收和發(fā)射兩部分，接收部分的功能是將 1553 總線上傳輸?shù)碾p極性差分曼 徹斯*轉(zhuǎn)化為適合FPGA 輸入的互補(bǔ)CMOS/TTL 電平。發(fā)射部分是接收部分的逆過程，它將互補(bǔ)的CMOS/TTL 電平轉(zhuǎn)為適合1553B 總線傳輸?shù)碾p極性差分曼徹斯*。本設(shè)計(jì)收 發(fā)器采用HOLT 公司的HI1567，由于HI1567 的工作電壓是5V，在與IO 電壓非5V 的FPGA 互聯(lián)時(shí)需要串接330 歐姆的電阻。
接口卡通過短截線與 1553B 主總線相連。在短截線和收發(fā)器之間需要設(shè)置隔離變壓器，以提供總線驅(qū)動(dòng)電壓，防止終端因短路引起損壞和接口卡產(chǎn)生的噪聲影響1553B 主總線上的信號(hào)。短截線與1553B 主總線的連接方式有兩種：直接耦合和變壓器耦合。直接耦合是直接將短截線連接到主總線。變壓器耦合在直接耦合的基礎(chǔ)上加了一個(gè)耦合變壓器，對(duì)終端實(shí)行兩級(jí)隔離，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。直接耦合短截線的長(zhǎng)度 最大為1 英尺（約0.3 米），而變壓器耦合方式短截線最大可以達(dá)20 英尺（約6 米）。
本文 變壓器采用HOLT 公司的PMDB2725EX，該變壓器提供兩種變壓比，即1:2.5 和1:1.79，分別適應(yīng)直接耦合和變壓器耦合兩種方式。需要注意的是無(wú)論采用哪種方式，都必須在1553B 總線和變壓器之間串聯(lián)隔離電阻對(duì)總線進(jìn)行短路保護(hù)。收發(fā)器和變壓器電路如圖3 所示。 RT 子地址不僅可以通過板卡上的手動(dòng)開關(guān)來(lái)完成1553B 總線終端RT 地址的設(shè)置，也 可以通過上位機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)置。
圖 3 收發(fā)器變壓器電路圖
4 驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)程序的基本功能是完成設(shè)備的初始化、對(duì)端口的讀寫操作，中斷的響應(yīng)以及調(diào)用。本文采用DDK（驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包）來(lái)編寫驅(qū)動(dòng)程序，這里就不做詳細(xì)介紹。 應(yīng)用軟件采用 Visual C++編寫，完成對(duì)PCI 的讀寫操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制1553B 總線的 數(shù)據(jù)傳輸。其中，BC 模式下的流程為：
（1）讀取自檢寄存器，判斷工作狀態(tài)；
?。?）通過配置寄存器，設(shè)置工作模式為總線控制器（BC）；
?。?）根據(jù)中斷條件設(shè)置中斷使能寄存器；
（4）初始化中斷隊(duì)列；
?。?）定義BC 塊和發(fā)送接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；
（6）將控制字、命令字和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的消息塊中；
?。?）設(shè)置控制寄存器啟動(dòng)傳輸；
?。?）輪詢中斷狀態(tài)寄存器，如果中斷，進(jìn)入中斷程序，處理相應(yīng)的中斷。
5 結(jié)束語(yǔ)
為實(shí)現(xiàn)有效載荷地面測(cè)試過程中終端設(shè)備與星上1553B總線上被測(cè)試設(shè)備之間的信息交互,需要應(yīng)用1553B總線到計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口的通信板卡。本文通過對(duì)1553B總線和PCI總線協(xié)議的分析,結(jié)合航天地面測(cè)試實(shí)際要求提出了一種1553B-PCI總線接口卡的實(shí)現(xiàn)方法,給出了硬件結(jié)構(gòu)框圖,部分原理圖和接口控制的FPGA實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)通過PCI總線與遠(yuǎn)程終端設(shè)備的信息交互,滿足了實(shí)際要求,并在XXX型號(hào)地面測(cè)試中應(yīng)用。