MIL-STD-1553總線是美國(guó)國(guó)防部制定的一種具有可確定性且傳輸可靠的數(shù)據(jù)總線，被廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)、軍用車輛以及艦載等領(lǐng)域中。目前，1553B總線接口模塊的實(shí)現(xiàn)主要有2種方式：一種是采用專用的協(xié)議芯片(如DDC公司的BU-61580、HOLT公司的HI-6110等)；另一種是采用FPGA與CPU結(jié)合實(shí)現(xiàn)1553B的協(xié)議模塊。
    本系統(tǒng)采用后一種方式，硬件上采用PowerPC芯片PPC405EP與Xilinx的FPGA芯片XC3S200為系統(tǒng)的核心芯片，使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)1553B的總線協(xié)議。與采用專用的協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)1553總線接口的方法相比，該方案的成本很低，也很容易根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，使用靈活。
1 1553總線分析
    在MIL-STD-1553總線上有總線控制器、遠(yuǎn)程終端和監(jiān)視器3種設(shè)備。其中，最重要的是總線控制器（BC－Bus Controller），總線上的任何操作都是由BC發(fā)起的（通過(guò)發(fā)不同的命令控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸）；遠(yuǎn)程終端（RT－Remote Terminal）接收BC的命令，并按命令進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸；總線監(jiān)視器（BM－Bus Monitor）對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存儲(chǔ)。
    1553B總線上數(shù)據(jù)的交互是基于消息機(jī)制的。該標(biāo)準(zhǔn)定義了10種消息傳輸格式，而這10種傳輸格式都采用前述的3種字類型，總線上的數(shù)據(jù)傳輸就是采用這10種消息傳輸格式中的一種。其傳輸過(guò)程如下：BC通過(guò)總線發(fā)送某種命令字，所有的RT接收該命令字，并將命令字中的地址域與自己的地址相比較，相同則接收該命令字；隨后，RT對(duì)命令字進(jìn)行解析，根據(jù)命令完成相應(yīng)的操作(接收數(shù)據(jù)字、發(fā)送數(shù)據(jù)字、同步、自檢等)。這些操作都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)字發(fā)送給BC。BC通過(guò)狀態(tài)字來(lái)判斷RT是否工作正常。如果RT接收到的命令字中的終端地址是廣播地址，則所有的RT都接收該命令，但都不返回狀態(tài)字給BC。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。1553B的協(xié)議處理以及編解碼都由FPGA實(shí)現(xiàn)。在同一電路上集成BC、BM和R/T功能，可以通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)選擇所需的功能。同時(shí)，其綜合了通信和測(cè)試功能，既能夠檢測(cè)出各種可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，又能根據(jù)測(cè)試要求產(chǎn)生各種錯(cuò)誤。

    CPU芯片采用AMCC公司的PowerPC405EP。該芯片不僅包括一個(gè)高性能的RISC處理器內(nèi)核，還有SDRAM控制器、PCI總線接口、以太網(wǎng)接口、外部ROM和周邊資源控制及串行口、IIC接口、通用I/O口等，支持DMA功能。
    系統(tǒng)中的PXI接口是用PowerPC405EP的PCI接口與外部的開(kāi)關(guān)電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的。CPU通過(guò)EBC總線與1553模塊通信，其接口電路由FPGA實(shí)現(xiàn)。圖1所示接口電路主要完成通道選擇、數(shù)據(jù)環(huán)回等功能。

2.2 總體方案
    1553B總線協(xié)議由硬件和軟件配合實(shí)現(xiàn)。整體設(shè)計(jì)思路是：硬件和軟件采用中斷和查詢2種方式，通過(guò)一個(gè)共享的數(shù)據(jù)Buffer進(jìn)行信息交互。下面介紹系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)收發(fā)流程。本系統(tǒng)的軟硬件功能就是根據(jù)該流程進(jìn)行分工和實(shí)現(xiàn)的。
2.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送流程
    上層軟件以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式將控制和數(shù)據(jù)信息傳輸給硬件邏輯電路，硬件電路自動(dòng)地將數(shù)據(jù)按照控制信息發(fā)送到1553B總線上。CPU向硬件邏輯發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)檢測(cè)上次的發(fā)送是否已經(jīng)結(jié)束。具體方法是：讀通道狀態(tài)寄存器發(fā)送完成位，如果有效，表示上次發(fā)送已經(jīng)結(jié)束了。只有檢測(cè)到上次發(fā)送結(jié)束了，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送操作。硬件電路在將數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。軟件根據(jù)中斷請(qǐng)求去查詢狀態(tài)寄存器，決定下一步的操作。傳輸流程簡(jiǎn)述如下：
    (1)CPU向數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO寫入1個(gè)指令字/狀態(tài)字和錯(cuò)誤控制信息；
    (2)CPU向通道控制寄存器寫入發(fā)送使能信號(hào)；
    (3)CPU向數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO寫入0～32次數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤控制信息；
    (4)硬件邏輯檢測(cè)到發(fā)送使能信號(hào)；
    (5)硬件邏輯自動(dòng)將存儲(chǔ)在FIFO中的數(shù)據(jù)順序取出；
    (6)硬件邏輯根據(jù)錯(cuò)誤控制信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到1553B總線上；
    (7)硬件邏輯在發(fā)送消息結(jié)束2 μs后，置發(fā)送完成狀態(tài)位，并產(chǎn)生中斷信號(hào)。
2.2.2 數(shù)據(jù)接收流程
    硬件邏輯接收到1553B總線上的數(shù)據(jù)后，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，并將相應(yīng)的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)組合起來(lái)一起存入到接收FIFO中。當(dāng)接收FIFO達(dá)到一定容量后，便向CPU產(chǎn)生中斷信號(hào)。CPU對(duì)FIFO進(jìn)行讀操作，將數(shù)據(jù)和狀態(tài)取出。接收步驟如下：
    (1)硬件邏輯接收總線上的數(shù)據(jù)；
    (2)硬件邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，產(chǎn)生狀態(tài)信息；
    (3)硬件邏輯將數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息寫入接收FIFO中；
    (4)當(dāng)接收FIFO達(dá)到一定容量時(shí)便產(chǎn)生中斷信號(hào)；
    (5)CPU響應(yīng)外部中斷；
    (6)CPU對(duì)FIFO進(jìn)行讀操作，將狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)取走；
    (7)CPU對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行解析，決定對(duì)數(shù)據(jù)的處理。
3 總線編解碼的FPGA實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)中的FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan-3A XC3S200。該系列產(chǎn)品采用了90 nm工藝，支持業(yè)界最廣泛的I/O標(biāo)準(zhǔn)(26種)，具備獨(dú)特的功耗和配置功能以及防克?。╝nti-cloning）安全性優(yōu)勢(shì)。
    FPGA的功能全部采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，其功能框圖如圖2所示。其主要完成的工作有：(1)曼徹斯特碼的編解碼，包括串/并轉(zhuǎn)換。(2)1553B協(xié)議的消息的解析，包括同步頭的識(shí)別，以及各種錯(cuò)誤的識(shí)別、奇偶校驗(yàn)等。(3)1553B協(xié)議的消息發(fā)生，包括同步頭的產(chǎn)生、各種狀態(tài)位的產(chǎn)生以及各種錯(cuò)誤信息的產(chǎn)生。(4)與CPU接口的實(shí)現(xiàn)。(5)各種中斷信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。(6)定時(shí)和超時(shí)控制電路等。
3.1 總線發(fā)送電路實(shí)現(xiàn)
    如果沒(méi)有注入錯(cuò)誤的要求，編碼器的實(shí)現(xiàn)就比較簡(jiǎn)單，只需要用若干倍1553B的傳輸速率（本設(shè)計(jì)采用12倍頻）將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，加上相應(yīng)的同步頭即可。在硬件上數(shù)據(jù)發(fā)送電路主要由一個(gè)狀態(tài)機(jī)、雙口FIFO、注入錯(cuò)誤標(biāo)志寄存器以及控制電路組成。狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖如圖3所示。復(fù)位之后，該狀態(tài)機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿都檢測(cè)FIFO中是否有數(shù)據(jù)，若為空則停留在空閑狀態(tài)。一旦上層軟件通過(guò)EBC接口向FIFO寫入數(shù)據(jù)后， 硬件電路自動(dòng)將數(shù)據(jù)讀出。進(jìn)入到同步頭發(fā)送狀態(tài)，硬件電路根據(jù)命令寄存器的控制字送出相應(yīng)的串行同步頭，隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。在每個(gè)時(shí)鐘沿，移位寄存器將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移出，進(jìn)行曼碼編碼后發(fā)出，同時(shí)，數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。當(dāng)計(jì)數(shù)值為16時(shí)，則轉(zhuǎn)入到奇偶校驗(yàn)狀態(tài)，將異或得到的檢驗(yàn)位編碼后發(fā)出。

    本系統(tǒng)要求具有測(cè)試功能，主要有以下注入錯(cuò)誤的要求：
    (1)EI_BITCOUNT：消息中指定數(shù)據(jù)的位數(shù)錯(cuò)誤(不為16位)；
    (2)EI_PARITY：消息中指定數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位錯(cuò)誤；
    (3)EI_SYNC：錯(cuò)誤的同步頭；
    (4)EI_WORDCOUNT：使消息中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不等于命令字中的長(zhǎng)度；
    (5)EI_MIDBIT：指定數(shù)據(jù)位過(guò)零點(diǎn)錯(cuò)誤，比期望位置延時(shí)300 ns；
    (6)EI_MIDSYNC：同步頭的過(guò)零點(diǎn)錯(cuò)誤，比期望位置延時(shí)300 ns；
    (7)EI_BIPHASE：整個(gè)位時(shí)無(wú)過(guò)零點(diǎn)。
    硬件電路要求在狀態(tài)機(jī)中加入對(duì)應(yīng)的電路，檢測(cè)錯(cuò)誤寄存器中的標(biāo)志位，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤。
3.2 總線接收電路實(shí)現(xiàn)
    無(wú)論是BC還是RT都需要對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。接收電路的主要功能有：曼碼的解碼、串并轉(zhuǎn)換、同步頭檢測(cè)、奇偶校驗(yàn)以及各種錯(cuò)誤的檢測(cè)。如圖4所示，狀態(tài)機(jī)復(fù)位之后進(jìn)入同步頭搜索狀態(tài)。硬件電路以12倍1553總線傳輸速率的頻率去檢測(cè)幾種同步頭。若收到同步頭，則將狀態(tài)寄存器中的對(duì)應(yīng)位置位，并轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；否則，停留在該狀態(tài)下。數(shù)據(jù)接收狀態(tài)下，移位寄存器在時(shí)鐘沿將經(jīng)過(guò)解碼的數(shù)據(jù)移入。在數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到16之后轉(zhuǎn)入到奇偶校驗(yàn)狀態(tài)；之后，將數(shù)據(jù)和狀態(tài)寫入到FIFO中。硬件電路在狀態(tài)機(jī)的每個(gè)階段都要檢測(cè)各種錯(cuò)誤，如果出錯(cuò)則回到同步頭搜索狀態(tài)。同時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)誤標(biāo)志和中斷信號(hào)。

3.3 硬件中斷功能的實(shí)現(xiàn)
    如上所述，本系統(tǒng)軟件和硬件的通信主要通過(guò)中斷和查詢的方式進(jìn)行信息交互。硬件電路實(shí)現(xiàn)了如下中斷功能：
    (1)每收到1個(gè)命令/狀態(tài)字產(chǎn)生中斷；
    (2)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器中斷和使能。軟件對(duì)收到的命令/狀態(tài)字進(jìn)行解析，如果有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接收，將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度值寫入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，同時(shí)使能計(jì)數(shù)器。硬件收到1個(gè)數(shù)據(jù)字，遞減計(jì)數(shù)器，直到0產(chǎn)生中斷，同時(shí)禁止該數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器中斷；
    (3)接收FIFO半滿或3/4滿產(chǎn)生中斷；
    (4)接收FIFO全滿（overflow）產(chǎn)生中斷；
    (5)發(fā)送FIFO為空產(chǎn)生中斷；
    (6)中斷狀態(tài)/使能寄存器；
    (7)等待超時(shí)中斷（接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不夠）；
    (8)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器中斷處，打上時(shí)間戳；收到每個(gè)命令/狀態(tài)字打上時(shí)間戳；發(fā)送的命令/狀態(tài)字的同步頭過(guò)零點(diǎn)打上時(shí)間戳。
4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括板載嵌入程序、主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。板載嵌入程序和主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)共享PPC外掛內(nèi)存來(lái)完成數(shù)據(jù)交互，板載嵌入式程序通過(guò)訪問(wèn)FPGA的寄存器和FIFO來(lái)完成硬件操作和數(shù)據(jù)收發(fā)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是LabWindows/CVI，為用戶提供方便實(shí)用的API接口函數(shù)及其定義。
    嵌入式程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Tornado2.2。該程序主要完成模塊的初始化、各通道BC\RT\BM的消息解析、中斷服務(wù)處理、與主機(jī)交互等功能。其中消息解析是嵌入式程序的核心部分。
    當(dāng)模塊選項(xiàng)為多功能模塊時(shí)，要求各通道在同一個(gè)工作時(shí)期可同時(shí)作為BC、BM和最多31個(gè)RT進(jìn)行工作。當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)的可得終端有限時(shí)，又希望獲得充足完備的測(cè)試，多功能模塊將提供充足的終端用以測(cè)試。為了能同時(shí)且正確充當(dāng)BC、BM、RT 3個(gè)不同的角色，模塊的嵌入式程序設(shè)計(jì)引入了可編程邏輯設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)思想。BC、BM、RT各自擁有自己的狀態(tài)機(jī)。
5 測(cè)試與結(jié)論
    圖6所示為1553收發(fā)器仿真波形圖。由于篇幅原因，只顯示了部分功能。該仿真主要驗(yàn)證了如下過(guò)程：軟件通過(guò)EBC總線接口將3個(gè)待傳輸數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的控制字寫入到FIFO中，經(jīng)過(guò)硬件電路轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出到差分輸出端；輸出再環(huán)回到差分輸入端，經(jīng)過(guò)解碼電路再寫入到FIFO中，產(chǎn)生中斷信號(hào)，并被軟件通過(guò)EBC總線將數(shù)據(jù)和狀態(tài)讀回。

    經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)際驗(yàn)證，本系統(tǒng)滿足1553B總線協(xié)議的要求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)已經(jīng)成為產(chǎn)品，在實(shí)際中得到了應(yīng)用。
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