王文萱，翟正軍

　?。ㄎ鞅惫I(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710129）

　　摘要：1553B總線在航空、航天、艦船等嵌入式高可靠實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域占有重要地位。分析了1553B總線終端的組成，歸納比較了DDC公司研制的多款1553B總線處理器的發(fā)展變化的特征，應(yīng)用該公司集成度最高的1553B總線處理器，設(shè)計(jì)了小型化的1553B總線終端，與采用集成度較低的1553B處理器完成的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的終端在體積、功耗、重量方面降幅均超過60%。

　　關(guān)鍵詞： 1553B總線；總線終端；通信處理器

0引言

　　數(shù)字式時(shí)分制指令響應(yīng)型多路傳輸總線1553B標(biāo)準(zhǔn)最初是由美國為研制聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)制定的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于1553B總線在航電系統(tǒng)上的應(yīng)用大大提高了飛機(jī)的性能，因而逐步擴(kuò)展到艦船、航天等高可靠通信領(lǐng)域。雖然1553B總線已發(fā)展應(yīng)用了30年，但由于1553B總線具有集中控制簡單、實(shí)時(shí)響應(yīng)、容錯(cuò)可靠、便于維護(hù)、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，因此在航空、航天、艦船等嵌入式高可靠實(shí)時(shí)領(lǐng)域1553B總線依然占有重要的地位。以最新型的歐洲寬體客機(jī)A350XWB為例，在機(jī)載局域網(wǎng)中采用了1553B總線實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信。

　　嵌入式高可靠實(shí)時(shí)系統(tǒng)功能與性能發(fā)展的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的體積、功耗、重量等要求也愈來愈高，在基于1553B總線互聯(lián)的系統(tǒng)中，每個(gè)設(shè)備都需要1553B終端才能接入到總線中，因此1553B總線終端在系統(tǒng)中占有相當(dāng)?shù)谋戎亍Ｔ跐M足系統(tǒng)通信要求下，降低1553B總線終端的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少體積、功耗、重量，成為1553B終端設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)重要的追求目標(biāo)。

　　美國數(shù)字設(shè)備公司（DDC）［1］在1553B總線器件研發(fā)、制造及應(yīng)用方面占有重要的地位，本文以其不斷推新發(fā)展的1553B總線處理器芯片為研究對(duì)象，分析歸納了DDC公司將原來與1553B終端實(shí)現(xiàn)相關(guān)的外圍器件不斷集成到1553B總線通信處理器中，而且不斷擴(kuò)展1553B總線通信處理器內(nèi)部可編程能力的趨勢(shì)，使讀者了解1553B總線通信處理器功能不斷增強(qiáng)、集成度不斷提高的特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)人員選擇合適的1553B總線通信處理器提供參考，以滿足系統(tǒng)1553B總線功能要求的同時(shí)，也能滿足對(duì)1553B總線終端的體積、功耗、重量的指標(biāo)約束條件。

11553B總線終端構(gòu)成

　　1553B總線傳輸速率為1 Mb/s，傳輸媒介為屏蔽雙絞線，可接入32個(gè)終端，終端共有三種類型：總線控制器（Bus Controller，BC）、遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal，RT）和總線監(jiān)視器（Bus Monitor，BM）。BC是總線上唯一能組織數(shù)據(jù)消息傳輸?shù)慕K端；RT是接受總線上BC控制，完成消息發(fā)送或接收的終端；BM是接收總線上消息并能有選擇記錄的終端，其僅“監(jiān)控”總線上信息傳輸?shù)粎⑴c總線的通信。在嵌入式高可靠實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，1553B總線為雙余度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有1553B總線終端設(shè)備通過變壓器耦合方式掛接在總線網(wǎng)絡(luò)上［2］。

　　采用變壓器耦合方式的1553B總線終端硬件包括：主機(jī)接口電路、消息存儲(chǔ)器、1553B協(xié)議處理器、雙余度總線收發(fā)器和隔離變壓器。通用的1553B總線終端硬件構(gòu)成如圖1所示。

　　主機(jī)接口電路、實(shí)現(xiàn)主機(jī)地址、數(shù)據(jù)及控制總線到終端內(nèi)部總線的緩沖隔離及控制。消息存儲(chǔ)器支持主機(jī)與終端內(nèi)部1553B協(xié)議處理器對(duì)1553B總線消息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀寫訪問，需要設(shè)計(jì)消息存儲(chǔ)器共享互斥訪問控制電路，以達(dá)到兩者可正確訪問。

　　1553B協(xié)議處理器按照1553B協(xié)議要求，首先完成1553B的ManchesterⅡ碼編譯碼、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換與并串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)字同步頭的產(chǎn)生與檢測、奇校驗(yàn)；其次根據(jù)主機(jī)規(guī)定，作為BC、RT或BM完成總線傳輸中的任務(wù)。作為BC，組織消息的發(fā)送與正確性判斷；作為RT，完成對(duì)指令字的識(shí)別、狀態(tài)字的自動(dòng)響應(yīng)；作為BM，完成對(duì)所有或部分要求監(jiān)控的消息監(jiān)控并記錄。1553B協(xié)議處理器是終端的控制核心，不僅要訪問消息存儲(chǔ)器完成1553B消息數(shù)據(jù)的收發(fā)及相應(yīng)狀態(tài)的修改，而且要與雙余度1553B總線收發(fā)器連接，將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送器或從接收器接收串行數(shù)據(jù)，還要提供主機(jī)可編程接口能力，由主機(jī)控制終端的角色、運(yùn)行或讀取終端的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在主機(jī)通信軟件管理下完成1553B總線傳輸任務(wù)。雙余度1553B總線收發(fā)器能夠?qū)TL電平的串行Manchester碼與雙極性的Manchester碼相互轉(zhuǎn)化。兩路隔離變壓器，源端與雙余度1553B總線收發(fā)器連接，次端與1553B總線的兩條主電纜耦合器分別相連。

21553B通信處理器的變化分析與比較

　　從上面1553B總線終端構(gòu)成可見，為完成1553B總線通信任務(wù)，需要至少五部分功能單元電路。

　　在2000年前，1553B總線生產(chǎn)廠家如UTMC、NHI等公司的1553B協(xié)議處理器、總線收發(fā)器、變壓器等均是獨(dú)立的器件，因此設(shè)計(jì)1553B總線終端需要十多個(gè)元器件，硬件模塊體積大、重量重、功耗大。

　　DDC公司首先認(rèn)識(shí)到集成的必要性和發(fā)展趨勢(shì)，于1995年推出了集成度大幅度提高的1553B先進(jìn)通信引擎（ACE）器件［3］，是高集成度的1553B總線通信處理器。 ACE單一器件包含了子系統(tǒng)（設(shè)備）主機(jī)接口隔離電路、消息存儲(chǔ)器、1553B協(xié)議處理器、雙余度總線收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

　?。?）BC/RT/BM協(xié)議一體化設(shè)計(jì)，由軟件配置工作角色；

　　（2）主處理器接口，靈活多樣，支持8/16 bit模式，可零等待或插入等待；

　?。?）消息存儲(chǔ)器，64 KB RAM，包含主機(jī)與內(nèi)部協(xié)議訪問的互斥訪問控制；

　?。?）內(nèi)置雙余度總線收發(fā)器，單5 V供電；

　?。?）增強(qiáng)BC功能的特征：支持自動(dòng)重試、可編程間隔時(shí)間、幀自動(dòng)重復(fù)、可編程響應(yīng)超時(shí)時(shí)間；

　　（6）增強(qiáng)RT功能的特征：可編程命令非法化表，可選擇單消息緩沖、雙緩沖、環(huán)形緩沖和全局環(huán)形緩沖，獨(dú)立的方式命令中斷，可根據(jù)子地址進(jìn)行忙位編程；

　?。?）增強(qiáng)BM功能的特征：選擇消息監(jiān)控特征，提供可編程觸發(fā)選項(xiàng)。

　　隨著半導(dǎo)體微電子工藝水平的發(fā)展和提高，在對(duì)1553B終端設(shè)計(jì)要求不斷提高的外界需求推動(dòng)下， 以ACE為基礎(chǔ)，通過集成外部器件提高集成度、改變封裝縮小體積、增強(qiáng)內(nèi)部新的功能擴(kuò)展通用性等措施，DDC公司在1999年、2004年、2011年和2013年分別推出了MiniACE、MicroACE、TotalACE、TotalACEXtreme四款產(chǎn)品。下面分別說明這四款典型處理器的主要特點(diǎn)。

　?。?）MiniACE將ACE的DIP封裝改為“Flat Pack”封裝，體積壓縮為25.4 mm×25.4 mm×3.3 mm。相比ACE僅有的CPU局部總線接口，擴(kuò)展提供了一種PCI總線的接口，為1553B終端作為PCI總線的從設(shè)備提供了無縫連接。但需要外接兩個(gè)隔離變壓器。（2）MicroACE在MiniACE基礎(chǔ)上，不僅增強(qiáng)了BC的編程能力，包括十余種總線表判定、分支、循環(huán)操作碼等，方便了用戶對(duì)總線的控制，而且改為BGA封裝，體積壓縮到20.7 mm×20.7 mm×3.3 mm。提供CPU局部總線接口或PCI總線接口。需要外接兩個(gè)隔離變壓器。（3）TotalACE在MicroACE之上，內(nèi)部集成了兩個(gè)隔離變壓器，是BGA封裝，體積為27.9 mm×15.2 mm×4.7 mm，也提供CPU局部總線接口或PCI總線接口。不需要外接兩個(gè)隔離變壓器。（4）TotalACEXtreme在TotalACE基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了能同時(shí)做多個(gè)RT的功能。采用更小的BGA封裝，體積縮小為16 mm×16 mm×4.7 mm；提供CPU局部總線接口或PCI總線接口。不需要外接兩個(gè)隔離變壓器。

　　總結(jié)DDC公司以上五款1553B通信處理芯片的特征，比較如表1所示。

31553B總線終端設(shè)計(jì)

　　采用UTMC公司低集成度1553B協(xié)議處理芯片BCRTM為核心器件［45］，需要增加外部存儲(chǔ)器、雙余度收發(fā)器、兩個(gè)隔離變壓器、主機(jī)接口隔離電路、仲裁電路、譯碼電路、時(shí)鐘電路等，需要至少10多個(gè)功能器件，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)1553B總線終端，如圖2所示。

　　圖2基于低集成度的BCRTM芯片的終端設(shè)計(jì)框圖

　　而采用最新的Total-ACEXtreme高集成度芯片［6］，因其內(nèi)部集成了絕大多數(shù)電路，只需要再增加時(shí)鐘、簡單的主機(jī)接口訪問譯碼電路即可構(gòu)建一個(gè)比UT1553B BCRTM方案功能更全（支持多個(gè)RT同時(shí)工作、RT&BM模式等功能）的1553B總線終端，如圖3所示。

　　圖3基于高集成度TotalACEXtreme的終端設(shè)計(jì)框圖對(duì)比采用集成度較低的UT1553B BCRTM芯片與采用集成度最高的TotalACEXtreme芯片構(gòu)建1553B總線終端的兩種設(shè)計(jì)方案，后者占用電路板的面積節(jié)省了70％，重量減輕約60％，功耗降低約60％，因而大大降低了1553B總線終端的體積、功耗、重量，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省了寶貴的資源。

4結(jié)論

　　本文介紹了1553B總線終端的功能單元構(gòu)成，通過分析DDC公司推出的五款1553B總線處理器的技術(shù)特征和發(fā)展趨勢(shì)，說明隨著集成電路水平的提高，1553B總線通信處理器集成的功能電路數(shù)量不斷增加、完成的功能愈來愈強(qiáng)大、體積越來越?。煌瑫r(shí)與主設(shè)備的接口趨向簡單化、服務(wù)趨向透明化，從而為1553B設(shè)計(jì)人員降低1553B總線終端硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少體積、功耗與重量的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

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