《電子技術(shù)應(yīng)用》
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飛管1394總線接口模塊設(shè)計實現(xiàn)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
蔡葉芳1，2，張亞琦3，牛少平1，2，夏 杰3
1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068； 2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068
摘要： 在面向新一代飛機管理系統(tǒng)的1394總線應(yīng)用中，為滿足節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，提高電氣特性信號質(zhì)量，降低節(jié)點的維護成本，提出了一種基于1394總線協(xié)議的飛管1394總線接口模塊。該模塊具有功耗低、體積小、重量輕、可靠性高的特點，并且1394總線3個端口分別通過3根1394專用電纜以辮接方式引出，實現(xiàn)了接口的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。在充分理解1394總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，分別從硬件架構(gòu)、邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計方面介紹了飛管1394總線接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，通過測試與驗證，表明該接口模塊功能與性能滿足機載環(huán)境的應(yīng)用需求。
中圖分類號： TP393
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.003
中文引用格式： 蔡葉芳，張亞琦，牛少平，等. 飛管1394總線接口模塊設(shè)計實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：10-12，20.
英文引用格式： Cai Yefang，Zhang Yaqi，Niu Shaoping，et al. Design and implementation of aerocraft management 1394 bus interface module[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：10-12，20.
Design and implementation of aerocraft management 1394 bus interface module
Cai Yefang1，2，Zhang Yaqi3，Niu Shaoping1，2，Xia Jie3
1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China； 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China； 3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China
Abstract： In the 1394 bus application for a new generation of aerocraft management system,in order to satisfy the standard node design,improve the electrical characteristics signal quality,and reduce the node′s maintenance costs，this paper puts forward a aerocraft management 1394 bus interface module based on 1394 bus protocol. The module has characteristics of low power,small volume,light weight and high reliability,and 1394 bus three ports are fetched respectively by three 1394 special cable with plait format,to achieve the standardization and unification of interface. In the full understanding of 1394 bus protocol，the article introduces the aerocraft management 1394 bus interface module design and implementation from the hardware architecture,logic design and software design repectively. The test and verification show that the interface module function and performance meet the demands of the application of avionic.
Key words : 1394 bus protocol；aircraft management system；AS5643 protocol；interface module

0 引言

    隨著航空電子系統(tǒng)綜合化程度越來越高，1394總線系統(tǒng)中的設(shè)備復(fù)雜程度提高，為實現(xiàn)1394總線系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化要求，設(shè)計一種飛管1394總線接口模塊成為必然。模塊采用統(tǒng)一設(shè)計，便于遠程節(jié)點與總線網(wǎng)絡(luò)的連接；為提高信號質(zhì)量，采用辮接方式；并實現(xiàn)信息收/發(fā)和相關(guān)總線信息的監(jiān)控功能。

    飛管1394總線接口模塊安裝在飛機管理系統(tǒng)總線上遠程節(jié)點的成品單元內(nèi)，提供了遠程節(jié)點與飛機管理系統(tǒng)總線通信的能力。該接口模塊可提供滿足飛機管理系統(tǒng)總線要求相關(guān)的物理層和鏈路層硬件需求，采用辮接方式實現(xiàn)1394總線接口與飛機管理系統(tǒng)的連接，完成飛機管理系統(tǒng)總線與LRU主機控制器之間的數(shù)據(jù)通信。

1 接口模塊設(shè)計

    飛管1394總線接口模塊設(shè)計遵循1394總線通信系統(tǒng)的五層協(xié)議，如圖1所示。其中，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層由接口模塊的硬件實現(xiàn)；1394協(xié)議通過FPGA邏輯和驅(qū)動軟件實現(xiàn)；應(yīng)用軟件和驅(qū)動軟件駐留在上位機中，應(yīng)用軟件通過調(diào)用驅(qū)動軟件實現(xiàn)主機對模塊基本資源的訪問、數(shù)據(jù)通信、模塊狀態(tài)控制、狀態(tài)信息讀取等功能[1]。

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1.1 硬件架構(gòu)

    飛管1394總線接口模塊實現(xiàn)1394總線接口、協(xié)議解析/處理及數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，同時對外提供PCI或異步總線接口，實現(xiàn)與主機之間的數(shù)據(jù)交互，其硬件功能框圖如圖2所示。

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    飛管1394總線接口模塊由FPGA芯片、鏈路層電路、物理層電路、1394接口電路、主機接口電路、復(fù)位電路、時鐘電路、電源電路以及其他輔助電路等部分組成，各功能模塊描述分別如下：

    (1)FPGA電路：采用Actel公司大規(guī)模器件A3PE3000，主要實現(xiàn)接口控制、SAE AS5643協(xié)議處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?sup>[2]；

    (2)鏈路層：支持1394a協(xié)議，實現(xiàn)鏈路層配置、總線組包和解包功能；

    (3)物理層：支持1394b協(xié)議，實現(xiàn)總線仲裁以及收發(fā)數(shù)據(jù)編解碼功能；

    (4)耦合變壓器：變壓器作為物理層芯片和總線傳輸介質(zhì)之間的耦合器件，起到了對接收和發(fā)送終端的隔離保護作用，防止總線上的干擾或脈沖對核心器件的損害，增強了接口模塊的可靠性和防護能力[3]；

    (5)測溫電路：實現(xiàn)對模塊的溫度采集和監(jiān)控，對模塊進行健康管理；

    (6)復(fù)位電路：實現(xiàn)模塊的上電復(fù)位功能，確保上電后該模塊的電路單元工作在穩(wěn)定狀態(tài)下，上電復(fù)位采用RC上電防抖動電路來實現(xiàn)，提供給FPGA和PHY芯片作為復(fù)位輸入；

    (7)時鐘電路：為FPGA、鏈路層和物理層芯片提供工作時鐘；

    (8)電源電路：支持DC-DC轉(zhuǎn)換，為接口模塊提供工作電源。

    飛管1394總線接口模塊實現(xiàn)單節(jié)點RN功能，在接口模塊硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，兼容PCI和異步總線兩種主機接口。其中PCI接口采用標(biāo)準(zhǔn)的PCI信號，主機通過接口模塊上的TOLC連接器訪問硬件資源并進行數(shù)據(jù)交互，完成FPGA與主機的通信；異步總線接口支持兩種處理器：            TMS320C6000系列和TMS320F281x系列，對應(yīng)的外總線接口分別為EMIF接口和XINTF接口。

1.2 邏輯設(shè)計

    飛管1394總線接口模塊的功能主要由FPGA實現(xiàn)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。主要功能模塊包括：主機接口單元、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)存儲區(qū)、接收和發(fā)送消息配置DPRAM、配置表加載單元、寄存器主控模塊、DM控制模塊、DM接口和MC接口模塊、I2C接口模塊。

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    其中寄存器主控模塊主要實現(xiàn)寄存器的訪問；配置表加載模塊將內(nèi)部Flash中存儲的特定格式配置表數(shù)據(jù)加載到寄存器和消息配置區(qū)中，并支持配置表頭、配置表數(shù)據(jù)CRC校驗及配置表加載重試功能。DM控制模塊主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能；DM接口模塊完成寫發(fā)送數(shù)據(jù)、讀接收數(shù)據(jù)、VPC校驗（接收消息）、處理CRC錯誤數(shù)據(jù)包等功能。MC接口模塊主要完成對鏈路層芯片寄存器的讀寫訪問、獲取端口狀態(tài)信息以及對鏈路層芯片進行初始化配置等功能；I2C接口模塊完成對I2C芯片寄存器的訪問功能。

1.3 軟件設(shè)計

    飛管1394總線接口模塊驅(qū)動軟件作為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)硬件資源的中間層，由主機應(yīng)用軟件調(diào)用，實現(xiàn)接口模塊初始化、通信及獲取節(jié)點狀態(tài)等功能。xaxt1-t4.gif

    驅(qū)動軟件包括4個功能模塊：系統(tǒng)控制接口、系統(tǒng)配置接口、消息控制接口、通用控制接口，具體驅(qū)動功能框圖如圖4所示。

    系統(tǒng)控制接口主要實現(xiàn)初始化、獲取邏輯版本、獲取配置表版本及軟件版本功能，提供獲取模塊狀態(tài)信息的軟件接口。

    系統(tǒng)配置接口主要實現(xiàn)獲取總線接口模塊芯片ID、總線周期狀態(tài)及BIT結(jié)果等功能，并提供對應(yīng)功能軟件接口。

    消息控制接口主要實現(xiàn)收發(fā)異步流包、收發(fā)時間應(yīng)答消息、接收STOF包及獲取消息計數(shù)的功能，提供應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)通信接口。

    通用控制接口主要包含DPRAM訪問接口、AS5643訪問接口、1394鏈路層訪問接口和配置區(qū)訪問接口，實現(xiàn)驅(qū)動軟件訪問硬件資源的功能。

2 技術(shù)優(yōu)勢

    與同類總線接口模塊相比，飛管1394總線接口模塊主要技術(shù)優(yōu)勢如下：

    (1)創(chuàng)新性地將1394總線信號通過辮接電纜方式引出，降低了信號衰減，提高了信號傳輸質(zhì)量；

    (2)兼容PCI和異步總線兩種接口，滿足不同成品多種主機接口的需求，解決產(chǎn)品統(tǒng)型問題；

    (3)實現(xiàn)自適應(yīng)多余度總線配置功能，提出了一種支持四余度總線配置表結(jié)構(gòu)及加載方案，滿足某機載產(chǎn)品多位置自適應(yīng)的應(yīng)用要求；

    (4)1394總線信號采用變壓器耦合方式引出，提供3個Beta模式的端口，端口傳輸速率均可配置；

    (5)創(chuàng)新性地提出S100B、S200B速率下的信號質(zhì)量性能指標(biāo)，完成1394接口物理層信號完整性分析、設(shè)計及驗證，有效地提高了總線信號傳輸質(zhì)量，保障了數(shù)據(jù)傳輸可靠性[4]；

    (6)與國外同類產(chǎn)品相比功耗較低（不大于2 W）、體積更小、重量更輕（包含連接器和最大長度線纜在內(nèi)約170 g）、可靠性高，應(yīng)用范圍更廣，滿足機載及地面環(huán)境應(yīng)用需求。

3 測試及驗證

    針對1394總線協(xié)議對接口模塊的功能、性能及電氣特性要求，根據(jù)AS5643協(xié)議體系中的相關(guān)測試協(xié)議，分別對該模塊的產(chǎn)品功能、電氣特性、環(huán)境適應(yīng)性等進行了全面測試[5]。如圖5構(gòu)建驗證平臺對其功能、性能進行驗證。測試機箱與處理器機箱相連作為RN節(jié)點，便攜式仿真器作為CC節(jié)點。通過串口線將便攜式仿真器與PC連接、測試機箱與便攜式仿真器間用1394線纜連接，實現(xiàn)CC節(jié)點與RN節(jié)點之間的信息交互。

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    按照飛管系統(tǒng)要求，分別對接口模塊的功能、電氣特性及環(huán)境適應(yīng)性進行詳細測試，測試項及測試結(jié)果如表1所示，所有測試項均測試通過，滿足飛管系統(tǒng)對接口模塊的測試要求[6]。

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4 結(jié)論

    通過對飛管1394總線的接口模塊功能、性能，試驗，系統(tǒng)聯(lián)試，試飛驗證等進行測試，結(jié)果表明，飛管1394總線接口模塊實時性強，確定性強，性能穩(wěn)定、可靠，并通過國軍標(biāo)軟件工程化測試，滿足機載安全關(guān)鍵子系統(tǒng)高速、可靠、接口統(tǒng)一的要求，為航天、船舶等領(lǐng)域1394總線產(chǎn)品開發(fā)提供設(shè)計參考和實踐經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 趙彬，田澤，楊峰，等.基于AS5643協(xié)議的接口模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機技術(shù)與發(fā)展，2013，23(8)：100-102.

[2] SAE AS5643/2 IEEE-1394b interface requirements for and aerospace vehicle applications[S].2006.

[3] SAEAS5643/1 S400 copper mediainterface characteristics over extended distances[S].2004.

[4] Sai Haowei.Analysis of a SAE AS5643 Mil-1394b based high-speed avionics network architecture for space and defense applications[C].Proc.of IEEE Aerospace Conference.[s.l.]:[s.n.]，2007.

[5] SAE AS5706 test plan/procedure for AS5643/1 S400 copper media interface characteristics over extended distances[S].2007.

[6] SAE AS5657 test plan/procedure for AS5643 IEEE-1394b interface requirements for  and aerospace vehicle applications[S].2007.

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