文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)實(shí)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.
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(shí)現(xiàn)1394總線系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化要求，設(shè)計(jì)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(jì)，便于遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)與總線網(wǎng)絡(luò)的連接；為提高信號(hào)質(zhì)量，采用辮接方式；并實(shí)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(jī)管理系統(tǒng)總線上遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的成品單元內(nèi)，提供了遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)與飛機(jī)管理系統(tǒng)總線通信的能力。該接口模塊可提供滿足飛機(jī)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(shí)現(xiàn)1394總線接口與飛機(jī)管理系統(tǒng)的連接，完成飛機(jī)管理系統(tǒng)總線與LRU主機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信。
1 接口模塊設(shè)計(jì)
飛管1394總線接口模塊設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)；1394協(xié)議通過FPGA邏輯和驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)軟件駐留在上位機(jī)中，應(yīng)用軟件通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)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]。
1.1 硬件架構(gòu)
飛管1394總線接口模塊實(shí)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(shí)對(duì)外提供PCI或異步總線接口，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，其硬件功能框圖如圖2所示。
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(jī)接口電路、復(fù)位電路、時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)接收和發(fā)送終端的隔離保護(hù)作用，防止總線上的干擾或脈沖對(duì)核心器件的損害，增強(qiáng)了接口模塊的可靠性和防護(hù)能力[3]；
(5)測(cè)溫電路：實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的溫度采集和監(jiān)控，對(duì)模塊進(jìn)行健康管理；
(6)復(fù)位電路：實(shí)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(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，提供給FPGA和PHY芯片作為復(fù)位輸入；
(7)時(shí)鐘電路：為FPGA、鏈路層和物理層芯片提供工作時(shí)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(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)RN功能，在接口模塊硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，兼容PCI和異步總線兩種主機(jī)接口。其中PCI接口采用標(biāo)準(zhǔn)的PCI信號(hào)，主機(jī)通過接口模塊上的TOLC連接器訪問硬件資源并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成FPGA與主機(jī)的通信；異步總線接口支持兩種處理器： TMS320C6000系列和TMS320F281x系列，對(duì)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(jì)
飛管1394總線接口模塊的功能主要由FPGA實(shí)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(jī)接口單元、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。
其中寄存器主控模塊主要實(shí)現(xiàn)寄存器的訪問；配置表加載模塊將內(nèi)部Flash中存儲(chǔ)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(yàn)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(yàn)（接收消息）、處理CRC錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包等功能。MC接口模塊主要完成對(duì)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(duì)鏈路層芯片進(jìn)行初始化配置等功能；I2C接口模塊完成對(duì)I2C芯片寄存器的訪問功能。
1.3 軟件設(shè)計(jì)
飛管1394總線接口模塊驅(qū)動(dòng)軟件作為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)硬件資源的中間層，由主機(jī)應(yīng)用軟件調(diào)用，實(shí)現(xiàn)接口模塊初始化、通信及獲取節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等功能。
驅(qū)動(dòng)軟件包括4個(gè)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(dòng)功能框圖如圖4所示。
系統(tǒng)控制接口主要實(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)功能軟件接口。
消息控制接口主要實(shí)現(xiàn)收發(fā)異步流包、收發(fā)時(shí)間應(yīng)答消息、接收STOF包及獲取消息計(jì)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軟件訪問硬件資源的功能。
2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
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(shì)如下：
(1)創(chuàng)新性地將1394總線信號(hào)通過辮接電纜方式引出，降低了信號(hào)衰減，提高了信號(hào)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(jī)接口的需求，解決產(chǎn)品統(tǒng)型問題；
(3)實(shí)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(jī)載產(chǎn)品多位置自適應(yīng)的應(yīng)用要求；
(4)1394總線信號(hào)采用變壓器耦合方式引出，提供3個(gè)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(hào)質(zhì)量性能指標(biāo)，完成1394接口物理層信號(hào)完整性分析、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，有效地提高了總線信號(hào)傳輸質(zhì)量，保障了數(shù)據(jù)傳輸可靠性[4]；
(6)與國(guó)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(zhǎng)度線纜在內(nèi)約170 g）、可靠性高，應(yīng)用范圍更廣，滿足機(jī)載及地面環(huán)境應(yīng)用需求。
3 測(cè)試及驗(yàn)證
針對(duì)1394總線協(xié)議對(duì)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(cè)試協(xié)議，分別對(duì)該模塊的產(chǎn)品功能、電氣特性、環(huán)境適應(yīng)性等進(jìn)行了全面測(cè)試[5]。如圖5構(gòu)建驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)其功能、性能進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試機(jī)箱與處理器機(jī)箱相連作為RN節(jié)點(diǎn)，便攜式仿真器作為CC節(jié)點(diǎn)。通過串口線將便攜式仿真器與PC連接、測(cè)試機(jī)箱與便攜式仿真器間用1394線纜連接，實(shí)現(xiàn)CC節(jié)點(diǎn)與RN節(jié)點(diǎn)之間的信息交互。
按照飛管系統(tǒng)要求，分別對(duì)接口模塊的功能、電氣特性及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)及測(cè)試結(jié)果如表1所示，所有測(cè)試項(xiàng)均測(cè)試通過，滿足飛管系統(tǒng)對(duì)接口模塊的測(cè)試要求[6]。
4 結(jié)論
通過對(duì)飛管1394總線的接口模塊功能、性能，試驗(yàn)，系統(tǒng)聯(lián)試，試飛驗(yàn)證等進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，飛管1394總線接口模塊實(shí)時(shí)性強(qiáng)，確定性強(qiáng)，性能穩(wěn)定、可靠，并通過國(guó)軍標(biāo)軟件工程化測(cè)試，滿足機(jī)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(jì)參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
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