0 引言

    在機載、防務領域，仿真技術已經成為武器裝備研制與試驗中的一項核心關鍵技術，在綜合化仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)的研制和建設中尤為重要。1394總線三節(jié)點仿真設備源于我國新型飛機綜合化仿真環(huán)境的研制需求，產品從需求出發(fā)，結合多種復雜仿真應用環(huán)境，設計滿足多個機載領域1394總線產品的試驗驗證需求，全面系統(tǒng)地實現(xiàn)機載網絡環(huán)境的綜合化仿真、測試，并輔助完成系統(tǒng)聯(lián)試、試驗。

    本文從硬件設計、邏輯設計、軟件設計三方面闡述1394總線三節(jié)點仿真設備的設計與實現(xiàn)過程，并通過搭建仿真試驗環(huán)境，完成產品及系統(tǒng)級綜合驗證。

1 產品設計

    1394總線三節(jié)點仿真設備主要應用于地面仿真環(huán)境下，實現(xiàn)1394總線系統(tǒng)中的控制計算機、遠程節(jié)點、監(jiān)控節(jié)點以及加載維護節(jié)點的虛擬仿真功能。產品設計中通過軟硬件協(xié)同模式實現(xiàn)1394總線數(shù)據(jù)的收發(fā)功能[1]，其鏈路層和物理層采用商業(yè)協(xié)議處理芯片實現(xiàn)了IEEE 1394b總線鏈路層和物理層協(xié)議處理功能，傳輸層采用基于FPGA邏輯電路實現(xiàn)AS5643協(xié)議處理功能。同時每個產品配置3條獨立的總線接口，各總線擁有獨立的軟件及硬件接口資源，每條總線提供3個獨立的端口（Port），支持S100B、S200B、S400B 3種傳輸速率。

1.1 硬件設計

    1394總線三節(jié)點仿真設備硬件模塊設計中主要包括：FPGA電路、電源電路、復位電路、時鐘電路、1394接口電路，具體如圖1所示。FPGA電路實現(xiàn)1394總線協(xié)議處理，通過鏈路層組包/解包，再由物理層進行編解碼處理后通過接口電路發(fā)送到總線上，實現(xiàn)1394總線數(shù)據(jù)交互。

    (1)主機接口

    PCI接口采用標準的PC卡接口金手指連接器，主機通過金手指連接器獲得電源、訪問板卡資源并與板卡進行數(shù)據(jù)交互，完成FPGA與主機的通信。PCI接口邏輯部分由FPGA實現(xiàn)，采用32 bit/33 MHz的PCI總線接口。

    (2)電源電路

    仿真設備采用PC提供的5 V直流供電，經過電壓轉換器件產生FPGA+LLC+PHY所需的1.0 V電壓和3.3 V電壓。電壓轉換器選用LTC公司的LTM4616IV#PBF，該器件為兩路輸出，最大輸出電流均為8 A。

    (3)復位電路

    仿真設備支持兩種復位，分別是上電復位和總線復位。FPGA、三路鏈路層的上電復位和三路物理層的上電復位相互獨立均采用RC上電消抖復位，復位延時為10 ms；主機總線復位信號來自主機接口的復位輸出，這兩種復位信號均引入FPGA。

    (4)時鐘電路

    49.152 MHz的晶體提供給仿真設備的1394B總線協(xié)議芯片，50 MHz晶振作為FPGA的本板晶振，該時鐘在FPGA內部作為調度時鐘，避免與1394接口時鐘混用，便于邏輯分塊實現(xiàn)。為了能夠給晶振提供更穩(wěn)定的電源，晶振電源輸入端增加磁珠隔離，并添加濾波電容，晶振的1管腳將其上拉為高電平。

    (5)1394接口電路

    仿真設備中1394信號通過矩型連接器引出，9個端口分別采用9根1394專用電纜引出，每根電纜的引線定義相同。同時1394總線信號采用變壓器耦合方式，提供Bilingual或Beta端口，端口模式可配置。1394總線信號通過矩型連接器插頭轉圓形連接器電纜引出到連接器上。

1.2 邏輯設計

    仿真設備邏輯設計如圖2所示，主要集成了主機接口和DMA模塊、配置表模塊、AS5643協(xié)議處理等模塊。

    其中主機接口主要負責填寫FPGA內部配置表內容、對FPGA內部寄存器進行讀寫操作和中斷操作，以及將鏈路層寄存器映射到主機接口的地址空間開放給主機訪問；DMA模塊負責主機主存與片外DPRAM之間的數(shù)據(jù)搬運。

    配置表模塊主要是用于存儲總線發(fā)送接收配置表，配置表信息在初始化階段由主機加載完成，在總線收發(fā)調度邏輯來時供邏輯查詢調度，完成數(shù)據(jù)的匹配功能。

    AS5643協(xié)議處理模塊實現(xiàn)了主機與鏈路層接口設備之間的通信，滿足基于IEEE-1394b的用法和需求建立的航空領域網絡傳輸數(shù)據(jù)總線標準SAE AS5643。FPGA邏輯配合軟件實現(xiàn)了AS5643總線網絡協(xié)議定義的異步流包、固定幀速率、STOF包同步、帶寬預分配、縱向奇偶校驗VPC、匿名簽署消息、通道號的靜態(tài)分配^[2]、VPC與CRC錯誤注入、心跳字初始值自設定、數(shù)據(jù)收發(fā)控制、容錯檢測等功能。

    子系統(tǒng)主機通過主機總線橋接口完成板卡資源的訪問、板卡狀態(tài)控制、狀態(tài)信息讀取，同時將節(jié)點配置表內容寫入片內DPRAM中，完成發(fā)送、接收、通信參數(shù)的配置功能，如圖2線①所示。在數(shù)據(jù)處理方面，為了提高數(shù)據(jù)處理效率，設計中采用DMA方式完成數(shù)據(jù)搬運工作，發(fā)送數(shù)據(jù)時主機軟件將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按要求封裝完成后，啟動DMA控制器，將數(shù)據(jù)存入片外DPRAM中，在發(fā)送邏輯到來后完成數(shù)據(jù)組包及調度發(fā)送，如圖2中線②所示；接收數(shù)據(jù)時，主機軟件實時檢測接收消息狀態(tài)，在新的有效消息到來時，啟動DMA控制器將數(shù)據(jù)從片外DPRAM搬運至主機內存，供主機軟件處理，如圖2線③所示。

1.3 軟件設計

    仿真設備軟件的作用是讓宿主機操作系統(tǒng)識別硬件設備，并且能夠完成對硬件資源的訪問，包括硬件資源初始化、硬件控制，以完成仿真設備正常通信功能。在進行軟件設計時，采用分層設計的思想，每一層軟件完成各自的功能，軟件層次之間采用簡單的接口進行交互，較低層次的軟件為高一層的軟件提供服務，如圖3所示。應用軟件為用戶提供可視化界面，通過調用1394驅動軟件來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；WDM驅動軟件一方面與1394驅動軟件完成數(shù)據(jù)及命令的交互，另一方面通過主機PCI能夠直接訪問AS5643邏輯。

1.3.1 WDM驅動軟件設計

    WDM驅動軟件主要提供了設備存儲空間的讀寫訪問、應用層事件掛接、接收例程數(shù)據(jù)初始化、獲取數(shù)據(jù)等功能^[3]，同時在數(shù)據(jù)搬運時，為了提高軟件的運行效率及健壯性，在程序的設計上盡可能地減少軟件開銷，將數(shù)據(jù)處理交由板卡邏輯進行處理，軟件只進行狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)整理。

1.3.2 1394驅動軟件設計

    1394驅動軟件使用Win32標準API接口來訪問設備的硬件資源，完成主機端與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互，以函數(shù)接口的形式提供給上層應用程序使用，使應用層不必關心仿真設備硬件邏輯及數(shù)據(jù)流轉的細節(jié)，只需要處理應用層數(shù)據(jù)的組織即可，其主要包括：通用控制接口、調試控制接口、消息控制接口、總線控制接口、系統(tǒng)配置接口、系統(tǒng)控制接口，具體如圖4所示。

1.3.3 應用軟件設計

    仿真設備上層應用程序按照功能劃分為配置表模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)捕獲模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和拓撲顯示模塊，如圖5所示。各功能模塊如下：

    (1)Commander(拓撲顯示及控制)：通過獲取仿真設備鏈路層芯片在總線節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變動后產生的自標識包信息，解析出當前總線的連接拓撲關系并進行圖形化顯示，同時可發(fā)起總線長復位、短復位、復位風暴以及進行總線端口禁止、使能等；

    (2)Monitor(狀態(tài)監(jiān)控)：對當前仿真設備的狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控，包括指定類型、指定速率數(shù)據(jù)包個數(shù)統(tǒng)計、錯誤包個數(shù)、總線復位次數(shù)統(tǒng)計、VPC錯誤統(tǒng)計、數(shù)據(jù)包負載錯誤統(tǒng)計等；

    (3)Generator(數(shù)據(jù)發(fā)送)：構造符合AS5643協(xié)議的數(shù)據(jù)包的各個字段，發(fā)送給目的終端，用于測試總線數(shù)據(jù)的發(fā)送功能；

    (4)Recorder(數(shù)據(jù)記錄)：將仿真設備接收到的數(shù)據(jù)包進行實時顯示，并按照1394協(xié)議的標準形式進行協(xié)議解析及分析；

    (5)Recvcfg(配置表模塊)：體現(xiàn)AS5643協(xié)議帶寬預分配策略，節(jié)點的發(fā)送消息、接收消息、消息偏移等配置參數(shù)的生成及修改；

    (6)TicLoad（加載維護）：提供總線網絡維護及節(jié)點配置表、邏輯文件遠程管理功能。

2 驗證與測試

    通過上述1394總線三節(jié)點仿真設備搭建地面驗證測試系統(tǒng)環(huán)境，從拓撲構建、組網通信、總線容錯、加載維護等方面進行產品功能及網絡仿真驗證，如圖6所示，該演示環(huán)境由1個控制計算機、9個遠程節(jié)點和1個監(jiān)控維護模塊組成基本的網絡拓撲，每個功能模塊均采用1394總線三節(jié)點仿真設備實現(xiàn)。

    (1)拓撲構建

    拓撲構建模塊中對總線系統(tǒng)中的總線拓撲結構顯示、節(jié)點狀態(tài)、端口速率顯示以及對各個端口進行禁止、使能、掛起等功能進行驗證測試。

    (2)組網通信

    組網通信模塊中基于總線測試系統(tǒng)，在遠程節(jié)點仿真中對其通道配置、配置加載、STOF包接收、數(shù)據(jù)偏移修改、異步流數(shù)據(jù)收發(fā)等功能進行驗證測試；控制計算機中對其配置加載、STOF包的配置發(fā)送、異步流數(shù)據(jù)收發(fā)、節(jié)點同步等功能進行驗證測試；總線監(jiān)控中對其網絡數(shù)據(jù)異步流包、STOF包以及總線復位的數(shù)據(jù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)過濾等功能進行測試；同時在該總線中加載完整的通信配置表進行總線模擬仿真測試。

    (3)總線容錯

    總線容錯測試中通過仿真設備進行數(shù)據(jù)錯誤故障注入以及總線競爭等異?？偩€通信功能測試。

    (4)加載維護

    加載維護測試中主要測試總線節(jié)點信息的管理及加載功能，測試包括：節(jié)點標識、節(jié)點網絡狀態(tài)以及進行遠程節(jié)點配置表及邏輯文件加載測試。

    基于上述總線仿真測試環(huán)境，分別對總線系統(tǒng)中的遠程節(jié)點、控制計算機、監(jiān)控節(jié)點的功能及性能進行全面有效的測試，同時通過在實驗室組網模擬機載系統(tǒng)工作，并且接入到機載網絡中模擬其中的總線控制節(jié)點。經過大量的試驗及系統(tǒng)聯(lián)試，結果表明仿真設備的功能、性能均滿足試驗驗證需求。

3 結論

    本文就1394總線三節(jié)點仿真設備的設計與實現(xiàn)技術進行了研究，從硬件、邏輯及軟件等方面進行了分析。通過搭建1394總線地面仿真驗證環(huán)境，實測設備的各項功能、性能指標，完成總線系統(tǒng)綜合化仿真測試。

    經大量試驗驗證表明，該產品相比于國內外同類產品集成度高，通用性強，在仿真應用中有效降低了實驗成本，提高了驗證效率，進而為在地面仿真環(huán)境下構建1394總線系統(tǒng)提供了強有力的保障，可以推動1394總線通信技術在機載系統(tǒng)中的應用，對于進一步研制和開發(fā)1394總線具有重要意義。

參考文獻

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