基于ＣＰＣＩ的１５５３Ｂ總線通信模塊的設計與實現

摘 要：提出一種基于CPCI總線的1553B通信功能模塊的硬件設計實現方法，其中控制邏輯在FPGA中編程實現。首先介紹CPCI總線、1553B總線。接著描述硬件系統設計實現方法及本設計中所采用的CPCI協議接口芯片PCI9030，1553B協議接口芯片BU-61580等芯片的接口信號及控制寄存器。最后，給出PCI9030，XC3S400和BU-61580接口芯片實現接口的硬件原理圖。

關鍵詞：CPCI；1553B；PCI9030；XC3S400；BU-61580

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-082-03

Design and Implement of 1553B Communication Module Based on CPCI

ZHAI Wenyan，ZHANG Suinan

(Xi′an Microelectronic Institute，Xi′an，710075，China)

Abstract：This article presents a solution of designing the functional module of the 1553B communication on the basis of compact PCI bus，and the control logic is conveniently implemented by programming on the FPGA.At first it breifly introduces CPCI bus and 1553B bus.Then，it describes the solution of hardware system′s design，the signals and the control registers on the chips of PCI9030 and the BU-61580，which involve in this article.At last it provides the structural diagram of this hardware system′s design on the interface chips of the PCI9030，the XC3S400 and the BU-61580.

Keywords：CPCI;1553B;PCI9030L;XC3S400，BU-61580

1 引 言

某發控計算機是某型號末端反導導彈武器發控單元的主要設備，該發控計算機的主要功能是用于自動控制完成某型號末端反導導彈武器系統多彈發射任務。發控計算機和彈上計算機通過1553B總線進行信息交換。由于CPCI總線具有高開放性、高可靠性、可熱插拔性，適合于實時系統控制、實時數據采集、軍事系統等模塊化及高可靠度、可長期使用的應用領域。并且CPCI是基于PCI電氣規范開發的高性能工業總線，CPCI總線系統所使用的操作系統、驅動和應用程序和桌面的PCI總線系統兼容^[3]，因此構建CPCI總線平臺的發控計算機，滿足各性能需求，并具有更堅固、更可靠、模塊化、易使用、易維護等諸多優點。本文所介紹的基于CPCI總線的1553B通信功能模塊的設計實現，即是該武器發控計算機中的一個模塊單元。

2 CPCI總線和1553B總線協議簡介

2.1 CPCI總線協議簡介

Compact PCI簡稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國際PICMG協會于1994年提出的一種總線接口標準。Compact PCI技術是在PCI技術基礎上經過改造而成，與PCI總線的電氣規范相兼容，并與歐規卡、高性能連接器的機械結構相結合，具有抗震性能好、高可用性等優點，非常適合于工業現場應用。由于具有熱插拔和冗余設計能力，可以構建高可用性系統，滿足電信、數字通信、軍事裝備等各領域的要求。

CPCI^[1]的主要特征如下：具備33 MHz和66 MHz的PCI性能，支持32位和64位的數據傳輸，在33 MHz下每個總線段支持8個CPCI插槽，而在66 MHz下每個總線段支持5個CPCI插槽，有3U和6U兩種板卡大小規格，IEEE歐規卡包裝，總線由系統進行管理。

2.2 1553B總線協議簡介

1553B總線是MIL_STD_1553B的簡稱，其全稱是飛機內部時分制指令響應式多路傳輸數據總線。由于其傳輸速率高、設備之間連接簡單靈活、噪聲容限高、通信效率高而且可靠，為美軍標所采用，將其作為機載設備相互通信的總線標準。從推出到現在，1553B總線技術在不斷改進。目前1553B總線已經成為在航空航天領域占統治地位的總線標準。

1553B^[2]總線是一種集中式的時分串行總線，其主要特點是分布處理、集中控制和實時響應。其可靠性機制包括防錯功能、容錯功能、錯誤的檢測和定位、 錯誤的隔離、錯誤的校正、系統監控及系統恢復功能。采用雙冗余系統，有2個傳輸通道，保證良好的容錯性和故障隔離。

1553B^[2]總線為多冗余度總線型拓撲結構，具有雙向傳輸特性，其傳輸速度為1 Mb/s，傳輸方式為半雙工異步方式，采用曼徹斯特Ⅱ型碼。數據總線耦合單元用于將主總線與各個終端隔離，1553B標準規定了2種數據總線接口方式：一種為直接耦合短接方式；另一種為變壓器耦合短接方式。數據傳輸距離較遠時選用變壓器耦合方式，傳輸介質采用屏蔽雙絞線。

1553B總線采用指令/響應型通信協議，他有3種終端類型：總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監視器（MT）。BC的主要功能是為總線上所有的傳輸提供數據流控制；RT主要工作是完成子系統的數據輸入/輸出的傳輸；MT的主要功能是監聽所有的消息，并隨即從數據總線上收集數據。一般情況下，這3部分通過一個多路總線接口（MBI）完成，可把MBI嵌入計算機內。該總線有10種基本的消息傳輸格式，每個消息至少有2個字，最多包含32個字，字格式包括命令字、數據字、狀態字，每個字長20 b，其中16個信息位，3個位長的同步頭和一個奇偶校驗位，其中命令字和狀態字的同步頭相同。每次的消息發送接收都是由BC啟動并控制實現。整個總線結構中同時只能有一個總線控制器。

3 硬件系統設計方案及原理圖

3.1 系統設計方案

3.1.1 CPCI總線接口的設計

CPCI^[1]總線是將PCI總線和歐規卡的機械結構相結合發展而成的。因此在設計上需要注意其與PCI總線的機械特性差別，其協議規范的工作原理與PCI總線基本相同。實現PCI接口的方案一般有2種：采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實現PCI接口的最大好處是比較靈活，可把PCI時序模塊和功能模塊結合在一起，可以利用的器件例如有Altera公司的CPLD器件或Xilinx公司的FPGA器件等，其開發設計難度相當大、周期也相當長。而采用專用接口芯片則具有較低的成本和很高的通用性，能有效降低接口設計的難度，縮短開發周期。因此，本設計中的CPCI總線接口就是采用第2種設計方法，選用通用的接口芯片PLX公司的PCI9030實現CPCI總線的接口連接。下面詳細介紹PCI9030的功能特性及應用操作。

PCI9030^[3]芯片有的主要特點為：與PCI r2.2兼容，支持32位，33 MHz的目標接口，突發的PCI傳輸速率可達132 MB/s；局部總線支持高達60 MHz的操作，突發速率可達240 MB/s；支持熱插拔技術；支持3.3 V/5 V的PCI和局部信號線的驅動；3.3 V的CMOS器件。

PCI9030具有很大的智能性和靈活的特征。可編程的局部總線支持復用和非復用的32位地址/數據總線，可動態的控制局部總線訪問8，16，32 b位寬的設備；支持5個PCI到局部總線的地址空間，空間0，1，2，3和可擴展ROM取；提供4個可編程的片選信號；還提供一個三線的串行E2PROM接口。

PCI9030作為主機的從目標設備，同時對于局部總線而言是主設備。局部總線為PCI總線和非PCI設備（如存儲器設備和外設等）之間提供一條數據通路。并且PCI9030作為局部總線的主設備，可以智能的完成局部總線和內部寄存器、內部FIFO之間的數據傳輸。PCI9030提供的5個地址空間可通過設置與其相關的配置寄存器來確定局部總線的特征。

在上電復位后，PCI的復位信號將PCI9030的內部寄存器復位， PCI總線和局部總線也處于復位或高阻狀態，PCI9030檢測串行E2PROM，并將其內容加載到PCI9030中。PCI9030的內部寄存器主要包括PCI配置寄存器、局部配置寄存器、電源管理寄存器、熱插拔寄存器、VPD寄存器。串行E2PROM選用4 kb大小的93C66進行配置。

3.1.2 553B總線接口的設計

1553B總線系統構成的關鍵是1553B總線接口協議芯片。隨著電子技術的不斷發展，世界上許多集成電路廠家和公司，不斷開發和生產出集成度很高、通用性很強的1553B總線接口協議芯片，所以組成1553B總線系統的方法也很多。而本文采用的是由美國數據設備公司（DDC）生產的BU-61580接口協議芯片構成1553B總線系統的方法。下面詳細介紹BU-61580×6的功能特性及應用操作。

BU-61580×6芯片有^[4]如下的特點為：完全集成化1553B總線標準的接口終端；具有靈活的存儲器/處理器接口；共享的標準4 k×16RAM緩沖存儲器；BC/RT/MT一體化設計；先進的BC特性；先進的RT特性；電磁兼容性滿足軍用標準；電源支持單+5 V。

BU-61580×6芯片具有較強的智能性，一般情況下不需要增加微處理器來協助工作即可完成總線通訊任務。在進行總線通訊時，主機只需要初始化其內部共享RAM中的相關數據結構和需要發送的數據信息，對其內部的寄存器進行適當的編程，就可以自動地完成1553B總線的消息傳任務。在進行總線的傳輸過程中，BU-61580×6自動地按照一定的順序訪問內部共享的RAM區，而不影響主機的工作。一個消息完成后能夠記錄該消息傳輸完成的狀態，并可以在主機的控制下，對使能的中斷產生中斷信號向主機報告相應的狀態信息。從BU-61580×6芯片到1553B總線之間傳輸采用變壓器耦合方式，將芯片的發送端或接收端的2個峰峰電壓為11.6 V的傳輸信號連接到隔離變壓器B-3067上，輸出2個峰峰電壓為20 V的傳輸信號到連接器上。

3.1.3 電源模塊的設計[GK!6]

由于BU-61580的工作電壓是單+5 V，而PCI6030的核工作電壓是+3.3 V，為方便在功耗小、體積小的條件下實現其他功能的擴展，及本板卡上邏輯控制的可修改性，選用一片XILINX的FPGA來實現，而FPGA需要多個工作電壓，如+3.3 V， +2.5 V，+1.2 V。關于電源模塊的設計，TPS703xx^[5]類器件提供雙輸出電壓調整器，適合于ASIC，FPGA，TI DSP等數字應用的電源管理。

本設計選用TPS70345提供+3.3 V和+1.2 V電壓，TPS70358提供+2.5 V電壓。[HK]而各器件的輸入/輸出信號線的驅動電壓是+3.3 V或+5 V，這2種不同電壓驅動下的器件之間的信號連接經過SN74ALVC164245進行電平轉換，通過DIR[TX-]，OE[TX-]端選擇設置信號流向。

3.2 原理圖設計

基于CPCI的1553B通信功能卡的整體設計思想是選取通用的CPCI總線及1553B總線協議接口通信控制器芯片，通過編程FPGA內部的邏輯控制電路，實現主機通過CPCI總線對1553B總線的控制和訪問，主機可根據需求修改BU-61580內部寄存器內容將其設置成BC/RT/MT的任何一種工作模式，并按照BC/RT/MT方式下BU-61580內部存儲器的不同組織結構定義對其進行存儲訪問。基于CPCI的1553B通信功能卡的原理圖設計框圖如圖1所示。

4 結 語

本文主要介紹基于CPCI總線的1553B通信功能板卡的硬件原理圖的設計思想，采用通用的總線智能接口器件搭建，實現簡單明了。而由于本板卡的設計基于CPCI總線，因此具有很好的總線架構，總線傳輸速率高，且其良好的機械結構具有較高的抗震性能及高可靠性等優點。該板卡的設計已成功用于構建某武器的發控計算機中，實現了和其他計算機進行高可靠、雙冗余的數據通信。

參 考 文 獻

［1］PIMG 2.0 R3.0 Compact PCI Specification，1999.

［2］ACE/Mini-ACE Series BC/RT/MT Advanced Communication Engine Integrated 1553 Terminal BU-65170，BU-61580，BU-61585，BU-65620 and BU-65621 User′s Guide.

［3］PCI 9030 Data Book，Version 1.4，PLX Technology，2002.

［4］BU-65170/61580 and BU-61585 MIL-STD-1553A/B Notice 2 RT and BC/RT/MT，Advanced Communication Engine(ACE) Data Book.

［5］TPS70345，TPS70358 Data Book.

作者簡介 翟雯艷 女，1981年出生，在讀碩士研究生。研究方向為嵌入式高速計算機技術。

張遂南 博士，高工。研究方向為嵌入式高速計算機技術。