基于DSP的1553B總線系統設計與實現

黃長春 ，徐抒巖 ，胡 君

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院 研究生院，北京 100039）

航空電子綜合化是一種在苛刻的空間限制條件下，對密集型的航空電子子系統集合進行信息綜合和功能綜合的技術。以MIL-STD-1553B為代表的子系統聯網接口標準構成了目前航空電子綜合系統中信息交換的主干道。1553B總線接口電路是實現航空電子綜合化系統的關鍵部件，其作用是在1553B總線與現有的其他總線技術之間搭建一座橋梁，使得不同制式的信息流能夠實時、準確地進行相互轉換[1]。在1553B總線接口的研制過程中，復雜而苛刻的環境對中央處理器的實時性與可靠性提出了很高的要求，而DSP芯片以其優良的高速性能為中央處理器的選擇提供了一個較為理想的解決方案[2]。

隨著MIL-STD-1553B總線協議標準的頒布，許多公司開發了總線與CPU之間的硬件接口芯片。在實際的1553B總線工程中使用最為廣泛的是DDC公司生產的接口芯片，這些芯片完全實現了1553B總線的電氣特性協議，而且與CPU或存儲器連接非常簡單。本文探討基于TMS320F2812（以下簡稱 F2812）和DDC公司的 BU-64843協議芯片的1553B總線接口的硬件設計和軟件驅動編寫要點。

1 1553B總線

1553B總線是一種時分制指令/響應式多路傳輸數據總線，具有很高的可靠性和良好的實時性。1553B總線由4種基本硬件組成:傳輸介質、總線控制器（BC）、遠程終端（RT）、總線監視器（MT）[3]。

1553B總線采用異步、半雙工方式傳輸，傳輸速率1 MB/s。1553B總線傳輸協議規定的傳輸過程為:：BC向某一終端發送一個接收/發送指令，RT在規定的響應時間內發回一個狀態字并執行消息的接收/發送。在操作過程中BC始終掌握總線的控制權，總線上任何時候只有一個BC，但可以最多掛31個RT或MT。在總線的數據傳輸過程中，MT按要求監視總線上的數據，并將這些數據輸出或者存盤以便實時地監測這些數據的傳輸狀態或便于后續分析。1553B采用雙冗余總線，有2個傳輸通道，保證了良好的容錯性和故障隔離。如果當前總線的數據傳輸出現錯誤或故障，數據可以自動從冗余總線上傳輸。1553B總線的傳輸介質為屏蔽雙絞線。其總線結構簡圖如圖1所示。

2 系統設計方案

該系統以F2812為控制核心，與外圍輔助電路構成微計算機系統；由BU-64843協議芯片完成1553B總線的功能，BU-64843提供了豐富的資源，為軟件的設計提供了極大的靈活性和可靠性；控制和譯碼信號利用FPGA實現，FPGA器件電路連接簡單，使用方便，使用功能強大的VerilogHDL語言編程，可提高系統的維護性和擴展性。

F2812負責消息的讀取、處理、寫入和BU-64843協議芯片的初始化。通過對BU-64843的相關寄存器進行相應的配置，就可以使本接口卡工作在BC模式、RT模式或MT模式。接口卡在BC模式下實現1553B總線消息的接收，BU-64843協議芯片每接收完一個消息，就向F2812發送一次中斷申請，由F2812響應中斷并從相應的RAM區讀取接收到的消息進行相應處理，F2812同時完成與上位機的通訊，并把接收到的數據發送出去。與上位機的通訊是利用F2812的串行通信接口（SCI），本系統采用MAX485實現的。

3 接口電路的硬件設計

系統的硬件電路主要包括：DSP模塊、1553B總線接口模塊、邏輯綜合模塊。系統的結構框圖如圖2所示。

3.1 DSP模塊

DSP芯片功能強、體積小、使用方便靈活，被眾多領域廣泛應用。F2812是TI公司推出的采用高性能靜態CMOS技術的32位定點數字信號處理器，器件上集成了多種先進的外設，為現代控制領域應用提供了良好的控制核心。F2812的地址線為19位，數據線為16位。其特點有：1）采用高性能靜態CMOS技術，其供電電壓為3.3 V，采用哈佛總線結構和流水線操作，具有150 MIPS的運算能力，可單周期執行32位×32位的乘和累加操作（MAC）或雙16位×16位 MAC運算；2）片上存儲器包括128 k×16 Flash存儲器、18 k×16的片內RAM、4 k×16的Boot ROM大容量的片內RAM可滿足大多數設計要求，無需擴展片外存儲器，既降低了成本又使硬件設計變得簡潔；3）具有外部中斷擴展（PIE）模塊，可支持多達45個外部中斷，最多可達56個的可編程通用輸入/輸出（GPIO）引腳，帶有豐富的接口模塊包括2個串行通信接口（SCI）、串行外設接口（SPI）和多通道緩沖串口（McBSP），為建立信號處理平臺提供基礎[4]。

3.2 1553B接口電路

傳統的1553B接口卡設計時采用BU-61580接口芯片，采用70引腳的雙列直插式組件（DIP）封裝，5 V供電，考慮到本系統的DSP芯片F2812的I/O是3.3 V電平，所以1553B總線接口電路采用DDC公司的首款全3.3 V的1553B接口芯片BU-64843，無需電平轉換，簡化了硬件電路設計，采用該芯片80-pin陶瓷扁平封裝更加方便用戶進行硬件電路設計。BU-64843內部還集成了雙收發器邏輯、編解碼器、協議邏輯、內存管理和中斷控制邏輯，支持BC/RT/MT模式，還提供了一個4 kB的內部共享靜態RAM和與處理器總線之間的緩沖接口[5]。

BU-64843與微處理器或外部存儲器接口非常靈活，可與8位、16位多種微處理器相連接，并且可以實現無縫連接或者只需很少的粘和邏輯電路。BU-64843有2種工作模式：透明模式（TRANSPARENT）和緩沖模式（BUFFERED）。透明模式時芯片可以尋址64 KB，即可以尋址到其外部的RAM，這時需要為其配置外部RAM。一般應用透明模式時，在BU-64843協議芯片和CPU之間配置雙口RAM，而在二者的數據總線和地址總線之間需要使用隔離器。緩沖模式時只尋址其內部的4 KB字的RAM，地址單向，可直接由CPU驅動，不需要使用總線隔離器。另外，BU-64843還根據微處理器是否具有READY（握手信號）選擇零等待和非零等待方式。非零等待是指在微處理器對BU-64843進行并行總線（讀、寫）操作時，BU-64843內部邏輯電路若有操作時，微處理器需要等待BU-64843準備好。當BU-64843準備好時，就輸出READY信號。在這種情況下，應將BU-64843的READY信號接到微處理器的READY信號上，并設置微處理器的等待方式受READY控制。16位緩沖模式是最常用的接口形式，提供一個與16位或32位微處理器共享RAM的緩沖器接口，在這種接口中，BU-64843的內部地址/數據緩沖器使其與微處理器的地址/數據隔離。一般在傳輸數據量比較少，BU-64843內的4 KB RAM足夠用時，可選用16位緩沖非零等待模式。在該模式下將引腳16/8#置為高電平，TRANSPARENT/BUFFERED#置為低電平，ZERO_WAIT#置為高電平。工作在緩沖方式下，占用16位數據總線和12位地址總線，其所有的控制信號由FPGA的譯碼電路產生，通過中斷方式與F2812通信，因此BU-64843的中斷引腳INT與F2812的外部中斷XINT1連接；BU-64843總線接口有2個數據通道，通道A和通道B，這是為了保證通信的可靠性而采取的冗余設計，在實際的工程中也使用2個通道，通過軟件選擇任意通道進行數據傳輸。BU-64843通過2個耦合變壓器PM-DB2755與外部的屏蔽雙絞線連接；16 MHz有源晶振作為時鐘輸入[6]。

3.3 邏輯綜合電路

BU-64843和F2812之間的邏輯綜合電路由FPGA完成。本系統的可編程邏輯器件采用Xilinx公司Spartan-3系列的FPGA芯片XC3S400，該芯片的I/O口供電電壓為3.3 V、系統門數為40萬、最大可用I/O數為264個。邏輯綜合電路包括：地址譯碼電路、邏輯控制電路。地址譯碼電路功能是對接口卡所使用的F2812存儲器和BU-64843存儲器進行地址選擇、譯碼。譯碼程序在Xilinx ISE 9.2i環境下用硬件描述語言VerilogHDL編寫。選用FPGA作為邏輯綜合電路的另一個優點是:VerilogHDL程序的燒寫通過JTAG接口完成，除了一條燒寫線外不需要任何附加的硬件電路，因此只要硬件連接正確，其余的工作均由軟件完成，便于以后的系統升級。VerilogHDL程序根據F2812的地址總線、數據總線和片選信號，經邏輯譯碼產生BU-64843的片選信號SELECT#，寄存器和緩沖區選擇控制信號MEM/REG#。

邏輯控制電路功能是產生BU-64843所需要的控制信號以及給F2812提供中斷信號、握手信號、插入等待信號。由F2812和BU-64843向XC3S400提供地址線、數據線、中斷申請線、中斷響應線以及讀、寫信號線。

4 驅動軟件的設計

驅動程序的編寫采用C語言與匯編語言混合編程的實現方法，兼顧二者的優點，使程序既有C語言較好的可讀性和可移植性，又有匯編語言較高的效率。驅動程序的功能主要是實現BU-64843協議芯片的初始化、RAM空間的自檢、與上位機的通信、中斷響應、總線數據的讀取和發送。驅動程序從本質上說，就是根據上位機的命令和要求，控制接口卡的工作，實現系統的啟動、停止、自檢以及自檢結果的返回等，在系統啟動后主要實現1553B總線數據的接收和發送。整個驅動程序的組成如圖3所示。

4.1 初始化模塊設計

在驅動程序編制中，初始化模塊是非常重要的一部分，作為整個程序的入口，初始化模塊完成整個接口卡的初始配制，該模塊主要功能為：

1）完成對F2812初始化，設置其相關寄存器，主要是設置有關中斷和串口的寄存器，包括中斷標志寄存器（IFR）、中斷使能寄存器（IER）、中斷控制寄存器（ICR）、SCI通信控制寄存器（SCICCR）、SCI控制寄存器 1（SCICTL1）、波特率設置寄存器（SCIBAUD）等，以確定中斷源和串口的波特率、停止位等。其具體操作為：①使IFR=0x0000，IER=0x0000，關閉所有的中斷；②使IER=0x0101，開啟中斷 SCITXRXINT和中斷XINT1；③使ICR=0x001F，將中斷模式設置為下降沿觸發中斷XINT1；④使SCICCR=0x0007；設置發送和接收中使用1 bit停止位，8 bit字符長度；⑤使SCICTL1=0x0003；使能發送器 TX、接收器 RX；⑥使 SCIBAUD=0x01E7，系統時鐘SYSCLK的頻率為150 MHz，低速外設時鐘頻率LSPCLOCK為37.5 MHz時，異步串行口數據傳送波特率為9 600 b/s。BRR的數值可由下面的公式得到：

⑦SCICTL1=0x0023，使SCI退出復位。

2）完成對BU-64843協議芯片內部寄存器（主要包括開始/復位寄存器、配置寄存器1、配置寄存器2、配置寄存器3、中斷屏蔽寄存器）的初始化設置，使其能夠正確實現BC模式的功能。BU-64843對片內功能寄存器的設置順序有嚴格要求，如果順序不正確將會引起芯片初始化失敗。BU-64843工作在BC模式下的有關寄存器的配置順序如下：①將開始/復位寄存器配置為0x0001，即可對BU-64843進行軟件復位；②如果用到BU-64843增強模式，將配置寄存器3配置為0x8000；③將中斷屏蔽寄存器設置為0x0001，使消息完成中斷使能；④將配置寄存器1設置為BC模式；⑤將配置寄存器2設置為0x0008，使中斷方式為低電平中斷；⑥將開始/復位寄存器配置為0x0002，啟動BC傳輸模式。

通過對以上寄存器的配置，即可完成BC模式的操作。其初始化流程圖如圖4所示。

4.2 自檢模塊

自檢模塊主要完成對BU-64843的4 kB RAM空間的檢查，看是否出現錯誤。實現方法是向該內存空間寫入連續的數據，然后讀出來比較看是否相等，若不相等則表示有錯，記錄下所有的錯誤數并把這個錯誤數通過串行口發送給上位機。

4.3 中斷模塊

驅動程序的中斷模塊分為2部分：1）用于接收1553B總線到來的數據，響應1553B總線數據的中斷，利用F2812的XINT1，XINT1采用脈沖下降沿觸發中斷方式；2）用于接收上位機向DSP發送的命令，接收上位機的命令是通過F2812的串行通信接口（SCI）來進行的，利用 F2812的 SCITXRXINT中斷。在XINT1中斷服務子程序中設置“讀總線數據標志”，在異步串口中斷服務子程序中設置“讀串口數據命令標志”。在查詢模塊中，可以通過查詢這兩個標志，來判斷是否有總線數據到來以及是否有上位機的命令到來。

4.4 查詢模塊

在查詢模塊中，當“讀總線數據標志位”有效時，F2812就從BU-64843的命令堆棧相應地址處開始依次讀4個地址單元的內容，分別為數據塊狀態字、時間標志字、數據塊指針和接收到的命令字，根據命令字和數據塊指針到數據堆棧讀取總線數據，然后將接收到的總線上的數據轉發出去。

當“讀串口數據命令標志位”有效時，RX接收上位機的命令，根據不同的命令實現相應的功能。為了能夠保證與上位機實現可靠的握手，在查詢程序中設置了一個數據緩沖區，在查詢程序中對緩沖區中的數據進行判斷，看是否收到一幀完整的命令。若收到一幀完整的命令，則根據不同的命令設置系統的啟動、停止、自檢等相應標志，并將緩沖區中的數據依次向前移動一幀，數據指針也向前移動一幀[7]。

5 結論

本文對1553B總線協議及其接口芯片BU-64843的功能、配置進行詳細說明，并介紹了定點DSP TMS320F2812的基本性能和特點。在此基礎上實現了基于F2812和BU-64843的1553B總線接口的硬件電路和軟件的設計。BU-64843作為全3.3 V供電的1553B總線終端之一，方便與DSP芯片F2812連接。BU-64843芯片功能強大，同時設置也很復雜，因此，對接口芯片的掌握，不但要從硬件接口上入手，還要熟悉其內部寄存器的相關配置。基于DSP的1553B總線接口設計方案有效解決了通訊實時性要求高的問題，對地面電子檢測系統的應用具有參考價值。

[1]吳勇，朱建民，朱培申，等.航電綜合化系統總線接口板研究設計[J].火力與指揮控制，2001，26（3）:27-31.

WU Yong，ZHU Jian-min，ZHU Pei-shen，et al.Design of bus interface board to the integrated avionics system [J].Fire Control&Command Control，2001，26（3）:27-31.

[2]林強，熊華鋼，張其善.DSP在1553總線接口技術中的應用[J].微計算機應用，2004，25（3）:339-342.

LIN Qiang，XIONG Hua-gang，ZHANG Qi-shan.Application of DSP in the design of 1553 interface[J].Microcomputer Applications，2004，25（3）:339-342.

[3]DDC Corporation.MIL-STD-1553 designer’s guide[Z].6th Ed.2003.

[4]蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281x DSP原理及C程序開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]DDC Corporation.ACE/Mini-ACE series BC/RT/MT advanced communication engine integrated 1553 terminal user’s guide[Z].2005.

[6]鄭先成，張國俊，張曉斌.基于TMS320F2812和DSP_BIOS的 1553B 總線接口設計[J].測控技術，2008，27（7）：53-54.

ZHENG Xian-cheng，ZHANG Guo-jun，ZHANG Xiao-bin.Design of 1553B bus interface based on TMS320F2812 and DSP/BIOS[J].Measurement&Control Technology，2008，27（7）:53-54.

[7]史國慶，高曉光，吳勇，等.基于DSP的1553B總線接口卡設計與實現[J].計算機測量與控制，2005，13 （12）：1392-1394.

SHI Guo-qing， GAO Xiao-guang， WU Yong， et al.Design and realization of 1553B bus interface board based on DSP[J].Computer Measurement&Control，2005，13 （12）:1392-1394.