支持多種航電通信協議系統的設計

郭良帥 宗竹林

(電子科技大學 成都 611731)

1 引言

在航電系統發展中，先后出現了多種通信協議。其中，于上世紀七十年代制定的MIL-STD-1553B［1］(以下簡稱 1553B)是目前應用最為廣泛的航電通信協議之一，現有的大量航空電子設備都是基于1553B的，在軍用航電領域尤其如此。1553B總線結構簡單，性能穩定，傳輸速率為1Mb/s。然而在近20年航電設備的發展中，出現了越來越多對通信速率有著很高要求的新應用，如視頻及高清圖像的實時傳輸等。這些新應用常常需要幾百M甚至更高的帶寬，1553B無法滿足這些應用。為突破這一瓶頸，研究者們將已在局域網存儲領域廣泛應用的光纖通道(Fibre Channel，FC)技術引入到航電領域，并制定了相應的子協議FCAE(Fibre Channel— Avionics Environment)。由于光纖通道技術可以支持1G、2G、4G甚至10G的帶寬，并且有極強的抗干擾能力［2］，因此可以滿足未來航電設備高速互聯的要求。另外為了兼容已有的1553B設備，研究者們開發了上層協議FC-AE-1553B來支持將1553B設備接入光纖通道網絡。在這種背景下，對1553B、FC-AE和FC-AE-1553B三種航電通信協議進行綜合研究無疑對航電系統的發展有著重要的意義。然而，目前航電協議相關的通信板卡產品中，僅1553B板卡較多，而FCAE板卡較少，FC-AE-1553B板卡幾乎沒有。為解決這一不便，給航電通信協議的研究和開發工作提供更好的支持，本文中設計了一種可以運行這三種協議的板卡，并詳述了如何基于此板卡搭建航電網絡通信系統。

2 系統架構

該系統按功能劃分為兩部分:協議通信和數據測試。系統將配備了相應通信接口的硬件開發板作為網絡終端，并按照相應的網絡拓撲將多個開發板相連，組網完成協議通信;網絡上的實時通信數據由開發板通過PCIE、Ethernet接口發送給計算機并進行測試。整個系統的架構如圖1所示(本文以方格紋飾的方框代表開發板)，可以看出，開發板的設計是系統實現的關鍵。

圖1 系統架構框圖

開發板采用“FPGA+外圍通信接口”的結構見圖2。開發板通過四條通信鏈路——1553B通路、FC通路、Ethernet通路、PCIE通路分別與1553B總線、光纖通道網絡、計算機PCIE卡槽、計算機網口相連。

圖2 硬件開發板結構框圖

開發板的組成器件及選型依據如下:

a.FPGA選用的是Xilinx公司Virtex-5系列的芯片 XC5VFX70T［3］，封裝為 FF1136。此 FPGA 芯片工藝先進，片內資源豐富:可配置邏輯資源達11200個Slice，36Kb的 Block RAM 共148個，Distributed RAM共820Kb。根據Xilinx的開發軟件ISE的仿真結果，該芯片的邏輯資源可以滿足三種協議的要求。芯片內置有3個PCIE端點模塊，4個10/100/1000Mbps Ethernet MAC，1個PowerPC 440處理器，這些IP核將有助于簡化開發過程。另外，該FPGA的高速串行收發器(GTX)速度可達6.5Gbps，因此可以支持1G、2G、4G的光纖通道。

b.1553B接口由 HI-1575加 DB2725組成。HI-1575是HOLT公司的一款1553B總線收發器芯片，內置有Manchester II編解碼器，IO寬度16bit，它通過總線隔離變壓器DB2725與1553B總線耦合起來。HI-1575僅僅是總線收發器，1553B協議處理由FPGA來完成。

c.光纖通道接口采用的是Source Photonics公司的一款速率為2.125Gbps的SFP，型號為SP-TRLX-CDFA。SFP是一種用于光纖通道的串行收發的光電轉換模塊。由于SFP封裝的兼容性以及易插拔的特點，以后在需要時可以方便地更換為更高速率的SFP。FC協議處理由FPGA完成。由于FC有三種不同的網絡拓撲結構，故FPGA中FC協議處理模塊的實現要考慮所應用的具體網絡結構。

d.Ethernet接口由 MAC、PHY、變壓器、RJ45 依次連接組成。其中，MAC通過調用FPGA內置的MAC核實現。PHY采用Marvel的88E1111，可配置為三種速率模式:10/100/1000Mbps。變壓器與RJ45用HFJ11-1G02實現，它是一種內置了變壓器的RJ45。當開發板接入的是低速網絡時，計算機可以通過Ethernet獲取實時通信數據。例如在1553B協議下，總線上數據傳輸速率只有1Mb/s，Ethernet完全可以滿足要求，并且簡單易用。

e.PCIE接口由金手指和FPGA內置的PCIE端點組成，使用時需要在操作系統上編寫相應的驅動程序。PCIE單通道最大數據帶寬500Mbps［4］。當開發板接入光纖通道網絡時，數據傳輸速率將達2G左右，此時開發板與計算機的通信必須通過PCIE接口。本開發板采用的是8通道的PCIE，即單向最大數據帶寬4Gbps，這樣不但可以滿足現在的應用要求還為系統留下了很大的升級空間。

f.為了暫時存儲通信時產生的數據，并考慮到此過程的高速性，開發板上配置了一塊高速雙端口靜態存儲器CY7C0852，它可以同時進行數據的讀和寫，最高時鐘頻率為167MHz，容量為4Mbit，數據寬度32位，可以滿足系統應用。

3 系統功能

基于此開發板搭建系統，可以實現1553B網絡通信、FC-AE網絡通信、1553B網絡與FC-AE-1553B網絡的相互通信，并可以通過計算機接口完成數據測試。

3.1 基于1553B協議的通信

1553B是一種命令/響應式總線協議，其終端包括一個BC和若干個RT［5］。開發板可以用作一個1553B終端，并配置為BC或RT，兩者僅在協議處理模塊有所不同。如圖3所示。

圖3 用開發板搭建的1553B網絡

數據讀入過程:1553總線上的信號由DB2725耦合后發給HI-1575，經過曼徹斯特解碼(如果是接收則是編碼)以及串并轉換(如果是接收則是并串轉換)后，通過16位IO總線發送給FPGA的“1553B協議處理”模塊進行相應的處理。在此過程中，FPGA中的數據可以通過Ethernet發送給計算機進行測試。數據發送過程大致相反。

3.2 基于FC-AE協議的通信

作為FC的子協議［6］，FC-AE與FC的網絡拓撲結構完全相同。FC有三種拓撲:直接相連的點對點式、首尾依次相連的仲裁環式、通過交換機相連的交換式。在點對點及交換式結構中，終端被稱為NPort，在仲裁環結構中終端被稱為NL-Port。開發板可以配置為N-Port，也可以配置為NL-Port，兩者在FPGA的“FC-AE協議處理”模塊會有所不同。用開發板搭建的FC-AE網絡如圖4所示。

圖4 用開發板搭建的FC-AE網絡

數據讀入過程:FC-AE網絡上的信號由SFP讀入并完成光電轉換，然后通過GTX(高速串行收發器)接口讀入FPGA并完成串并轉換，接著數據被送入“FC-AE協議處理”模塊。處理后的數據被寫入雙端口的SRAM中，等待被發送回FC-AE網絡或者由“PCIE控制器”模塊讀出然后通過PCIE金手指接口發送給計算機進行數據測試。數據發送過程大致相反。

3.3 基于FC-AE-1553B協議的通信

為了將已有的1553B設備接入光纖通道，研究者們制定了上層協議FC-AE-1553B。與1553B一樣，FC-AE-1553B也是一種命令/響應式總線，其終端包括至少一個NC，若干NT以及協議橋［7］，網絡拓撲結構主要有“仲裁環式”和“交換式”兩種。FCAE-1553B通過協議橋將1553B設備接入光纖通道。開發板可以配置為不同的終端，如圖5所示，開發板1是1553B的終端，開發板2被配置為協議橋，開發板3、n配置為NT，開發板4配置為NC。NC和NT的結構組成僅在“協議處理模塊”有所不同。協議橋具有雙重身份——1553B上的 BC和 FC-AE-1553B上的NT，其“協議轉換”模塊負責完成1553B格式與FC-AE-1553B格式之間的數據轉換。當FCAE-1553B網絡自有的終端通信時，其過程與FC-AE相似;當FC-AE-1553B與1553B網絡通信時，則需通過協議橋，具體過程如下:

數據從1553B網絡到FC-AE-1553B網絡的過程:開發板1(RT)將數據編碼后以串行信號形式發送到1553總線上，開發板2(BC)將總線上的這些信號由變壓器DB2725耦合至收發器芯片HI-1575，曼徹斯特解碼和串并轉換完成后，通過16位IO總線將數據發送給FPGA的協議轉換模塊進行從1553B到FC-AE-1553B的轉換，在處理過程中產生的數據被暫存于雙端口SRAM中，協議轉換完畢后數據從SRAM讀出并進行并串轉換，再經GTX接口發送給SFP做電光轉換，最后發送到FC-AE-1553B網絡上。

數據從FC-AE-1553B網絡到1553B網絡的過程大致相反。在數據收發和轉換的過程中，所有的RT、協議橋、NC和NT均可以通過PCIE及Ethernet將實時數據發送給計算機進行測試。

圖5 1553B網絡與FC-AE-1553B網絡的橋接

4 結束語

航電系統的綜合化發展方向，對航空總線的性能提出了很高的要求。光纖通道以其優異的性能將逐步取代1553B成為新一代航電設備互聯標準。為了解決更新換代過程中產生的“兼容問題”，推動航電系統的平滑升級，研究者們在光纖通道的基礎上定義了FC-AE-1553B協議來規范1553B設備接入光纖通道的方法。因此綜合研究多種協議對新型航電系統的研發有著重要的意義。本文中設計的開發板可以配置成三種協議網絡拓撲中的任何終端——1553B中的BC和RT，FC-AE中的N-Port和NL-Port，FC-AE-1553B 中的 NC、NT 和 Bridge(協議橋)，并可以很容易地組網完成通信。同時，開發板上的PCIE與Ethernet接口使得開發人員可以在計算機上方便地對通信數據進行實時測試。開發板上的大容量FPGA設計使得開發人員還可以開發或測試其他基于光纖接口的新型協議。這將對新型航電設備的發展起到一定的積極作用。

［1］Department of Defense，Aircraft internal time division command/response multiplex data［S］.1978.

［2］許亞軍，張曉林，熊華鋼.FC互聯的可靠性建模［J］.北京航空航天大學學報，2005，(31)5:539-543.

［3］Xilinx.Virtex-5 Family Overview［S］.www.xilinx.com.2009，1-13.

［4］PCISIG.PCI ExpressTM Base Specification Revision 1.1［S］.www.pcisig.com.2009，1-13.

［5］ 徐麗清.1553B總線接口技術研究及FPGA實現［D］.西安:西北工業大學，2006.

［6］張偉.航空電子系統中的光纖通道技術研究［D］.西安:西北工業大學，2006，26-28.

［7］ 饒新益.FC-AE-1553B協議橋的研究［D］.成都:電子科技大學，200，9-43.