基于復雜協議的硬件實裝代理硬件設計

許文騰, 柳中華, 袁 剛

(92941部隊93分隊,葫蘆島 125000)

基于復雜協議的硬件實裝代理硬件設計

許文騰, 柳中華, 袁 剛

(92941部隊93分隊,葫蘆島 125000)

現代戰爭特點是成體系作戰,單一武器性能的檢驗試驗已不符合潮流。檢驗武器裝備體系對抗能力成為試驗的關鍵,為了更好地完成海軍武器裝備試驗任務,海軍靶場需要充分調動現有資源完成任務。目前海軍靶場擁有種類繁多的基于各類通訊協議的實物資源,為充分利用各種現有實裝資源,開展虛擬資源與實際資源之間互操作,必須將現有各種實物資源進行標準化封裝,采用軟件或自動化接口技術,使其接口符合內外場聯合試驗通用規范,轉換為靶場采用的試驗體系結構中的試驗資源。本文介紹了基于復雜協議的硬件實裝代理總體設計,并詳細介紹了各類接口的設計。

復雜協議; 硬件代理; 聯合試驗; 仿真

1 引 言

隨著新軍事變革的不斷推進,未來作戰形式的轉變給武器裝備提出了更高更新的要求,武器裝備不僅要具有良好的戰術技術性能,同時也必須具備充分的戰場環境適應能力和裝備體系整體對抗能力。因此新型武器裝備能否在實戰使用之前的真實作戰能力和滿足戰場需求的程度做出全面的評價和鑒定,將在未來作戰中對戰局產生重大影響。為了能夠在武器裝備投入實戰之前就準確掌握其真實作戰能力和戰爭環境適應程度,比較合理的方法就是人為制造一個假設的戰場對武器裝備的作戰使用性能進行試驗與鑒定,也就是在近似實戰條件下對武器裝備進行全面的綜合性試驗,即作戰試驗[1]。內外場聯合試驗系統采用類似HLARTI的“發布—訂購”數據交互機制和系統封裝集成機制[2],將艦平臺實裝、外場電磁干擾設備、外場目標模擬設備以及靶場指控、測控系統整合到一個內外場合成的虛擬試驗環境,利用“虛擬打靶”(也稱“仿真交戰”)方式開展艦載導彈全系統、全要素、全流程的內外場聯合試驗。為把現有資源整合在一起就需要有代理設備,而本文主要對硬件代理進行了設計。

2 基于復雜協議的硬件實裝代理總體設計

整個內外場聯合試驗系統由多臺計算機或其他資源通過網絡連接組成,連接的資源都可以

作為一個獨立成員加入系統,成員之間通過用中間件進行資源對象的訂購發布機制來實現數據交互,每個成員都能獨立地向其余成員進行對象或屬性的訂購與發布,通過硬件實裝代理的實物資源作為試驗系統中獨立成員。實物資源通過硬件實裝代理參與試驗的方式如圖1所示。

圖1 實物資源通過硬件實裝代理接入試驗系統示意圖Fig 1 Actual resources connection with test system via hardware agent of real weaponry

硬件實裝代理的總體方案如圖2所示。

圖2 硬件實裝代理總體方案框圖Fig 2 Outline design for hardware agent of real weaponry

硬件實裝代理集成了1553B、RS422/485、ARINC429、CAN總線和網絡接口這5種通訊接口,實物資源向試驗系統發送狀態參數時,將這些數據按照相應的通訊協議發送給設備相應的通訊模塊,通訊模塊對接收數據進行解析得到硬件協議格式的有效數據。

不同通訊模塊解析出的數據以32位、16位、8位等不同數據長度進行緩存,多種數據長度導致以字節為單位的協議識別不方便進行。因此,設計數據拆分模塊,將這些數據先拆分成單個字節,然后送入協議識別模塊。協議識別模塊將數據與事先存儲的協議幀頭內容進行并行匹配,查找源協議號,識別成功后,輸出中斷通知信號,通知協議轉換模塊到相應地址讀取數據和源協議號。

協議轉換模塊和中間件模塊是整個硬件實裝代理的核心功能模塊。協議轉換模塊通過對協議數據進行元素值提取和函數處理等操作,完成實物資源的硬件應用協議和試驗系統的對象模型之間的相互轉換。中間件模塊提供加入退出系統、訂購發布數據等中間件的基本功能,支持硬件實裝代理作為獨立設備加入試驗系統進行數據交互。同時,中間件模塊還負責整個設備的線程調度、命令對應、命令分發和狀態監測等,是整個設備的控制器。

協議加載模塊用來加載對象和協議關聯文件,對象和協議關聯文件里描述了硬件協議和對象模型各自的格式以及他們之間的映射關系,協議轉換需依照這個映射關系進行。協議存儲模塊用來存儲對象和協議關聯文件,硬件實裝代理上電復位后將從協議存儲模塊里加載關聯文件,這樣只要硬件協議和對象模型之間的對應關系不變,就不用重新從上位機加載對象和協議關聯文件,減少內外場聯合試驗創建流程,提高試驗系統構建效率。

3 硬件電路總體設計

硬件實裝代理的硬件電路如圖3所示,硬件實裝代理需要通過以太網接入試驗系統,因此設備硬件設計了以太網絡接口。同時為了同實物資源進行通訊,板卡需要集成1553B、RS422/485、ARINC429、CAN總線和網絡接口等接口電路[3-5]。因為通訊協議接口通常采用FPGA+電平轉換芯片或協議芯片來實現,所以板上需要集成FPGA等可編程邏輯器件,同時硬件方式實現協議識別也可以采用邏輯電路的設計。板上的主處理器選擇用DSP,其內部實現協議轉換和中間件功能,這要求處理器芯片有較強的數字信號處理及算法能力,并且支持實時操作系統和多線程運行。設備上還有一般板卡上常用的硬件資源,如電源、時鐘、復位電路、SDRAM以及FLASH等。

圖3 硬件實裝代理硬件框圖Fig 3 Hardware structure for hardware agent of real weaponry

選材上,DSP設計選用美國德州儀器(TI)的TMS320DM642芯片,該芯片性能優秀,支持32位定點運算,有豐富的硬件資源,支持多重外圍接口,能運行實時操作系統DSP/BIOS,可以滿足需要。FPGA方面,選用Altera公司的Cyclone V系列芯片中的EP5CFC7C6F23I7,它比前幾代Cyclone系列芯片功耗更低但性能更高,內部能實現多種知識產權模塊(IP核),尤其是千兆以太網的模塊,配合FPGA的使用,選擇128Mb的EPCS128配置芯片,用于存儲FPGA邏輯。另外還選用32MB SDRAM和2MB FLASH作為存儲器芯片,SDRAM用于程序和數據的緩存,FLASH用于保存DSP程序及相關配置文件,包括對象和協議關聯文件。

4 接口電路設計

4.1 RS422/485接口電路設計

RS422和RS485的電路原理基本相同,主要區別是接口信號電平標準和收發模式不同,RS422的共模輸出電壓為-7V至+7V,而RS485的共模輸出電壓為-7V至+12V,RS485的電壓能完全兼容RS422,因此,在硬件代理電路設計中兩者使用同樣的電平轉換芯片,MAXIM公司的MAX485。

RS422通信方式為全雙工通信,而MAX485芯片工作模式為半雙工,因此RS422的一個通道需要兩片MAX485芯片。RS485為半雙工通信,一個通道只需要一片MAX485芯片,設計的RS422/485復用電路如圖4所示。

圖4 RS422/485復用電路硬件連接圖Fig 4 Hardware connection for composite circuit ofRS422/485

這個電路采用兩片MX485實現了一個通道RS422和一個通道RS485的復用。MAX485有兩個使能端/RE和DE端,當/RE為低電平輸入時,器件工作于接收狀態;當DE為高電平輸入時,器件工作于發送狀態。因此,從FPGA輸出485CTRL控制信號到/RE和DE端,通過485CTRL信號的高低電平變化控制MAX485在發送和接收狀態之間的切換,這樣即可實現一個通道RS485的半雙工通信。當作為RS422模式工作時,485CTRL固定輸出高電平,使該MAX485芯片作為RS422的發送端,它的輸出引腳和RS485的輸出引腳復用。另外一片MAX485作為RS422的接收端,將/RE和DE端固定接地,這樣實現了一個通道RS422的全雙工通信。

選用HCPL0631和HCPL063L芯片,對通訊信號與FPGA進行隔離。這兩款光電耦合器具有良好的抗共模干擾能力,并支持高頻的信號傳輸。采用光耦隔離的設計既能保護設備的控制電路,又不影響數據傳輸,增加了系統安全性和穩定性。

4.2 1553B接口電路設計

1553B接口電路采用如圖5中的FPGA+驅動芯片的設計,這種設計在FPGA內實現1553B的協議處理器、曼徹斯特編碼器和接口邏輯等,配合驅動芯片完成1553B的接口功能。較使用專用的協議芯片實現1553B接口功能,這種方法成本更低,而且系統靈活性更強。1553B接口和總線電纜的連接方式有兩種,直接連接和隔離連接,相比之下,采用隔離變壓器和耦合變壓器的隔離連接的方式比直接匹配的方式更有利于阻抗匹配和故障隔離,因此選擇隔離連接方式。驅動芯片選擇HOLT公司的HI-1573,這款芯片功耗低,支持1Mbs通信碼率,滿足標準1553B總線協議規定,是符合1553B特定要求的雙路收發器。1553B采用雙冗余模擬收發通道設計,這種設計保證1553B接口通信時具備良好的容錯性,因此有模擬通道A和模擬通道B,每個模擬通道通過隔離變壓器B_3067和66針連接器相連。

圖5 1553B接口電路硬件連接圖Fig 5 Hardware connection for 1553B

4.3 ARINC429接口電路設計

ARINC429也采用FPGA邏輯實現協議編解碼和收發控制,其接口電路設計如圖6所示。ARINC429協議傳輸采用雙極型歸零的三態碼方式,用雙絞屏蔽線的兩數據線間的差分電平來表示數字信號的‘高’、‘零’和‘低’,兩線電平為+5V和-5V時表示‘高’,‘低’時正好相反。數據線上的±5V電平和FPGA所采用的3.3V TTL電平不兼容,因此ARINC429接口電路也需要使用電平轉換芯片。電平轉換芯片選擇HI-8444和HI-8585。HI-8444是接收芯片,提供4路接收通道,將接收到的ARINC429的±5V電平轉換為3.3V TTL電平。HI-8585是發送芯片,將FPGA發送的3.3V TTL電平轉換為±5V電平,使用2片HI-8585。為了保護電路和避免共模干擾,ARINC429接口設計中也采用HCPL0631和HCPL063L芯片進行光耦隔離。

圖6 ARINC429接口電路硬件連接圖Fig 6 Hardware connection for ARINC429

4.4 CAN總線接口電路設計

CAN總線的電路設計和前面的RS422/485、1553B和ARINC429電路不一樣,使用專門的協議芯片實現CAN協議,協議模塊不在FPGA內部實現,因此FPGA的邏輯模塊比較簡單,只需要有控制部分邏輯。CAN總線接口電路的設計如圖7所示。

圖7 CAN總線接口電路硬件連接圖Fig 7 Hardware connection for CAN bus

協議芯片選擇獨立的CAN控制器SJA1000,這款芯片在內部實現了CAN協議的物理層和鏈路層,配合CAN收發器接口芯片82C250,能實現完整的CAN2.0B協議。82C250通過兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連,接收數據傳輸給SJA1000,SJA1000根據指令,將數據按照CAN協議格式編解碼,FPGA通過地址數據復用線和控制線對SJA1000進行指令控制和數據收發。因為SJA1000工作電壓為5V,和FPGA的3.3V TTL電平不兼容,所以FPGA和SJA1000之間的地址數據信號和控制信號需經過轉換器IDT74FCT164245進行電平轉換。CAN接口設計中也采用HCPL0631和HCPL063L芯片進行光耦隔離,保護電路避免共模干擾。

4.5 DSP網絡接口電路設計

和試驗系統連接的網絡接口電路采用了DSP+以太網PHY芯片的設計,具體電路連接如圖8所示。板卡上所采用的高速DM642 DSP芯片內部有一個符合IEEE 802.3標準的10/100Mbs以太網接口EMAC,它實現以太網通信的數據鏈路層,而物理層采用專門的PHY芯片實現。EMAC接口和PHY芯片之間則通過介質無關接口MII進行連接,MII接口包括數據接口和管理接口,數據接口是用于發送器和接收器的兩條獨立信道,管理接口用于監視和控制PHY芯片。因為MII接口的通信速率為25Mbs,所以DP83640接入25MHz無源晶振作為參考時鐘。PHY芯片和網口插座之間采用兩對差分信號線進行數據交互。為了實現設備通用化,PHY芯片選用National Semiconductor公司的DP83640,它支持最高100Mbs的以太網通信。網絡的物理接口選用E型網口插座HR911105A,它內部集成了網絡變壓器和RJ45接口和狀態指示燈,方便觀察接口工作狀態和調試。

4.6 FPGA網絡接口電路設計

因為DM642提供的EMAC接口只能用于實現一個網絡接口,因此和實物資源的網絡接口采用FPGA+以太網PHY芯片的設計,具體電路連接如圖9所示。這個設計中以太網通信的數據鏈路層在FPGA內實現,物理層還是由專門的以太網PHY芯片實現。FPGA和PHY芯片之間采用比MII接口速率更高的GMII接口,它的工作時鐘為125MHz,時鐘的每個上下沿跳變都發送4比特的數據,因此能實現最大1000Mbs的傳輸速率。GMII也分為數據接口和管理接口,能兼容MII的工作方式,在以GMII模式工作時,PHY芯片由FPGA提供125MHz時鐘,以MII模式工作時,PHY芯片需要自己提供25MHz時鐘,因此接入25MHz無源晶振作為參考時鐘。PHY芯片和網絡物理接口之間通過4對差分信號線連接,傳輸效率遠高于兩對信號線。該方案中選用的FPGA芯片EP5CFC7C6F23I7內部能實現Altera公司的三速以太網IP核MAC Function,這個模塊提供符合IEEE 802.3標準的三速以太網數據鏈路層接口,支持最高達1000Mbs的以太網通信速率。PHY芯片的選擇上,選擇Marvell公司的千兆以太網PHY芯片88E1111。網絡的物理接口選用HFJ11-1G02E,它內部集成了網絡變壓器模塊和RJ45接口。

圖9 FPGA網絡接口電路硬件連接圖Fig 9 Hardware connection forFPGA network interface

5 小 結

硬件實裝代理采用DSP+FPGA架構,實現了1553B、ARICN429、RS422/485、CAN以及網絡的物理接口;通過FPGA內部邏輯設計實現了通訊數據幀自動識別;利用DSP內部嵌入式軟件實現了通訊協議的自動編解碼,實現了中間件的標準化接口。

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許文騰 男(1986-),山東榮成人,工程師,研究方向為導彈武器系統仿真。

柳中華 男(1978-),湖北武漢人,工程師/主任,研究方向為導彈武器系統仿真。

Hardware Design for Hardware Agent of Real WeaponryBased on Complex Protocols

XUWenteng,LIUZhonghua,YUANGang

(Unit of 92941,Huludao 125000,China)

The characteristic of modern war is system-of-system.A single weapon performance inspection test is not conforming to the trend.Inspection equipment system against ability becomes the key to test,in order to better complete the naval weapon and equipment test task,naval range needs to give full play to existing resources to complete the task.Naval range owns a great variety of real object resources according to each kind of communication protocol.For making full use of various existing resources and mutual operation between virtual resources and actual resources,technology of software or automation should be employed to make the actual resource interface according with the standard of infield and airfield joint test.Therefore,these actual resources are converted to test resources based on the test architecture used by range.Outline design for hardware agent of real weaponry based on complex protocols is introduced,the design for each kind of interface is stated in detail.

complex protocols; hardware agent; joint test; simulation

TP 391.9

A