機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的1553B總線接口設(shè)計(jì)研究

雷婉星，曹興岡

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

機(jī)載記錄儀工作在飛行狀態(tài)，工作環(huán)境復(fù)雜多變，常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真、數(shù)據(jù)不連續(xù)和數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?553B總線是專為飛機(jī)設(shè)備制定的一種信息傳輸總線，自身傳輸效果強(qiáng)，且具有強(qiáng)大的抗干擾能力，通信靈活且可靠，冗余容錯(cuò)能力強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)。可見，實(shí)現(xiàn)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的1553B總線接口設(shè)計(jì)，對(duì)提升記錄儀準(zhǔn)確性與可靠性具有重要意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

在記錄儀設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。進(jìn)行1553B總線接口相應(yīng)模塊設(shè)計(jì)中，主要將其設(shè)計(jì)成一個(gè)具有獨(dú)立功能的單一模塊，通過(guò)自定義形式的總線接口，實(shí)現(xiàn)接口模塊與基板之間的有效連接。其中，使用的接插件型號(hào)是HJ30J-18TJWP58航空接插件[1]。實(shí)際工作中，該系統(tǒng)主要是利用1553B接口模塊接收機(jī)載計(jì)算機(jī)中相應(yīng)信息數(shù)據(jù)后反饋到記錄儀上，之后將相應(yīng)的消息數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得16位的數(shù)據(jù)字，并將該數(shù)據(jù)字向基板發(fā)送，在基板實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)字接收后，對(duì)其他相關(guān)記錄模塊實(shí)際工作實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)中，總線控制器是機(jī)載計(jì)算機(jī)，1553B總線接口模塊屬于遠(yuǎn)程終端。將遠(yuǎn)程終端地址和子地址都設(shè)定為1，通過(guò)總線控制器發(fā)送BC→RT指令進(jìn)行1553B總線實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸。記錄儀依據(jù)遠(yuǎn)程終端中自定義的相應(yīng)控制指令進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的接收。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 1553B總線接口模塊設(shè)計(jì)

1553B總線接口模塊最主要的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)載計(jì)算機(jī)和記錄儀之間相互通信的連接，能夠依據(jù)1553B總線協(xié)議對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，同時(shí)將通過(guò)解析獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)向基板發(fā)送。1553B總線接口模塊結(jié)構(gòu)中，硬件電路包括時(shí)鐘管理、電源管理、FPGA配置接口、FPGA控制以及1553B總線接口等模塊。多種模塊組成下，實(shí)現(xiàn)了硬件電路的構(gòu)建[2]。

2.1 接口模塊的硬件設(shè)計(jì)

1553B總線接口模塊由電氣接口、1553B耦合變壓器和1553B總線收發(fā)器構(gòu)成，主要功能是將1553B總線中的相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)總線變壓器實(shí)現(xiàn)碼型轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA功能模塊。1553B總線相應(yīng)電氣接口為BUSA/BUSB，屬于單通道雙冗余。這種模式實(shí)現(xiàn)通信功能的效率高，且具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，使用的主要插件是1553B總線專用的CJ450連接器。實(shí)現(xiàn)BUSA/BUSB通道和總線控制器相互連接，主要通過(guò)變壓器耦合方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)雙冗余通道中1553B相關(guān)消息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能，主要通過(guò)收發(fā)器將需要向終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線上的雙電平曼徹斯特碼直接轉(zhuǎn)換為單電平曼徹斯特碼，還可以把即將向總線發(fā)送的相應(yīng)單電平曼徹斯特碼向雙電平曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)使用了HI-1573收發(fā)芯片，其中包含兩個(gè)相互獨(dú)立的收發(fā)模塊，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 FPGA控制模塊的設(shè)計(jì)

結(jié)合記錄儀實(shí)際操作功能的具體要求，此次設(shè)計(jì)有效利用FPGA，對(duì)總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)選擇性的處理，即1553B接口模塊僅接收BC-RT類型的相關(guān)命令，系統(tǒng)響應(yīng)后返回BC端狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字[3]。這種方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)1553B相應(yīng)協(xié)議芯片的替換，價(jià)格低，有效節(jié)約了開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)了外圍電路的全面簡(jiǎn)化，電路穩(wěn)定性更強(qiáng)，設(shè)計(jì)也更具靈活性。

對(duì)FPGA相應(yīng)控制模塊進(jìn)行內(nèi)部設(shè)計(jì)，主要是對(duì)編碼器、譯碼器、協(xié)議處理以及控制功能進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。在總線上實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)南鄳?yīng)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶g碼器后進(jìn)行有效解碼，解碼出一系列相關(guān)被譯信息。之后，相關(guān)信息會(huì)被傳輸?shù)絽f(xié)議處理和控制功能模塊，由其對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行更加準(zhǔn)確的辨別和有效處理，然后結(jié)合信息相應(yīng)情況作出不同回應(yīng)。向編碼器發(fā)送獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字和字格式信號(hào)，最后通過(guò)與1553B總線相符合的數(shù)據(jù)格式，將信息數(shù)據(jù)有效傳輸至BC端。

2.2.1 設(shè)計(jì)譯碼器

在進(jìn)行譯碼器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要包括對(duì)串并轉(zhuǎn)換和奇偶校驗(yàn)、同步頭檢測(cè)和碼型轉(zhuǎn)換三個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。它主要的功能設(shè)計(jì)是把1553B總線相應(yīng)收發(fā)器中的串行數(shù)據(jù)在通過(guò)譯碼器各個(gè)模塊之后，有效提取指令字的格式、16位的并行數(shù)據(jù)、同步頭檢測(cè)和奇偶校驗(yàn)中得到的各種錯(cuò)誤信息，以此為后續(xù)模塊使用做鋪墊。

2.2.2 設(shè)計(jì)控制功能及協(xié)議處理模塊

設(shè)計(jì)控制功能及協(xié)議處理模塊的時(shí)候，主要對(duì)模塊下數(shù)據(jù)整合、協(xié)議處理以及狀態(tài)字寄存器三個(gè)模塊進(jìn)行具體設(shè)計(jì)[4]。實(shí)現(xiàn)該模塊設(shè)計(jì)主要是為了準(zhǔn)確辨認(rèn)譯碼器發(fā)送的相應(yīng)信息，并對(duì)信息加以處理，結(jié)合不同信息具體情況作出相關(guān)回應(yīng)，之后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字的準(zhǔn)確生成，并將這兩種字向編碼器傳輸與發(fā)送，同時(shí)向基板模塊發(fā)送16位的數(shù)據(jù)字。

2.2.3 設(shè)計(jì)編碼器

設(shè)計(jì)編碼器就是設(shè)計(jì)譯碼器相應(yīng)的逆過(guò)程。該設(shè)計(jì)主要是在協(xié)議處理和控制功能相應(yīng)模塊獲得16位的數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字，并在碼型轉(zhuǎn)換、并串轉(zhuǎn)換后獲得曼徹斯特Ⅱ型碼，之后進(jìn)行奇校驗(yàn)位和同步頭的相應(yīng)添加，向1553B總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用串行傳輸方式，傳輸速度為1 Mb/s。

2.3 設(shè)計(jì)其他相關(guān)硬件模塊

除了上述相關(guān)模塊，硬件模塊還有FGPA配置接口、電源管理以及時(shí)鐘管理等相關(guān)模塊[5]。設(shè)計(jì)電源管理模塊時(shí)，主要是綜合考慮不同元器件相應(yīng)供電要求后，把原先為5 V的相應(yīng)輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片將相應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成1.5 V和3.3 V的所需電壓值。進(jìn)行時(shí)鐘管理相應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)，主要是將20 MHz相應(yīng)時(shí)鐘提供給FPGA。對(duì)FPGA配置接口進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)JTAG這種配置方式進(jìn)行有效配置，其中將EPCS4N選定為配置芯片。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過(guò)地面站有效測(cè)試記錄儀。具體測(cè)試中，將包含設(shè)置1553B通信板卡相應(yīng)的計(jì)算機(jī)當(dāng)做BC端，之后把0029h自檢命令發(fā)送至記錄儀中的0001h的RT地址，同時(shí)向0001h的子地址發(fā)送，通過(guò)消息配置得到0821h的命令字。在有效發(fā)送消息命令后，記錄儀會(huì)將數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字反饋到BC端，獲得0029h的數(shù)據(jù)字和0800h的狀態(tài)字[6]。之后通過(guò)科學(xué)計(jì)算得出記錄儀實(shí)際返回的相應(yīng)狀態(tài)字完全正確，證明記錄儀和BC端能夠正常通信。

對(duì)FPGA中相應(yīng)的1553B協(xié)議處理進(jìn)行正確性驗(yàn)證，通過(guò)QuartusⅡ集成的相應(yīng)軟件觀察和檢測(cè)FPGA中的譯碼器、協(xié)議處理和控制功能模塊的實(shí)際工作狀態(tài)。通過(guò)BC段發(fā)送0821h命令字，觀測(cè)相應(yīng)譯碼器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯，譯出數(shù)據(jù)0821h。同時(shí)，與之同步的類型信號(hào)屬于1，代表命令字是0821h，證明譯碼過(guò)程完全正確。

分析觀測(cè)協(xié)議處理和控制功能模塊中的主要信號(hào)后發(fā)現(xiàn)，發(fā)送0821h的命令字和0029的數(shù)據(jù)字后，系統(tǒng)中的協(xié)議處理和控制功能相應(yīng)模塊最先進(jìn)行0800h的狀態(tài)字回復(fù)，之后實(shí)現(xiàn)0029h的數(shù)據(jù)字回復(fù)，這和BC端收到的相應(yīng)狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字一樣，同時(shí)狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字兩者同步頭類型顯示的分別是1和0，表明設(shè)計(jì)模塊完全正確。

多次試驗(yàn)機(jī)載測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，每一次記錄儀都可以對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)中相關(guān)的信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定且完整的接收并作出正確響應(yīng)，證明設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的1553B總線接口具有高度有效性和可利用性。

4 結(jié) 論

實(shí)際中，由于總線通信中包含的技術(shù)較為有限，多是通過(guò)USB2.0或者RS232總線接口實(shí)現(xiàn)通信，以此實(shí)時(shí)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。該方法雖然操作簡(jiǎn)單、成本低且方便可行，但是在實(shí)際飛行環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真、傳輸不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，本文通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)理念對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的1553B總線接口實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并通過(guò)科學(xué)方法進(jìn)行測(cè)試，得出了該設(shè)計(jì)具有高度可操作性與有效性，能夠使數(shù)據(jù)傳輸更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定與完整，達(dá)到了理想效果。

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