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基于PCI总线的1553B总线接口板卡设计.doc
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基于PCI总线的1553B总线接口板卡设计.doc
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1 绪论
1.1.课题的来源及意义
随着当今世界的信息化程度高速发展,各种不同功能的电子设备越来越多,由
于使用场合及空间大小等因素局限,将这些数量大、种类多的电子设备在达到资源
和功能共享的前提下进行有效综合,已经显得势在必行,已经成为科技发展的迫切
要求。电子系统综合化的主要特点是分布处理、集中控制、实时响应;它克服了分
布式和集中式系统在系统灵活度、可靠性和可扩展、维护方面的缺点,总线技术即
是使用最广泛、有效的综合化技术
[1]
。
综合化电子系统通常由多个子系统通过总线接口经总线介质互联而成,子系统
与同一网络中的其它系统通过网络实现资源共享,这样就有效地减小了系统的体积
和重量,提高了系统的综合效率,而且为重构、容错等实现提供了可能性。
上世纪 70 年代发展起来的多路数据总线 1553B 就是总线技术中重要的一种,
其标准全称为 MIL-STD-1553B(简称 1553B),是一种内部时分制指令/响应式多路
传输数据总线,是首先由美国提出的具有高可靠性和灵活性的飞机内部电子系统联
网标准,与其它常用总线相比,它的高可靠性、实时性以及灵活性使其在军用航空
航海系统和武器系统设计方面得到了广泛应用,并逐步转向民用航空、航海及工业
现场控制场合等许多领域的重要场合
[2]
。
随着 1553B 总线在军事武器信息平台、民用航空航海和大型工业控制场合等国
防、工业、经济建设重要领域的越来越多的应用,其重要性越发明显,其安全、可
测试性也显得尤为重要。只有确保 1553B 总线系统的可靠、安全,才能确保应用于
国防、工业、经济建设等重要领域的电子综合系统的正常工作,才能避免各领域建
设发展中因 1553B 总线系统故障、失误而造成的损失,因此对 1553B 总线系统的
监测是非常有必要的。
按照 1553B 总线产品的开发阶段划分通常需要五级测试
[3]
。其内涵如下:(1)
开发阶段测试主要是对试验样机的电路的工作状态进行测试,检测设计是否达到要
求并及时修正错误;(2)设计验证则针对为 1553B 产品而设计的部件,主要为了测
试部件是否满足总线协议要求;(3)产品测试在步骤 2 已通过后进行,主要针对于
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1553B 产品整体性能;(4)系统综合测试则主要针对以 1553B 总线为依托的综合电
子系统;(5)实地运行测试是最终在实地系统运行前的验证测试,从上述可知,前
三级属于 1553B 部件级的测试,而后两级属于 1553B 系统级的测试
[3][4]
。
对 1553B 总线系统的监视和测试,首先需要考虑部件级测试:即系统想要实现
资源共享就必须要求所有的终端设备、子系统按照 1553B 总线标准所定义的各项要
求来进行设计实现;而现实的问题在于,基于 1553B 总线的电子综合系统的子系统
是由不同单位的众多研制人员分别研制而成,虽然基于同一标准,即 1553B 总线标
准,但由于 1553B 标准仅规定了 1553B 总线物理层和数据链路层的通信规范,并
未详尽定义具体的测试方法、步骤,再加上研究人员所制定的方案、生产工艺及测
试环境差异等多方面的原因,导致各子系统间的通信传输及工作配合情况产生一定
问题,研制单位难以有效的将所有子系统进行理想中的综合
[5]
。由此,设计 1553B
总线监测系统对 1553B 综合电子系统中的各终端设备进行有效地测试能够全面验
证终端设备是否满足 1553B 标准要求,这一测试不仅是顺利实现电子系统综合的前
提条件,而且是综合电子系统在重要领域实现信息可靠通信必不可少的保证。
其次,在实现综合后,对于整个的电子综合系统还需要实施系统级的测试,以
发现并及时改正系统中存在的但又不明显为人所发现的潜在威胁,这就需要我们所
设计的 1553B 总线监测系统对基于 1553B 总线的综合电子系统的整体实时活动有
一个详细的记录,这样我们所设计的 1553B 总线监测系统以总线监视器的形态出现
于整个 1553B 总线系统中,全面详细的记录总线在系统综合测试及实地运行测试中
的活动情况及数据传输状况,为综合电子系统的系统级测试提供测试数据,确保基
于 1553B 总线的综合电子系统的系统级可靠性
[5]
。同时监测系统设计为对整个综合
电子系统的无过滤监听,所记录的数据中不仅有正确数据,而且还有错误数据及其
各种错误信息,为系统的故障定位、排除提供有效依据,在实现系统安全有效的同
时,也便于系统投入使用后的维护和检修。
此外,1553B 总线系统的设计关键在于子系统与总线介质互联的嵌入式总线接
口,本设计中采用 FPGA 来实现总线协议接口,打破协议接口芯片必需从国外购买
的限制,同时可根据被测试系统具体特点,在 1553B 总线协议的基础之上,灵活处
理具体设计;再者,采用 FPGA 可同时实现部分或所有用户逻辑,优化资源配置,
降低生产成本。无论是从经济上,或是国防科技保密层面考虑都具有十分重要有意
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义。
综上所述,对基于 FPGA 的 1553B 总线监测系统的研究与设计无论是从 1553B
总线统一化终端设计的意义上,还是从 1553B 总线综合电子系统的研究及测试方面
来说,或是对 1553B 总线综合电子系统在实际应用中的安全、可靠性及后期故障排
除和处理等方面考虑都是具有十分重要的意义的,随着信息综合化程度的不断提高
及 1553B 总线更加广泛的应用,为打破国外技术垄断,降低 1553B 总线使用成本,
推广 1553B 总线的更加广泛使用,对基于 FPGA 的 1553B 总线监测系统的研究与
设计必将引起更多关注、更加深入,该领域的发展也将有更加光明的前景
[6]
。
1.2 课题国内外研究现状
美 国 对 1553B 总 线 制 定 了 一 系 列 的 标 准 和 协 议 , 1973 年 公 布 了
MIL-STD-1553A 标准,并首次在 F-16 战斗机中采用此标准,1984 年美国防部制定
并颁布执行了 MIL-STD-1553B 标准;我国于 1987 年建立了与 1553B 相应的国家
军用标准 GJB 289-87《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》,用于指导
基于 1553B 总线的军用航空系统和武器系统设计,并于 1997 年对原标准进行扩充
和修订,制定了 GJB 289A-97 标准,一直沿用至今
[7]
。
国外在 1553B 总线综合电子测试研究领域起步较早,1553B 多路传输总线将各
种电子系统连接成分布式网络,实现综合显示和控制,各个子系统都是通过嵌入式
总线接口与总线传输介质连接而组成网络,最后达到资源共享或总线监测的目的,
所以无论是从部件级的单个 1553B 总线子系统设计上来讲,还是考虑到整个 1553B
总线系统级测试,总线接口技术都是系统设计与测试的关键。
美国 Conder 公司一直致力于研发 1553B 总线接口板,并先后推出了不同类型
的接口板,并推出了 busTools-1553 测试系统;DDC 公司主要研发 1553B 接口芯片,
现在好多公司都在 DDC 公司的协议芯片基础上开发不同类型的测试系统
[7]
。
此外,由于国外对 1553B 总线研究开发较早,已经有一大批公司或研究机构生
产出了成形的,性能较强,稳定性高的 1553B 接口专用集成芯片,如较早的:UTMC
公司的 UT1553B、INTEL 公司的 M82553、以及 ACTEL 公司的 1553BBC、90 年
代 初 DDC 公 司 推 出 的 ACE(Advance Communication Engine) 系 列 协 议 处 理 器
BU-61580/90 等
[9][10]
。以往国内设计者大多采用现有接口芯片配置驱动程序的方式
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实现对 1553B 总线系统的检测和仿真,接口芯片价格昂贵,成本较高,虽然国内也
有了可替代国外产品的接口芯片,但是没有形成产品,对研究人员帮助不大;近年
来,国内研究人员采用 FPGA 来实现 1553B 总线接口,并取得了很大的成绩,不
仅打破了国外技术垄断,并且对于提高自主研发能力,增强自我竞争力,节省科研
经费,都具有重要的意义
[11]
。
1.3.课题所需关键技术与研制过程
根 据 项 目 的 需 要 , 本 课 题 用 到 了 大 量 关 键 技 术 , 包 括 :PCI 局 部 总 线 ,
MIL-STD-155315 航空通讯总线,可编程逻辑器件(PLD)及开发方法,VHDL 语言
及开发工_具 MAX+Plus II,印刷电路板制作工具 Protel 等。这些技术将在第二章
做详细介绍。基本的研制过程是:学习掌握上述关键技术,首先使用 Protel 设计基于
PCI 总线的 1553B 总线板卡。接着使用 VHDL 语言编制硬件逻辑来完成 PCI 接口
逻辑及 155315 总线的接口逻辑,经过详细设计,前仿真,综合,后仿真之后将逻
辑加载入 FPGA 芯片,接着如果达到设计要求,便得到可使用的产品。如果不满足
要求,分析原因,排除故障,重新开始研制。 所以此板卡的开发可以分为两大部
分:接口逻辑开发和 FPGA 仿真。其中最重要的工作就是 FPGA 开发。
1.4.论文的章节安排
以所完成的上述工作为基础,作者撰写了本文,各章节内容安排如下:
第一章 绪论。首先介绍了课题的来源、意义和国内外的发展情况。接着简要
提及开发所用到的关键技术、设计方案选择及作者所完成的工作。
第二章 关键技术。由于用到大量关键技术,所以使用一章做统一的介绍,使
不同背景的读者能清楚地了解开发的背景知识。本章是后续章节的方法基础和
理论依据。
第三章 将所要设计的系统按功能划分模块,并逐一实现的流程及方法。 介
绍系统的硬件设计。包括其硬件设计的设计要点,硬件电路设计的构思与实现及器
件选型等内容。介绍系统的功能实现验证,包括实验的搭建及测试结果。
第四章 总结与展望。通过这个课题,作者收获良多,在对系统开发的认识上
和开发工具的使用上都有很大的提高,本章主要是对全文做一总结并指出了当前研
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制工作中不足之处和需要进一步完善的地方。希望读者能够吸取作者的经验与教训。
2 关键技术
本课题用到了大量的跨学科的技术,包括:PCI 局部总线协议,1553E 航空
通讯总线协议,1553B 协议芯片 ACE 系列设计指南,可编程逻辑器件(PLD)及开发
方法,VHDL 语言及开发工具 MAX 十 Plus II,印刷电路板设计制作工具 Protel,
数字电路等。将在本章中择其主要进行介绍,使不同背景的读者对本课题能有一个
宏观的认识,这是理解后续设计的基础。
2.1 PCI 局部总线技术
PCI 的全称是 Peripheral Component Interconnection,即外围组件互连。它把高
带宽的外围设备移到靠近系统处理器的地方,通过一个系统接口(主桥路)而与处理
器或存储器连接起来,所以叫做局部总线。它首先由 Intel 提出,于 1992 年 5 月定
为公开的工业标准,由 PCI SIG (Special Interest Group)对它进行控制。其中,体系
结构如图 2.1 所示。
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