摘 要：提出一種基于CPCI總線的1553B通信功能模塊的硬件設計實現(xiàn)方法，其中控制邏輯在FPGA中編程實現(xiàn)。首先介紹CPCI總線、1553B總線。接著描述硬件系統(tǒng)設計實現(xiàn)方法及本設計中所采用的CPCI協(xié)議接口芯片PCI9030，1553B協(xié)議接口芯片BU-61580等芯片的接口信號及控制寄存器。最后，給出PCI9030，XC3S400和BU-61580接口芯片實現(xiàn)接口的硬件原理圖。

關鍵詞：CPCI；1553B；PCI9030；XC3S400；BU-61580

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-082-03

Design and Implement of 1553B Communication Module Based on CPCI

ZHAI Wenyan，ZHANG Suinan

(Xi′an Microelectronic Institute，Xi′an，710075，China)

Abstract：This article presents a solution of designing the functional module of the 1553B communication on the basis of compact PCI bus，and the control logic is conveniently implemented by programming on the FPGA.At first it breifly introduces CPCI bus and 1553B bus.Then，it describes the solution of hardware system′s design，the signals and the control registers on the chips of PCI9030 and the BU-61580，which involve in this article.At last it provides the structural diagram of this hardware system′s design on the interface chips of the PCI9030，the XC3S400 and the BU-61580.

Keywords：CPCI;1553B;PCI9030L;XC3S400，BU-61580

1 引 言

某發(fā)控計算機是某型號末端反導導彈武器發(fā)控單元的主要設備，該發(fā)控計算機的主要功能是用于自動控制完成某型號末端反導導彈武器系統(tǒng)多彈發(fā)射任務。發(fā)控計算機和彈上計算機通過1553B總線進行信息交換。由于CPCI總線具有高開放性、高可靠性、可熱插拔性，適合于實時系統(tǒng)控制、實時數(shù)據(jù)采集、軍事系統(tǒng)等模塊化及高可靠度、可長期使用的應用領域。并且CPCI是基于PCI電氣規(guī)范開發(fā)的高性能工業(yè)總線，CPCI總線系統(tǒng)所使用的操作系統(tǒng)、驅(qū)動和應用程序和桌面的PCI總線系統(tǒng)兼容^[3]，因此構(gòu)建CPCI總線平臺的發(fā)控計算機，滿足各性能需求，并具有更堅固、更可靠、模塊化、易使用、易維護等諸多優(yōu)點。本文所介紹的基于CPCI總線的1553B通信功能模塊的設計實現(xiàn)，即是該武器發(fā)控計算機中的一個模塊單元。

2 CPCI總線和1553B總線協(xié)議簡介

2.1 CPCI總線協(xié)議簡介

Compact PCI簡稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國際PICMG協(xié)會于1994年提出的一種總線接口標準。Compact PCI技術是在PCI技術基礎上經(jīng)過改造而成，與PCI總線的電氣規(guī)范相兼容，并與歐規(guī)卡、高性能連接器的機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有抗震性能好、高可用性等優(yōu)點，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場應用。由于具有熱插拔和冗余設計能力，可以構(gòu)建高可用性系統(tǒng)，滿足電信、數(shù)字通信、軍事裝備等各領域的要求。

CPCI^[1]的主要特征如下：具備33 MHz和66 MHz的PCI性能，支持32位和64位的數(shù)據(jù)傳輸，在33 MHz下每個總線段支持8個CPCI插槽，而在66 MHz下每個總線段支持5個CPCI插槽，有3U和6U兩種板卡大小規(guī)格，IEEE歐規(guī)卡包裝，總線由系統(tǒng)進行管理。

2.2 1553B總線協(xié)議簡介

1553B總線是MIL_STD_1553B的簡稱，其全稱是飛機內(nèi)部時分制指令響應式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。由于其傳輸速率高、設備之間連接簡單靈活、噪聲容限高、通信效率高而且可靠，為美軍標所采用，將其作為機載設備相互通信的總線標準。從推出到現(xiàn)在，1553B總線技術在不斷改進。目前1553B總線已經(jīng)成為在航空航天領域占統(tǒng)治地位的總線標準。

1553B^[2]總線是一種集中式的時分串行總線，其主要特點是分布處理、集中控制和實時響應。其可靠性機制包括防錯功能、容錯功能、錯誤的檢測和定位、 錯誤的隔離、錯誤的校正、系統(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)恢復功能。采用雙冗余系統(tǒng)，有2個傳輸通道，保證良好的容錯性和故障隔離。

1553B^[2]總線為多冗余度總線型拓撲結(jié)構(gòu)，具有雙向傳輸特性，其傳輸速度為1 Mb/s，傳輸方式為半雙工異步方式，采用曼徹斯特Ⅱ型碼。數(shù)據(jù)總線耦合單元用于將主總線與各個終端隔離，1553B標準規(guī)定了2種數(shù)據(jù)總線接口方式：一種為直接耦合短接方式；另一種為變壓器耦合短接方式。數(shù)據(jù)傳輸距離較遠時選用變壓器耦合方式，傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。

1553B總線采用指令/響應型通信協(xié)議，他有3種終端類型：總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監(jiān)視器（MT）。BC的主要功能是為總線上所有的傳輸提供數(shù)據(jù)流控制；RT主要工作是完成子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入/輸出的傳輸；MT的主要功能是監(jiān)聽所有的消息，并隨即從數(shù)據(jù)總線上收集數(shù)據(jù)。一般情況下，這3部分通過一個多路總線接口（MBI）完成，可把MBI嵌入計算機內(nèi)。該總線有10種基本的消息傳輸格式，每個消息至少有2個字，最多包含32個字，字格式包括命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字，每個字長20 b，其中16個信息位，3個位長的同步頭和一個奇偶校驗位，其中命令字和狀態(tài)字的同步頭相同。每次的消息發(fā)送接收都是由BC啟動并控制實現(xiàn)。整個總線結(jié)構(gòu)中同時只能有一個總線控制器。

3 硬件系統(tǒng)設計方案及原理圖

3.1 系統(tǒng)設計方案

3.1.1 CPCI總線接口的設計

CPCI^[1]總線是將PCI總線和歐規(guī)卡的機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合發(fā)展而成的。因此在設計上需要注意其與PCI總線的機械特性差別，其協(xié)議規(guī)范的工作原理與PCI總線基本相同。實現(xiàn)PCI接口的方案一般有2種：采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實現(xiàn)PCI接口的最大好處是比較靈活，可把PCI時序模塊和功能模塊結(jié)合在一起，可以利用的器件例如有Altera公司的CPLD器件或Xilinx公司的FPGA器件等，其開發(fā)設計難度相當大、周期也相當長。而采用專用接口芯片則具有較低的成本和很高的通用性，能有效降低接口設計的難度，縮短開發(fā)周期。因此，本設計中的CPCI總線接口就是采用第2種設計方法，選用通用的接口芯片PLX公司的PCI9030實現(xiàn)CPCI總線的接口連接。下面詳細介紹PCI9030的功能特性及應用操作。

PCI9030^[3]芯片有的主要特點為：與PCI r2.2兼容，支持32位，33 MHz的目標接口，突發(fā)的PCI傳輸速率可達132 MB/s；局部總線支持高達60 MHz的操作，突發(fā)速率可達240 MB/s；支持熱插拔技術；支持3.3 V/5 V的PCI和局部信號線的驅(qū)動；3.3 V的CMOS器件。

PCI9030具有很大的智能性和靈活的特征。可編程的局部總線支持復用和非復用的32位地址/數(shù)據(jù)總線，可動態(tài)的控制局部總線訪問8，16，32 b位寬的設備；支持5個PCI到局部總線的地址空間，空間0，1，2，3和可擴展ROM??；提供4個可編程的片選信號；還提供一個三線的串行E2PROM接口。

PCI9030作為主機的從目標設備，同時對于局部總線而言是主設備。局部總線為PCI總線和非PCI設備（如存儲器設備和外設等）之間提供一條數(shù)據(jù)通路。并且PCI9030作為局部總線的主設備，可以智能的完成局部總線和內(nèi)部寄存器、內(nèi)部FIFO之間的數(shù)據(jù)傳輸。PCI9030提供的5個地址空間可通過設置與其相關的配置寄存器來確定局部總線的特征。

在上電復位后，PCI的復位信號將PCI9030的內(nèi)部寄存器復位， PCI總線和局部總線也處于復位或高阻狀態(tài)，PCI9030檢測串行E2PROM，并將其內(nèi)容加載到PCI9030中。PCI9030的內(nèi)部寄存器主要包括PCI配置寄存器、局部配置寄存器、電源管理寄存器、熱插拔寄存器、VPD寄存器。串行E2PROM選用4 kb大小的93C66進行配置。

3.1.2 553B總線接口的設計

1553B總線系統(tǒng)構(gòu)成的關鍵是1553B總線接口協(xié)議芯片。隨著電子技術的不斷發(fā)展，世界上許多集成電路廠家和公司，不斷開發(fā)和生產(chǎn)出集成度很高、通用性很強的1553B總線接口協(xié)議芯片，所以組成1553B總線系統(tǒng)的方法也很多。而本文采用的是由美國數(shù)據(jù)設備公司（DDC）生產(chǎn)的BU-61580接口協(xié)議芯片構(gòu)成1553B總線系統(tǒng)的方法。下面詳細介紹BU-61580×6的功能特性及應用操作。

BU-61580×6芯片有^[4]如下的特點為：完全集成化1553B總線標準的接口終端；具有靈活的存儲器/處理器接口；共享的標準4 k×16RAM緩沖存儲器；BC/RT/MT一體化設計；先進的BC特性；先進的RT特性；電磁兼容性滿足軍用標準；電源支持單+5 V。

BU-61580×6芯片具有較強的智能性，一般情況下不需要增加微處理器來協(xié)助工作即可完成總線通訊任務。在進行總線通訊時，主機只需要初始化其內(nèi)部共享RAM中的相關數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，對其內(nèi)部的寄存器進行適當?shù)木幊?，就可以自動地完?553B總線的消息傳任務。在進行總線的傳輸過程中，BU-61580×6自動地按照一定的順序訪問內(nèi)部共享的RAM區(qū)，而不影響主機的工作。一個消息完成后能夠記錄該消息傳輸完成的狀態(tài)，并可以在主機的控制下，對使能的中斷產(chǎn)生中斷信號向主機報告相應的狀態(tài)信息。從BU-61580×6芯片到1553B總線之間傳輸采用變壓器耦合方式，將芯片的發(fā)送端或接收端的2個峰峰電壓為11.6 V的傳輸信號連接到隔離變壓器B-3067上，輸出2個峰峰電壓為20 V的傳輸信號到連接器上。

3.1.3 電源模塊的設計[GK!6]

由于BU-61580的工作電壓是單+5 V，而PCI6030的核工作電壓是+3.3 V，為方便在功耗小、體積小的條件下實現(xiàn)其他功能的擴展，及本板卡上邏輯控制的可修改性，選用一片XILINX的FPGA來實現(xiàn)，而FPGA需要多個工作電壓，如+3.3 V， +2.5 V，+1.2 V。關于電源模塊的設計，TPS703xx^[5]類器件提供雙輸出電壓調(diào)整器，適合于ASIC，F(xiàn)PGA，TI DSP等數(shù)字應用的電源管理。

本設計選用TPS70345提供+3.3 V和+1.2 V電壓，TPS70358提供+2.5 V電壓。[HK]而各器件的輸入/輸出信號線的驅(qū)動電壓是+3.3 V或+5 V，這2種不同電壓驅(qū)動下的器件之間的信號連接經(jīng)過SN74ALVC164245進行電平轉(zhuǎn)換，通過DIR[TX-]，OE[TX-]端選擇設置信號流向。

3.2 原理圖設計

基于CPCI的1553B通信功能卡的整體設計思想是選取通用的CPCI總線及1553B總線協(xié)議接口通信控制器芯片，通過編程FPGA內(nèi)部的邏輯控制電路，實現(xiàn)主機通過CPCI總線對1553B總線的控制和訪問，主機可根據(jù)需求修改BU-61580內(nèi)部寄存器內(nèi)容將其設置成BC/RT/MT的任何一種工作模式，并按照BC/RT/MT方式下BU-61580內(nèi)部存儲器的不同組織結(jié)構(gòu)定義對其進行存儲訪問。基于CPCI的1553B通信功能卡的原理圖設計框圖如圖1所示。

4 結(jié) 語

本文主要介紹基于CPCI總線的1553B通信功能板卡的硬件原理圖的設計思想，采用通用的總線智能接口器件搭建，實現(xiàn)簡單明了。而由于本板卡的設計基于CPCI總線，因此具有很好的總線架構(gòu)，總線傳輸速率高，且其良好的機械結(jié)構(gòu)具有較高的抗震性能及高可靠性等優(yōu)點。該板卡的設計已成功用于構(gòu)建某武器的發(fā)控計算機中，實現(xiàn)了和其他計算機進行高可靠、雙冗余的數(shù)據(jù)通信。

參 考 文 獻

［1］PIMG 2.0 R3.0 Compact PCI Specification，1999.

［2］ACE/Mini-ACE Series BC/RT/MT Advanced Communication Engine Integrated 1553 Terminal BU-65170，BU-61580，BU-61585，BU-65620 and BU-65621 User′s Guide.

［3］PCI 9030 Data Book，Version 1.4，PLX Technology，2002.

［4］BU-65170/61580 and BU-61585 MIL-STD-1553A/B Notice 2 RT and BC/RT/MT，Advanced Communication Engine(ACE) Data Book.

［5］TPS70345，TPS70358 Data Book.

作者簡介 翟雯艷 女，1981年出生，在讀碩士研究生。研究方向為嵌入式高速計算機技術。

張遂南 博士，高工。研究方向為嵌入式高速計算機技術。