摘 要：在某些軍用測控系統(tǒng)中，經(jīng)常存在1553B總線與CAN總線之間的總線轉(zhuǎn)換，這就促使了1553B與CAN總線轉(zhuǎn)換卡的誕生。本文1553B與CAN總線轉(zhuǎn)換卡采用ARM9處理器作為中間轉(zhuǎn)換平臺(tái)，RTLinux操作系統(tǒng)作為調(diào)度，通過上層應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了1553B總線與CAN總線之間的信息轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換卡還通過擴(kuò)展的LCD接口和串口，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了實(shí)時(shí)性，可靠性等方面的驗(yàn)證。

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關(guān)鍵詞：ARM9;1553B;CAN;總線轉(zhuǎn)換;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN915.05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-045-03

Design and Realization of CAN Bus Transition Card and 1553B Based on ARM9

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TANG Taigang，ZENG Chao

(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900，China)

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Abstract：In some military measurement control system there always exist bus transition between the 1553B bus and CAN bus.This transition boost the design and realization of 1553B and CAN bus transition card.The 1553B and CAN bus transition card take ARM9 processor as the transition platform，RTLinux operation system as the scheduler and achieved the information transition between 1553B bus and CAN bus through the top layer application program.The transition card also achieved the real-time monitor and control of transform data through the extended LCD interface and serial interface and validated its real-time ability and reliability by the application.

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Keywords：ARM9;1553B;CAN;bus transition;design

1 引 言

20世紀(jì)70年代誕生的1553B總線是一種主從式多冗余度總線對總線硬件有嚴(yán)格的規(guī)定，可靠性和實(shí)時(shí)性好，傳輸速率達(dá)到1 Mb/s，對于大多數(shù)的應(yīng)用都能滿足，通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今軍用電子總線的首選。而由德國BOSCH公司開發(fā)的CAN總線，采用多主方式，最高速率為1 Mb/s，由于其在汽車電子系統(tǒng)中的卓越表現(xiàn)，現(xiàn)在受到了越來越多的用戶的關(guān)注和認(rèn)可。這兩種總線都是傳輸速率高、可靠性高、實(shí)時(shí)性能好的總線，但是他們都存在一定的不足。1553B總線的任一次數(shù)據(jù)傳輸都是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令開始， 從節(jié)點(diǎn)接到命令后解析并執(zhí)行，同時(shí)把相應(yīng)狀態(tài)反饋給主節(jié)點(diǎn)， 這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸率大大降低，并使主節(jié)點(diǎn)控制器非常繁忙，而且在下端出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)不能立即上傳， 必須等待主節(jié)點(diǎn)的傳輸命令，靈活性較差。而CAN總線為多主競發(fā)總線，能較好解決這個(gè)問題。但是CAN總線也存在很多不足， 例如他無法和1553B總線一樣給出一個(gè)比較確定的響應(yīng)時(shí)間， 而且沒有雙冗余或多冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這使得他的可靠性和實(shí)時(shí)性不如1553B，而在軍用電子中，可靠性和實(shí)時(shí)性是最重要的。因此軍用電子系統(tǒng)中，1553B總線得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)1553B總線硬件成本非常高，相同條件下是CAN總線的幾百倍，對于測試系統(tǒng)來說是很難承受的，所以在現(xiàn)在的測控系統(tǒng)中對于控制仍舊采用1553B總線，對于測試采用CAN總線，而這兩者之間的信息交互就成了整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，促使了對1553B和CAN總線轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)思想

1553B總線的幀結(jié)構(gòu)有2種，其實(shí)命令字和狀態(tài)字共用一種幀結(jié)構(gòu)。而這兩種幀僅僅是同步頭不同，如圖1所示。

1553B的幀中，開始3位為同步位，數(shù)據(jù)字是上跳沿，而命令字和狀態(tài)字為下降沿，4~19位為數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)字中為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而命令字和狀態(tài)字中為命令或狀態(tài)位，最后一位為奇偶校驗(yàn)位。而在CAN總線中，只有一種幀結(jié)構(gòu)，僅僅是是否采用擴(kuò)展幀而已，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中幀起始由單個(gè)顯位組成，仲裁場由標(biāo)識(shí)符和RTR位組成，一共12位，控制場由2個(gè)保留位和4個(gè)DLC位組成，數(shù)據(jù)場由0到8個(gè)字組成，每個(gè)字8位，CRC場由15位的CRC序列和1位標(biāo)識(shí)位組成，ACK場由1位ACK間隙和一位ACK界定符組成，最后的幀結(jié)束由連續(xù)的7個(gè)隱性位組成。

由此可見，1553B和CAN總線不但幀結(jié)構(gòu)不同，命令體系不一樣，而且不同的1553B與CAN總線之間的轉(zhuǎn)換方法也是不一樣的，因此1553B與CAN總線之間的轉(zhuǎn)換不僅僅是幀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，還涉及到兩個(gè)系統(tǒng)之間命令的解析，所以采用軟件的方式可以更加靈活的實(shí)現(xiàn)這兩種總線的轉(zhuǎn)換。

而要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換就需要在CAN和1553B總線端點(diǎn)之間需要搭建一個(gè)能夠運(yùn)行并合理調(diào)度多個(gè)應(yīng)用程序的平臺(tái)。綜合整個(gè)轉(zhuǎn)換板的考慮，采用帶操作系統(tǒng)的ARM9處理器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)平臺(tái)是比較合適的。CAN總線部分，可以設(shè)計(jì)成一般的主節(jié)點(diǎn)，而對于1553B總線部分，由于1553B有3種不同的端點(diǎn)，為了擴(kuò)展轉(zhuǎn)換板的功能，可以把轉(zhuǎn)換板的這個(gè)端點(diǎn)設(shè)計(jì)成為可以通過不同的配置來實(shí)現(xiàn)不同功能，因此這需要1553B端點(diǎn)的協(xié)議和上層應(yīng)用程序可配置，為此可以采用FPGA和ARM共同工作的方式來實(shí)現(xiàn)這個(gè)端點(diǎn)。而為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以通過從ARM9上擴(kuò)展串口和LCD接口來實(shí)現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 轉(zhuǎn)化卡硬件的選擇

轉(zhuǎn)換卡的硬件是整個(gè)轉(zhuǎn)換卡功能的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。而在轉(zhuǎn)換卡的硬件設(shè)計(jì)中，器件的選擇決定了設(shè)計(jì)的實(shí)際方案和電路。對于CAN節(jié)點(diǎn)，采用了PHILIPS公司的SJA1000T CAN總線控制器和TJA1050 CAN總線收發(fā)器來共同實(shí)現(xiàn)。對于1553B節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議部分功能的FPGA采用ALTERA 的EP1C3T144，收發(fā)器和變壓器采用了HOLT公司的HI-1567和PD2725，他們與ARM9 共同完成了1553B端點(diǎn)協(xié)議。最后的核心處理器ARM9則采用ATMEL的AT91RM9200T，他擁有180 MHz的頻率，4個(gè)PIO接口，不但能夠與FPGA共同完成1553B端點(diǎn)功能，滿足1553B對實(shí)時(shí)性的要求，而且還能運(yùn)行需要的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，完成整個(gè)轉(zhuǎn)化工作。而對于用于實(shí)時(shí)監(jiān)控，LCD芯片采用了EPSON的S1D13506擴(kuò)展芯片，而串口則采用了傳統(tǒng)的MAX3232。以上的這些芯片構(gòu)成了整個(gè)轉(zhuǎn)換卡的框架，通過他們就構(gòu)成了轉(zhuǎn)換卡的硬件。

在這種方案中，RAM采用了雙口RAM，1553B和ARM9共用一個(gè)口，這樣CAN總線出來的數(shù)據(jù)和1553B總線過來的數(shù)據(jù)不用轉(zhuǎn)存就可以直接通過另外一段輸出或者緩沖等待發(fā)送。S1D13506芯片是一個(gè)多功能擴(kuò)展芯片，他還有多種功能擴(kuò)展，可以擴(kuò)展出音頻和視頻接口。

3.2 轉(zhuǎn)換卡軟件實(shí)現(xiàn)方式

在整個(gè)的轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)中面臨的最大問題就是轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性和緩沖數(shù)據(jù)管理，為此轉(zhuǎn)換卡通過使用實(shí)時(shí)性非常好的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux來解決。他不但能滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，完成總線兩邊緩沖數(shù)據(jù)管理，還能為應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換程序提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。轉(zhuǎn)換程序主要完成兩個(gè)功能：把1553B總線來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN總線的幀結(jié)構(gòu)，或者相反；把1553B總線來的命令解析，轉(zhuǎn)換成CAN總線系統(tǒng)的命令并組成CAN的幀結(jié)構(gòu)發(fā)送。轉(zhuǎn)換卡采用MiniGUI來為用戶提供實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的圖形界面，這個(gè)圖形界面可以通過轉(zhuǎn)換卡擴(kuò)展的LCD很好地完成信息交換過程實(shí)時(shí)監(jiān)視的任務(wù)。最后通過ARM9的JTAG口可以對ARM9中運(yùn)行的應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行修改與調(diào)試。

3.3 轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換機(jī)制

設(shè)計(jì)中采用中斷源優(yōu)先級(jí)控制機(jī)制，不同的中斷源設(shè)置不同的中斷等級(jí)，以滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。這種機(jī)制主要是基于下列考慮：

(1) 來自1553B，CAN以及串口的硬中斷請求信號(hào)及來自應(yīng)用程序的軟中斷信號(hào)都是隨機(jī)的。中斷機(jī)制可以使ARM9能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)各個(gè)中斷，并做出相應(yīng)的動(dòng)作。實(shí)時(shí)性要求相對比較高的1553B端點(diǎn)中斷被賦予高優(yōu)先級(jí)，可以剝奪CAN，串口等相對低優(yōu)先級(jí)的中斷的服務(wù)。而CAN被賦予次高優(yōu)先級(jí)，應(yīng)用程序以及串口被賦予最低優(yōu)先級(jí)。

(2) 1553B和CAN的數(shù)據(jù)傳輸速率是不同的。CAN總線的不同配置，1553B總線控制器的不同調(diào)度都會(huì)引起1553B和CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率的變化，可能1553B比CAN快，也可能CAN比1553B快。采用中斷方式可以大大降低慢速對較高速設(shè)備的處理延時(shí)。

同時(shí)在硬件的設(shè)計(jì)中考慮到軟件編程的靈活性，因此所有的中斷信號(hào)都設(shè)計(jì)成可以通過查詢得到。

3.4 硬件測試

在硬件完成后，對整個(gè)硬件進(jìn)行了測試。首先把1553B端點(diǎn)聯(lián)入1553B總線系統(tǒng)中，他能正確地響應(yīng)總線，通過示波器觀測由變壓器和收發(fā)器變換后的信號(hào)和序列，得到的信號(hào)電平和序列都符合既定的要求。然后把1553B端點(diǎn)協(xié)議寫入FPGA和ARM，測試端點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間，即接收命令字到發(fā)出狀態(tài)字之間的間隔，這個(gè)時(shí)間為15~25 μs之間，完全滿足1553B總線的協(xié)議要求。最后把CAN總線、串口、LCD接口都連接上，整個(gè)硬件工作良好。

4 轉(zhuǎn)換卡功能及特點(diǎn)

4.1 轉(zhuǎn)換卡的主要功能

(1) 轉(zhuǎn)換卡在一個(gè)既定的協(xié)議下能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線系統(tǒng)與1553B總線系統(tǒng)的信息交互，同時(shí)滿足兩總線系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

(2) 轉(zhuǎn)換卡可以單獨(dú)作為一個(gè)CAN總線的節(jié)點(diǎn)或者1553B總線端點(diǎn)連入總線系統(tǒng)，完成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)功能。

(3) 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和監(jiān)控。應(yīng)用轉(zhuǎn)換卡的LCD擴(kuò)展口和串口，用戶可以通過LCD顯示屏或者外部計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制兩總線之間的信息轉(zhuǎn)換。

4.2 硬件主要特點(diǎn)

(1) 1553B端點(diǎn)協(xié)議采用FPGA與ARM芯片共同實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)不但可以通過更改協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序把端點(diǎn)配置成遠(yuǎn)程端點(diǎn)、控制器、監(jiān)視器等3種不同功能的端點(diǎn)，而且因?yàn)槭峭ㄟ^ARM9與FPGA共同實(shí)現(xiàn)的總線協(xié)議，所以當(dāng)接收完1553B總線數(shù)據(jù)后可以直接觸發(fā)總線轉(zhuǎn)換程序，從而減少單獨(dú)采用1553B協(xié)議芯片時(shí)對ARM9的數(shù)據(jù)中斷請求時(shí)間，更好地滿足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。最后這種設(shè)計(jì)與直接購買1553B端點(diǎn)協(xié)議芯片相比明顯地減少了硬件成本，有利于1553B總線的推廣和應(yīng)用。

(2) 可以兼容不同速率的CAN總線，通過改變初始化配置，可以實(shí)現(xiàn)不同速率的CAN總線與1553B總線系統(tǒng)通信。轉(zhuǎn)換卡對ARM9實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)擴(kuò)展，外擴(kuò)了16 MB FLASH和32 MB RAM，因此當(dāng)總線兩邊數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配時(shí)，就可以把等待發(fā)送的數(shù)據(jù)放到專門開辟的緩沖區(qū)中存放，等待總線空閑時(shí)再發(fā)送，雖然CAN總線的最快傳輸速率與1553B相同，但是由于1553B是主從式總線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)只能傳輸一定的數(shù)據(jù)量，所以他的數(shù)據(jù)傳輸速率有可能還比CAN總線慢，因此數(shù)據(jù)的緩沖是兩方面的。

(3) 擴(kuò)展了LCD接口和串口。在現(xiàn)場可以通過40針接口的LCD或者上層的計(jì)算機(jī)監(jiān)控兩總線之間的信息交互，還可以通過串口和ARM9的JTAG口實(shí)時(shí)地調(diào)試ARM9中的程序。

(4) 良好的實(shí)時(shí)性。在接口中，通過對CAN和1553B總線中斷應(yīng)答優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，可以非常好地滿足整個(gè)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

5 結(jié) 語

通過實(shí)際應(yīng)用證明，基于ARM9的1553B和CAN總線轉(zhuǎn)換卡無論硬件還是軟件都能夠很好地滿足1553B和CAN總線對實(shí)時(shí)性、可靠性以及速率的要求，在一定的命令體系中能夠很好地完成CAN與1553B總線之間的信息轉(zhuǎn)換。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 唐太崗 男，1982年出生，重慶大足縣人，碩士研究生。主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。

曾 超 男，1968年出生，貴州貴陽市人，研究員。主要從事電子工程電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究