吳文志，陳 欣，呂迅竑

（南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

MIL-STD-1553B（以下簡稱1553B）總線標(biāo)準(zhǔn)是美國于20世紀(jì)70年代提出的飛機內(nèi)部電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，由于具有可靠性高、實時性好、使用靈活等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在軍用有人和無人機中。我國于1987年建立了與1553B相應(yīng)的國家軍用標(biāo)準(zhǔn) 《數(shù)字式時分制指令／響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線》（GJB 289-1987），并于1997年對原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)充和修訂（GJB 289A-1997），一直沿用至今[1]。

FlexRay總線是一款新型時間總線，具有高速率，時間確定性，信道容錯冗余功能，完全滿足新型分布式結(jié)構(gòu)飛行仿真計算機內(nèi)部總線數(shù)據(jù)通信需求[2]。根據(jù)分布式結(jié)構(gòu)飛行仿真計算機對1553B通信接口的需求，本文設(shè)計了基于FlexRay總線的飛行仿真計算機1553B接口單元。

1 分布式飛行仿真計算機簡介

典型的基于FlexRay總線的分布式飛行仿真計算機由中央處理單元、串口量單元、模擬量單元、開關(guān)量單元及1553B接口單元組成[3]。其中CPU單元是分布式飛行仿真計算機的核心主控單元，其功能主要通過CAN總線接收其余四個功能模塊的上行數(shù)據(jù)，經(jīng)控制律解算及邏輯管理后，將數(shù)據(jù)下行傳輸給各功能板。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本文設(shè)計研究一種基于FlexRay新型總線的1553B接口單元。

圖1 基于FlexRay總線的飛行仿真計算機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram offlight simulation computer based on FlexRay bus

2 1553B節(jié)點硬件電路設(shè)計

基于FlexRay總線的飛行仿真計算機1553B接口單元以FPGA作為主控制芯片，F(xiàn)PGA采用Altera公司Cyclone III系列的EP3C25Q240芯片。選擇該芯片的原因是由于FPGA硬件連接靈活，編寫程序簡單，且該芯片IO口資源豐富。

圖2為基于FlexRay的飛行仿真機1553B節(jié)點硬件總體設(shè)計。如圖2所示，本設(shè)計采用BU－61580S3作為1553B主控芯片。BU-61580集成了雙通道1553B信號的收/發(fā)器，內(nèi)部有4K字的RAM用于1553B消息存儲，簡化了用戶程序設(shè)計。采用B3226作為1553B總線變壓器，B3226主要功能是將1553B總線電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為TTL電平。而由于BU-61580的IO接口為5 V電平接口，而EP3CQ240的IO電平為3.3 V，故在FPGA與BU-61580之間需要通過一個電平轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電平匹配。

圖2 基于FlexRay的飛行仿真機1553B節(jié)點硬件總體設(shè)計Fig.2 The overall hardware design of the flight simulation computer 1553B Node base on FlexRay bus

FlexRay節(jié)點有3種架構(gòu)方式，分別為微處理器（MCU）+通訊控制器（CC）+總線驅(qū)動器（BD），微處理器+總線驅(qū)動器，微處理器3種。其中前兩種架構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)，本設(shè)計采用微處理器+通信控制器+總線收發(fā)器的架構(gòu)模式，其中通信控制器采用MFR4310，它是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的一款面向汽車的FlexRay設(shè)備，它的物理層通道有兩個獨立的發(fā)送/接收通道，每個通道的傳輸速率可達(dá)10Mbit/s。通信控制器兩路通道的總線控制器采用TJA1080，TJA1080是恩智浦半導(dǎo)體公司推出的FlexRay收發(fā)器，它提供了1Mbit/s到10Mbit/s的傳輸率，可以配置成主動星型或者節(jié)點收發(fā)器[2]。

為了保證系統(tǒng)正確無誤運行及調(diào)試方便考慮，本設(shè)計還增加了供電系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、調(diào)試及測試接口、外部存儲器系統(tǒng)、復(fù)位及復(fù)位配置系統(tǒng)、RS232總線電路6個模塊作為輔助功能。

2.1 1553B接口設(shè)計

2.1.1 BU-61580與FPGA接口設(shè)計

BU-61580芯片為DDC公司使用最為廣泛的控制芯片，擁有多種操作模式，如透明模式、緩沖模式，本設(shè)計采用緩沖模式。如圖3所示，通過將BU-61580的16/8引腳連接至VCC，TRANSPARENT/BUFFERED、ZEROWAIT 引 腳 連 接 至GND，將BU-61580的工作模式設(shè)置為16位零等待緩沖模式，具體管腳配置見表1。

由于BU-61580的輸入高電平閾值為2 V，輸出高電平為5 V，而FPGA的工作電平為3.3 V，故FPGA的輸出電平可用于驅(qū)動BU-61580，但BU-61580輸出信號至FPGA過程中需要外加電平轉(zhuǎn)換芯片。本設(shè)計采用的是SN74ALVC164245作為電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片擁有十六位電平轉(zhuǎn)換長度。

BU-61580的時鐘采用外部有源晶振，CLOCK引腳接16M有源晶振，根據(jù)GJB 289A-97要求，晶振的長期穩(wěn)定性為0.1%，短期穩(wěn)定性為0.01%[4]。

2.1.2 BU-61580與收發(fā)器接口設(shè)計

圖3 BU-61580與FPGA硬件連接圖Fig.3 Hardware connection diagram between BU-61580 and FPGA

表1 1553B引腳配置Tab.1 Pin connection of 1553B

本設(shè)計采用的隔離變壓器芯片為B-3226，該芯片每個通道通信可以達(dá)到1 Mbit/s，可以提供很好的通信帶寬，具有強大的容錯傳輸功能[7]。耦合變壓器與BU-61580硬件連接如圖4所示，BU-61580內(nèi)部擁有兩路1553B收發(fā)器分別與隔離變壓器B-3226相連，B-3226將1553B電平邏輯轉(zhuǎn)換為TTL邏輯電平，進(jìn)而將處理后的信號送入BU-61580內(nèi)部的收發(fā)器中，實現(xiàn)一次1553B接收通信。

圖4 B-3226與BU-61580連接圖Fig.4 Connection diagram between BU-61580 and B-3226

2.2 FlexRay接口設(shè)計

本設(shè)計中，選擇MFR4310作為FlexRay總線主控芯片，該芯片具有兩條通信通道，每條通道速率可配置為：2.5，5，8，10Mbit/s；TJA1080 作為獨立的 FlexRay 收發(fā)器，具有低電磁輻射特性。外界傳感器數(shù)據(jù)通過1553B總線傳輸至本板卡后，經(jīng)FPGA預(yù)處理后通過FlexRay總線發(fā)送至CPU單元中，從而實現(xiàn)一次CPU讀取外部傳感器信息。

2.2.1 通信控制器與處理器接口設(shè)計

MFR4310與處理器擁有3種連接模式，分別為：異步存儲器接口（AMI）、MPC接口、HCS12接口。硬件設(shè)計通過配置IF_SEL0和IF_SEL1兩個引腳來選擇哪種接口模式。按照飛思卡爾官方推薦連接電路，MPC接口主要為MFR4310與PowerPC處理所設(shè)計的接口，而HCS12接口主要為MFR4310與HCS12系列處理器所設(shè)計的接口[5]，由于本設(shè)計采用的處理器為FPGA，故采用異步存儲器接口。具體硬件連接圖如圖5所示，AMI接口將通信控制器配置為異步存儲器從設(shè)備，進(jìn)而能夠與多種處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在AMI接口模式下，處理器通過控制CE#、OE#、WE#等信號實現(xiàn)與MFR4310數(shù)據(jù)交換。

圖5為通信控制器引腳配置連接圖，如圖5所示，由于本設(shè)計采用 AMI模式，需要設(shè)置 IF_SEL[0:1]為{2’b10}，該值可通過將IF_SEL0引腳下拉、IF_SEL1引腳上拉來實現(xiàn)。

圖5 通信控制器引腳配置連接圖Fig.5 Pin connection diagram of communication controller

2.2.2 通信控制器與收發(fā)器接口設(shè)計

通信控制器與收發(fā)器硬件連接圖如圖6所示，F(xiàn)lexRay模塊內(nèi)部主要由由控制主機接口（CHI）與協(xié)議引擎（PE）等部分組成，主機可通過CHI模塊訪問FlexRay功能模塊的配置、控制和狀態(tài)信息機消息緩沖區(qū)的配置、控制和狀態(tài)信息。這些消息緩沖區(qū)位于FlexRay模塊內(nèi)存（FRM）中，用于存儲發(fā)送和接收的幀頭、有效負(fù)載數(shù)據(jù)、時序消息等。而PE模塊有TxA和TxB兩個發(fā)送單元及RxA、RxB兩個接收單元，分別用于兩個FlexRay通道發(fā)送和接收幀信息[6]。

圖6 通信控制器與收發(fā)器硬件連接圖Fig.6 Connection diagram between communication controller and transceiver

通信控制器通過信號引腳TXD、RXD、TXEN與總線收發(fā)器進(jìn)行連接，正常高速通信模式下，當(dāng)MFR4310通訊控制器的TXEN[1：2]#引腳為高電平時，TJA1080的發(fā)送使能引腳TXEN有效，這時TJA1080的TXD輸入引腳把從通訊控制器TXD_BG[1:2]引腳輸入的數(shù)字位流，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬總線信號再輸出到FlexRay總線上；同時，TJA1080將FlexRay總線上的模擬總線信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字位流，從TJA1080的RXD引腳輸送到通訊控制器MFR310的RXD_BG2引腳上，完成總線與MFR4310通信控制器的數(shù)據(jù)通信[8]。

3 軟件驅(qū)動程序設(shè)計

3.1 1553B總線軟件驅(qū)動設(shè)計

本設(shè)備1553B協(xié)議芯片工作于BC模式下，而其他傳感器模塊工作于RT模式，即：本設(shè)備工作于主模式，傳感器設(shè)備工作于從模式。當(dāng)本設(shè)備需要傳感器信息時，發(fā)送數(shù)據(jù)請求幀，傳感器模式將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至本設(shè)備。本設(shè)備要求接受的傳感器信息頻率如表2所示。

表2 1553B設(shè)備傳感器信息Tab.2 Information of 1553B sensor equipment

從上表可看出，各個傳感器的頻率并非完全一致。而BU-61580可以通過使用大小周期來支持多種頻率的數(shù)據(jù)傳輸，在自動發(fā)送模式下，可以通過設(shè)置小周期為100 Hz、大周期為50 Hz，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀按要求的速率進(jìn)行傳輸。

BU-61580的程序初始化流程如下所示：

1）將該模塊設(shè)置為增強型BC模式，設(shè)置中斷屏蔽寄存器，初始化配置寄存器、時間標(biāo)簽寄存器；

2）初始化內(nèi)存空間，為3個傳感器分配內(nèi)存初始地址及內(nèi)存空間；

3）配置復(fù)位寄存器，啟動BC。

3.2 FlexRay總線軟件驅(qū)動設(shè)計

本設(shè)備接收外部傳感器信息，通過內(nèi)部總線FlexRay發(fā)送至CPU板卡中，進(jìn)而實現(xiàn)一次總線收發(fā)。FlexRay總線收發(fā)主要由總線控制器實現(xiàn)的，F(xiàn)lexRay總線控制器具體的通信流程如下。

總線控制器MFR4310的信息緩沖器（Message Buffer，簡稱MB）是用來存儲幀數(shù)據(jù)、配置、控制、狀態(tài)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)[9]。當(dāng)總線通信時，MB是暫時存儲數(shù)據(jù)的物理介質(zhì)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送時，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)存儲于MB中，當(dāng)周期輪轉(zhuǎn)至發(fā)送時槽時，硬件節(jié)點將數(shù)據(jù)從MB中取出發(fā)送至另一接收節(jié)點的相應(yīng)MB中，實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)通信。

MB在使用前，必須經(jīng)過初始化。FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始化包括初始化節(jié)點自身和初始化網(wǎng)絡(luò)。初始化自身由3步組成：

1）初始化 FlexRay模塊。完成 FlexRay模塊基地址存儲映射，重啟FlexRay通信控制器，進(jìn)入配置狀態(tài)（POC:config），由函數(shù) Fr_module_init（）完成；

2）FlexRay協(xié)議初始化。該步定義相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置和節(jié)點通信任務(wù)分配，由函數(shù)Fr_poc_configuration（）完成；

3）消息緩沖器初始化。初始化FlexRay通信控制器消息緩沖器與通信數(shù)據(jù)報文的對應(yīng)關(guān)系，由函數(shù)Fr_buffers_init（）完成。節(jié)點初始化自身完成后就進(jìn)入通信就緒狀態(tài)（POC：ready）。之后，進(jìn)入初始化網(wǎng)絡(luò)階段，這階段通過發(fā)送啟動幀完成網(wǎng)絡(luò)啟動。根據(jù)表2的配置，節(jié)點ECU1和ECU2分別在時槽1和時槽4發(fā)送啟動信息幀，同時偵聽網(wǎng)絡(luò)中的啟動幀個數(shù)，直到網(wǎng)絡(luò)中有足夠的啟動幀啟動網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在正常主動狀態(tài)下 （POC：nomal active）完成節(jié)點問通信。詳細(xì)流程圖如圖 7所示[10]。

圖7 FlexRay節(jié)點初始化流程圖Fig.7 Initialization flow diagram of FlexRay node

4 總線網(wǎng)絡(luò)通信測試與結(jié)果分析

最后對所設(shè)計的基于FlexRay總線的1553B節(jié)點進(jìn)行測試，其測試平臺如圖8所示。通過NI測試設(shè)備對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，進(jìn)而產(chǎn)生一組傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)1553B總線通信。

圖8 實驗設(shè)備示意圖Fig.8 Diagram of the laboratory equipment

系統(tǒng)上電后，CPU板卡及1553B板卡進(jìn)行寄存器配置，實現(xiàn)自身初始化，然后CPU板卡作為冷啟動節(jié)點發(fā)送10個冷啟動幀至FlexRay總線上，進(jìn)行總線組網(wǎng)，1553B板卡接收到冷啟動幀后，立即加入FlexRay總線集群中，至此，總線準(zhǔn)備完成。待總線準(zhǔn)備完成，節(jié)點間開始通信，圖9為CPU節(jié)點與1553B節(jié)點間通信波形。

圖9 CPU節(jié)點與1553B節(jié)點間通信波形Fig.9 Communication waveforms between CPU Node and 1553B Node

如圖9所示，F(xiàn)lexRay通信周期為16 ms，靜態(tài)時隙長度為50 μs，將CPU板卡與1553B板卡進(jìn)行通信實驗6小時，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 實驗結(jié)果Tab.3 The experimental results

通過實驗結(jié)果可以得出，節(jié)點設(shè)計合理，本設(shè)備可準(zhǔn)確接收外界1553B傳感器信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理功能，可為新型分布式無人機飛行仿真計算機提供1553B通信接口。

5 結(jié)束語

1553B作為航空內(nèi)部電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可設(shè)計為飛行仿真計算機的外部總線，而FlexRay為新型總線，具有速率快，多冗余等特點，可設(shè)計為飛行仿真計算機外部總線。這兩種總線各展所長，為飛行仿真計算機提供了快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。本文設(shè)計了基于FPGA的1553B總線節(jié)點，通過與NI設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，結(jié)果正確，能夠滿足飛行仿真計算機數(shù)據(jù)鏈路要求，為以后先進(jìn)飛行仿真計算機新型總線FlexRay與1553B總線的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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