張 佳

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077）

MIL-STD-1553B 總線是為適應(yīng)工業(yè)和軍事的需要而提出的機(jī)載數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)。MIL-STD-1553B 總線具有高速、靈活，通信效率高，修改、擴(kuò)充和維護(hù)簡便的特點(diǎn)。MIL-STD-1553B 最初是設(shè)計作為軍用航空電子的航空數(shù)據(jù)總線，但目前已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)和科技領(lǐng)域。由于MIL-STD-1553B 總線優(yōu)異的性能和特點(diǎn)，伴隨著武器裝備的更新，MILSTD-1553B 總線不僅在航空武器裝備中得到了廣泛應(yīng)用，同時其應(yīng)用也已擴(kuò)展到了陸軍和海軍等其他兵種的武器裝備中，空間飛行器、各類艦艇、地面裝備等都有其應(yīng)用。

MIL-STD-1553B 總線測試常用的測試方法是“工控機(jī)+測試板卡”的結(jié)構(gòu)，工控機(jī)通常采用PCI/CPCI/PXI 等總線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，配合相應(yīng)的MIL-STD-1553B 總線測試卡，通過工控機(jī)中的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對MIL-STD-1553B 總線設(shè)備的控制與測試。這種測試方法的優(yōu)點(diǎn)是成熟度高、周期短，缺點(diǎn)是成本高、測試系統(tǒng)體積重量大、不易移動。本文針對傳統(tǒng)MIL-STD-1553B 總線測試系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于DSP 的MIL-STD-1553B 總線測試系統(tǒng)設(shè)計方案，該測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)便攜式測量且成本低，從而有效地解決傳統(tǒng)測試方法所面臨的問題。

1 MIL-STD-1553B 總線工作原理

MIL-STD-1553B 是美國國防部發(fā)布的一個軍用標(biāo)準(zhǔn)，定義了機(jī)械、電氣和串行數(shù)據(jù)總線的功能特征。MIL-STD-1553B 的全稱是“數(shù)字時分命令/響應(yīng)多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線”。它具有多個冗余的平衡線路物理層、一個差分網(wǎng)絡(luò)接口、時分多路復(fù)用、半雙工命令/響應(yīng)協(xié)議。該總線協(xié)議的功能是為不同系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息傳遞提供橋梁。

典型的MIL-STD-1553B 多路數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)由控制多個遠(yuǎn)程終端（RT）的總線控制器（BC）組成，它們通過數(shù)據(jù)總線連接在一起，在總線控制器與所有相關(guān)的遠(yuǎn)程終端之間提供單個信息路徑。數(shù)據(jù)總線上節(jié)點(diǎn)包含多種終端類型，通常包括總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)視器（MT）3 種終端類型。這3 種終端通過多路總線接口（MBI）來完成其功能。一般情況下，將多路總線接口嵌在主控機(jī)內(nèi)部，在一條數(shù)據(jù)總線上可以控制31 個遠(yuǎn)程終端，并且總線上也可以有1 個或多個總線監(jiān)視器（BM）?？偩€監(jiān)視器不參與數(shù)據(jù)傳輸，只能用作捕獲和記錄數(shù)據(jù)等[1]。在MIL-STD-1553B 數(shù)據(jù)總線上，只有總線控制器（BC）能夠發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。各用戶子系統(tǒng)設(shè)備作為遠(yuǎn)程終端（RT）是接入數(shù)據(jù)總線，如果遠(yuǎn)程終端（RT）要傳輸或接收數(shù)據(jù)，同樣需要BC 進(jìn)行控制[2]。各終端之間的信息傳輸方式有多種，在總線控制器與特定遠(yuǎn)程終端之間，或者在總線控制器與1對遠(yuǎn)程終端之間，允許6 種類型的信息。

（1）控制器到遠(yuǎn)程終端傳輸。總線控制器發(fā)送1個16 位接收命令字，緊隨1 到32 個16 位數(shù)據(jù)字。然后，所選的遠(yuǎn)程終端發(fā)送1 個16 位狀態(tài)字。

（2）遠(yuǎn)程終端到控制器傳輸?？偩€控制器向遠(yuǎn)程終端發(fā)送1 個發(fā)送命令字。遠(yuǎn)程終端然后發(fā)送1個狀態(tài)字，緊隨1 到32 個字。

（3）遠(yuǎn)程終端到遠(yuǎn)程終端傳輸?？偩€控制器發(fā)出1 個接收命令字，緊隨1 個發(fā)送命令字。發(fā)送遠(yuǎn)程終端發(fā)送1 個狀態(tài)字，緊隨1 到32 個數(shù)據(jù)字。接收終端然后發(fā)送其狀態(tài)字。

（4）無數(shù)據(jù)字的模式命令?？偩€控制器發(fā)送1個命令字，子地址為0 或31，表示“模式代碼”類型命令。遠(yuǎn)程終端用1 個狀態(tài)字響應(yīng)。

（5）有數(shù)據(jù)字的模式命令（發(fā)送）。總線控制器發(fā)送1 個命令字，子地址為0 或31，表示“模式代碼”類型命令。遠(yuǎn)程終端以1 個狀態(tài)字作為響應(yīng)，緊隨1 個數(shù)據(jù)字。

（6）有數(shù)據(jù)字的模式命令（接收）。總線控制器發(fā)送1 個具有子地址0 或31 的命令字，表示“模式代碼”類型命令，緊隨1 個數(shù)據(jù)字。遠(yuǎn)程終端用1 個狀態(tài)字響應(yīng)。

為了提高M(jìn)IL-STD-1553B 數(shù)據(jù)總線工作可靠性，單個總線由在1 MHz 時具有70～85 Ω 阻抗的線對組成。在使用圓形連接器的情況下，其中心引腳用于高（正）曼徹斯特雙相信號[3]。發(fā)射器和接收器經(jīng)由隔離變壓器耦合到總線，并使用一對隔離電阻器和可選地耦合變壓器分支出短截線連接。曼徹斯特編碼用于在同一線對上呈現(xiàn)時鐘和數(shù)據(jù)，并消除信號中的任何DC 分量。通常采用雙冗余或三冗余方式。所有設(shè)備連接到所有總線。在當(dāng)前主控制器發(fā)生故障的情況下，指定新的總線控制計算機(jī)。MIL-STD-1553B 數(shù)據(jù)總線的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MIL-STD-1553B 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 MIL-STD-1553B bus topology

1553B 總線以異步、命令/響應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，它的工作方式為半雙工方式。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，所有的通信由總線控制器啟動，并且終端設(shè)備無法自行啟動信息傳輸[4]。總線上的數(shù)據(jù)以消息為單位，數(shù)據(jù)流由消息組成?？偩€消息包含命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字3 種類型的字，所有的消息字都采用曼徹斯特Ⅱ型碼。

曼徹斯特Ⅱ型碼原理如圖2所示。

圖2 曼徹斯特Ⅱ型雙極性碼Fig.2 ManchesterⅡbipolar code

2 1553B 總線控制器

在構(gòu)建MIL-STD-1553B 多路傳輸數(shù)據(jù)總線時，必須使用1553B 協(xié)議芯片及其附屬電路。目前，諸多廠家均推出了1553B 總線協(xié)議芯片，這些協(xié)議芯片普遍設(shè)計了多樣的接口方式，可以與不同的主控制器連接，其中具有典型代表性的是DDC 公司的ACE（advanced communication engine）系列多功能模塊，它屬于超大規(guī)模混合集成電路，功能強(qiáng)，適宜復(fù)雜應(yīng)用。

MIL-STD-1553B 協(xié)議的BU-61580 型號ACE 多功能模塊是DDC 公司研制的1553B 總線協(xié)議芯片。它可在主處理器與1553B 總線之間實(shí)現(xiàn)通信，該芯片包含了終端與CPU 之間的完整集成接口，支持MIL-STD-1553 A 和B 以及STANAG 3838 總線協(xié)議[5]。ACE 模塊采用1.9 平方英寸、70 引腳的薄型封裝，采用適合嚴(yán)苛應(yīng)用環(huán)境的多芯片模塊MCM（multi-chip module）陶瓷封裝。

BU-61580 芯片包含了2 個低功耗的雙端收發(fā)器、協(xié)議邏輯處理單元、存儲器管理邏輯單元、處理器接口邏輯單元并且內(nèi)置了共享靜態(tài)RAM 和緩沖接口。其電磁兼容性滿足MIL-STD-883B 軍標(biāo)，芯片采用單電源（+5 V）供電。

BU-61580 與主機(jī)處理器的接口包含17 個內(nèi)部操作寄存器以及額外的8 個測試寄存器和64 K×16個共享內(nèi)存空間。BU-61580 的4 K×16 內(nèi)部RAM 位于此空間中。

使用BU-61580 芯片開發(fā)1553B 總線接口，需掌握其引腳功能及內(nèi)部操作寄存器。要實(shí)現(xiàn)對BU-61580 的讀寫訪問及配置，需要嚴(yán)格按照其數(shù)據(jù)手冊中的讀寫時序進(jìn)行。圖3給出了16 位緩沖非零等待模式下主處理器讀取BU-61580 的RAM時序圖。

圖3 讀取BU-61580 的RAM 時序圖Fig.3 Sequence diagram of reading BU-61580 RAM

3 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

MIL-STD-1553B 總線測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)各器件和芯片之間的電氣、邏輯連接等，主要分為DSP 處理器、顯示模塊、電源模塊、其他輔助模塊等部分。下面分別對各模塊的設(shè)計思路進(jìn)行介紹。

3.1 DSP 處理器

為了實(shí)現(xiàn)對MIL-STD-1553B 總線協(xié)議控制器的訪問和讀寫，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測試邏輯，需要選用功能和性能均能滿足需求的主處理器。經(jīng)綜合比較與考察，本設(shè)計選用了美國德州儀器公司（TI）的TMS320F28335 型號的DSP 處理器作為測試系統(tǒng)的主處理器，其運(yùn)算速度最高可達(dá)150 MHz，并且支持AD 轉(zhuǎn)換、I2C、CAN、SPI 等幾乎所有的外設(shè)接口功能。

TMS320F28335 處理器使用具有多級流水線特點(diǎn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許其并行讀寫程序和數(shù)據(jù)存儲空間。在TMS320F28335 芯片內(nèi)部集成了大量不同的存儲介質(zhì)，TMS320F28335 片上有256 K×16 位的FLASH，34 K×16 位的SRAM，8 K×16 位的BOOT ROM，2 K×16 位的OPT ROM。F28335 對以上存儲空間進(jìn)行統(tǒng)一尋址也就是程序、數(shù)據(jù)和I/O統(tǒng)一尋址，通過這種尋址方式可以提高存儲空間的利用率。另外，更重要的是TMS320F28335 DSP 還具備外部并行擴(kuò)展接口XINTF，可進(jìn)一步外擴(kuò)存儲空間。

F28335 內(nèi)核本身并無存儲空間，經(jīng)由數(shù)據(jù)總線讀寫芯片內(nèi)部集成的或者外部擴(kuò)展的存儲器。其總線按照改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，分成32 位的數(shù)據(jù)讀、數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)總線，地址讀、地址寫總線，公用數(shù)據(jù)總線即程序總線，包括22 位的程序地址總線，其功能是傳輸程序空間的I/O 地址，32 位讀數(shù)據(jù)程序總線，其功能是讀入程序空間的指令或者數(shù)據(jù)。TMS320F28335通過32 位的數(shù)據(jù)地址總線和22 位的程序地址總線訪問存儲器空間和外部設(shè)備，最大可尋址4 G×16位的數(shù)據(jù)空間和4 M×16 位的程序空間。通常寫的程序所需存放4 M×16 位空間已足夠大，若大于4 M×16 位意味著程序空間不夠處理，在實(shí)際中采用分頁處理的方式，因?yàn)閷?shí)際數(shù)據(jù)尋址空間為4 G×16位，通過分頁機(jī)制可以擴(kuò)展實(shí)際尋址的程序空間。要找到對應(yīng)程序的空間地址與數(shù)據(jù)的空間地址，就需要對空間地址進(jìn)行編碼，將空間地址進(jìn)行邏輯編碼，也就是映射。F28335 的存儲器配置及地址映射如圖4所示。

圖4 存儲器配置及地址映射圖Fig.4 Memory configuration and address map

TMS320F28335 的外部并行擴(kuò)展接口XINTF分別映射到3 個固定的存儲器區(qū)域，即XINTF ZONE0、ZONE6 和ZONE7。外部并行擴(kuò)展接口XINTF 的每個區(qū)域均包含片選引腳，當(dāng)對某個區(qū)域進(jìn)行讀寫訪問時，就要將信號線置低。XINTF 的存儲器的3 個區(qū)域中的任何一個都可通過編程設(shè)定獨(dú)立的等待時間，選通信號建立時間及保持時間，每個區(qū)域的讀寫操作都可以配置成不同的等待時間，另外可以通過XREADY 信號線延長等待時間，XINTF 接口的這些特性允許其方位不同速率的外部存儲器設(shè)備[6]。

通過XTIMINGx 寄存器可配置每個區(qū)域的等待時間及選通信號的建立與保持時間。XINTF 接口的訪問時序是以內(nèi)部時鐘XTIMCLK 為基準(zhǔn)的，XTIMCLK 信號頻率可以配置為系統(tǒng)時鐘SYSCLKOUT 的頻率或其一半。圖5給出了XTIMCLK=SYSCLKOUT 情況下的讀訪問時序圖，其中XINTF配置為XRDLEAD=2，XRDACTIVE=4，XRDTRAIL=2。

對比圖3中BU-61580 的讀寫時序和圖5中TMS320F28335 的讀寫時序可知，可以將F28335 的XINTF 模塊的讀寫時序配置為滿足BU-61580 讀寫的時序波形，從而實(shí)現(xiàn)兩種器件的互連通訊。

圖5 XINTF 讀訪問時序圖Fig.5 XINTF read access sequence diagram

3.2 顯示模塊

為實(shí)現(xiàn)MIL-STD-1553B 總線測試數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，在測試系統(tǒng)中配置了LCD 液晶顯示屏，選用的型號是LCD12864。本設(shè)計選用了帶中文字庫的LCD12864 液晶顯示屏。該液晶顯示屏具有多種通信方式，包括并行、串行通信方式。其內(nèi)部自帶國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫。其顯示分辨率為128×64像素，具備8192 個16×16 點(diǎn)漢字以及128 個16×8點(diǎn)ASCII 字符集。通過該模塊靈活的接口方式和簡潔的控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全中文人機(jī)交互界面，顯示8×4 行16×16 點(diǎn)陣的漢字，完成圖形文字顯示。

利用液晶顯示模塊LCD12864 的顯示功能，將MIL-STD-1553B 總線測試系統(tǒng)的工作模式、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)時的顯示出來，能夠使用戶直觀地了解總線測試狀態(tài)。LCD12864 顯示界面如圖6所示。

圖6 LCD12864 顯示界面Fig.6 LCD12864 display interface

3.3 電源模塊

電源模塊主要用于為測試系統(tǒng)中的各器件供電，由于各元器件的供電電壓不同，因此電源模塊需要提供不同的電壓。電源電路的設(shè)計是硬件系統(tǒng)的核心。

1553B 總線控制器BU-61580 的供電電壓和IO口電壓是5 V，采用穩(wěn)壓電源的5 V 輸出直接供電。

為降低功耗，同時便于DSP 芯片與外圍芯片兼容，F(xiàn)28335 DSP 控制器采用雙電源供電機(jī)制，在F28335 系統(tǒng)中需要提供以下3 種電源。

（1）內(nèi)核電源VDD。用于為CPU、時鐘源模塊和大部分外設(shè)等內(nèi)部邏輯電路提供電源。F28335的內(nèi)核電源為1.8 V 或1.9 V。若CPU 工作頻率低于135 MHz，可采用1.8 V 供電； 否則必須采用1.9 V供電。

（2）I/O 供電電源VDDIO。為便于與外圍芯片兼容，DSP 控制器采用3.3 V 供電電源與外部接口相連。所有數(shù)字量輸入引腳電平與3.3 VTTL 電平兼容，所有輸出引腳與3.3 VCMOS 電平兼容。因而DSP 控制器與外圍低壓器件接口相連時，無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路。

（3）模擬電源VDDA 和VDDAIO，分別為3.3 V與1.9 V。用于為片內(nèi)ADC 模塊的模擬電路提供電源。

考慮到F28335 采用3.3 V 和1.9 V 雙電源供電，本系統(tǒng)采用數(shù)字模擬地分離設(shè)計，電路如圖7所示。設(shè)計電源電路時需要特別注意散熱和電容匹配問題。本設(shè)計使用TPS767D301 電源轉(zhuǎn)換芯片，它帶有使能端的3.3 V 和一個可調(diào)輸出通道，每路輸出最大電流可達(dá)1 A。

5 V 輸入電源經(jīng)過TPS676D301 后經(jīng)濾波器輸出CPU 內(nèi)核電源（VDD）1.9 V 和I/O 電源（VDDIO）3.3 V。

圖7 電源電路圖Fig.7 Power circuit diagram

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分是整個測試系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)測試流程的邏輯。為使F28335 控制器的CPU 控制片內(nèi)各功能模塊正常工作，必須對其進(jìn)行軟件編程驅(qū)動，使系統(tǒng)時鐘、片內(nèi)外設(shè)等硬件資源按照各自功能和系統(tǒng)需求運(yùn)行。進(jìn)行驅(qū)動程序開發(fā)的基本思想是：首先通過代碼描述片內(nèi)硬件資源，然后編寫程序?qū)τ布Y源進(jìn)行設(shè)置。

為便于用戶編程，TI 提供了驅(qū)動程序開發(fā)包和部分源程序。其中最基本的開發(fā)包是C/C++頭文件和外設(shè)示例，可根據(jù)DSP 目標(biāo)系統(tǒng)芯片的不同選擇對應(yīng)的開發(fā)包。開發(fā)包所提供的示例程序具有代碼質(zhì)量高、內(nèi)容全面，結(jié)構(gòu)規(guī)范、易于掌握，開發(fā)周期短、便于實(shí)時硬件評測等優(yōu)點(diǎn)?；谶@些代碼庫，可以方便地進(jìn)行軟件開發(fā)。

MIL-STD-1553B 總線測試系統(tǒng)的軟件部分基于TI 提供的驅(qū)動程序開發(fā)包實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電后，首先初始化各器件，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，程序判斷按鍵狀態(tài)，包括工作模式切換按鍵、方向按鍵以及數(shù)字按鍵。如果檢測到按鍵工作，軟件根據(jù)按鍵類型執(zhí)行相應(yīng)的操作：工作模式切換按鍵按下，則軟件控制DSP 輸出命令使BU-61580 切換到對應(yīng)的工作狀態(tài)；方向按鍵按下，軟件移動顯示光標(biāo)到下一位置；數(shù)字按鍵按下，在光標(biāo)位置處輸入對應(yīng)數(shù)字。軟件工作流程如圖8所示。

5 結(jié)語

圖8 軟件工作流程圖Fig.8 Flow chart of software principle

利用TMS320F28335 型DSP 處理器強(qiáng)大的外部并行擴(kuò)展接口能夠?qū)崿F(xiàn)對BU-61580 總線控制器的讀寫訪問與控制，結(jié)合LCD12864 顯示模塊可以設(shè)計出具有良好人機(jī)界面的MIL-STD-1553B 總線測試系統(tǒng)。此外該系統(tǒng)具有輕量、便攜的特點(diǎn)，適合在外場對MIL-STD-1553B 總線設(shè)備進(jìn)行測試。