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基于NIOS II的1553B总线测试系统设计

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　　摘要： 1553B总线以其可靠性高、实时性好、使用灵活等优点，广泛应用于现代飞机、导弹、卫星、舰艇、坦克等航空、航天、兵器领域，并且逐渐扩展到地铁交通控制等民用领域。而在实际使用过程中，1553B总线由于接口配置复杂，无法直接与PC进行通信，使得系统的安装调试存在困难。利用NIOS II软核处理器面向用户、灵活定制的特性和USB接口方便、支持热插拔的优点，给出了一种在FPGA上已经实现的1553B总线测试系统设计方法。整个系统硬件设计简单，软件设计稳定可靠，可应用于1553B系统调试和测试以及各种仿真实验中。

　　关键词： NIOS II软核处理器；1553B；USB；测试系统

0 引言

　　MIL-STD-1553B由美国在20世纪70年代提出，具有可靠性高、实时性好、灵活性强的特点，已经发展成国际公认的数据总线标准，广泛应用于现代飞机、导弹、卫星、舰艇、坦克等航空、航天、兵器领域，并且逐渐扩展到地铁交通控制等民用领域。我国从20世纪90年代初开始引进1553B数据总线，经过十多年的发展，1553B已经成为国内航空航天的主要航电总线之一。国内一些研究机构也通过不断努力，已经有能力研制生产出符合1553B标准的接口芯片，本文在设计中即采用了中国电子科技集团公司第58研究所自主研发的JBU61580作为1553B总线通信控制器，其与DDC公司的同型号芯片BU61580完全兼容，支持插拔替换，具有总线控制（BC）、远程终端（RT）和监测终端（MT）三大功能[1]。

1 系统硬件设计

　　系统采用Altera公司Cyclone Ⅱ系列的FPGA（EP2C8Q208C8）作为主控芯片，内嵌NIOS Ⅱ软核处理器，输入时钟为20 MHz，由PLL倍频出两个100 MHz时钟分别提供给NIOS Ⅱ软核处理器和外接的SDRAM使用。USB接口部分采用CH375芯片，1553B接口部分采用JBU61580芯片，均利用SoPC Builder支持的用户自定义元件定制时序转换逻辑，以提高接口芯片的读写速度，而NIOS Ⅱ则负责两者之间的数据解析和交换。

　　1.1 总体设计思想

　　硬件原理框图如图1所示，整个系统可以分为5个部分：（1）系统核心模块：NIOS Ⅱ处理器；（2）处理器外围支持电路：时钟单元及SDRAM控制器；（3）程序下载调试模块：JTAG接口控制器和异步通信接口（UART用于打印调试信息）；（4）系统内部外设模块：诸如系统ID、定时器、用户自定制逻辑等；（5）系统外围设备：EPCS存储器、CH375、JBU61580。

　　1.2 系统外围接口设计

　　1.2.1 EPCS接口

　　系统采用Altera专用的配置芯片EPCS4存储FPGA的配置数据和NIOS Ⅱ的程序，EPCS4总共有4 Mbit的存储空间，分成8个64 KB的块，并通过专用电路接口与FPGA连接[2]。FPGA的配置数据从EPCS4中偏移地址为0的地方开始存放，紧接着FPGA的配置数据就是NIOS Ⅱ的程序，也就是说FPGA的配置数据和NIOS Ⅱ的程序从EPCS4的低端地址开始存放，而在本设计中只占用了不到4个块的存储空间，所以高端块的存储空间可以用来存放JBU61580的配置数据。

　　1.2.2 CH375接口

　　CH375是一个USB总线的通用设备接口芯片，工作在全速模式，兼容USB2.0，其内置了USB通信中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式[3]。在内置固件模式下，屏蔽了相关的USB协议，自动完成标准的USB枚举配置过程，完全不需要本地端控制器作任何处理，简化了NIOS Ⅱ的固件编程。本设计中CH375芯片只负责数据的交换，接收上位机下传的数据和NIOS Ⅱ上传的数据。CH375的8位数据总线、4线控制信号读选通、写选通、片选输入、中断输出通过SoPC自定制逻辑连接到Avalon系统互连结构。

　　1.2.3 JBU61580接口

　　JBU61580工作在16位缓冲非零等待模式下，工作电压为5 V，在3.3 V电压下工作的FPGA不能与其直接相连，中间需要接总线驱动器245芯片进行电平转换。JBU61580的寄存器和存储器的读写控制有两种方法：一是用PIO口来模拟JBU61580的读写时序，此方法的优点是实现简单，扩展性强，但读写速度比较慢，不利于系统的模块化与集成；二是根据HDL语言定制符合JBU61580的时序控制逻辑，以访问内存的方式来读写JBU61580的寄存器和存储器，此方法实现稍微复杂，但是可以极大地提高JBU61580的数据读写速度。本设计中即采用了第二种方法。

　　2 软件系统设计

　　由于JBU61580工作在16位缓冲模式，而CH375只有8位数据总线，因此上位机程序要与NIOS Ⅱ约定相同的数据封装格式。上位机将JBU61580的16位地址和数据信息以及一些传输控制指令拆分成8位数据，经过USB总线传输，NIOS Ⅱ收到之后再重新解析成16位的地址和数据。在配置数据全部传送完成之后，NIOS Ⅱ再根据控制指令来配置JBU61580，使其工作在指令要求的模式（BC、RT或MT）下。另外NIOS Ⅱ还将根据上位机的指令决定是否将配置数据写入EPCS中，使得单板在上电复位之后不需要再从上位机获得配置数据，从而可以离线工作。处于离线工作状态，NIOS Ⅱ还应实时监测CH375的中断信号，以便接收上位机的控制指令进入联机工作模式。同样，若NIOS Ⅱ需要上传JBU61580的通信数据，也要将读取的16位数据拆分成两个8位数据，再写入CH375的上传端点中，上位机取走数据之后同样按照约定的封装格式将解析成16位的数据显示出来。

　　软件系统设计分为NIOS Ⅱ固件程序和上位机程序。NIOS Ⅱ固件程序又分为固件主程序、中断处理程序、数据包解析程序。上位机程序则包括BC模式接口及传输控制、RT模式接口及传输控制、MT接口及传输控制3个部分。

　　2.1 NIOS Ⅱ固件程序

　　2.1.1 固件主程序

　　固件主程序主要负责系统初始化及流程控制。初始化主要包括CH375的工作状态测试、工作模式选择，JBU61580的初始复位，读取并判断EPCS4配置存储器的高位地址特征字符以确认是否需要单板离线工作等。在初始化之后进入主循环，实时监视USB接口和1553B接口的中断信号。

　　2.1.2 中断处理程序

　　中断处理程序包括CH375中断处理程序和JBU61580中断处理程序。由于1553B接口的实时要求性高，因此在SoPC系统搭建过程中，JBU61580的中断优先级要高于CH375的中断优先级。

　　在CH375中断处理程序中首先读取中断状态，判断中断类型，再进入相对应的中断类型处理程序。如果是批量端点接收到数据，则读取缓冲区的数据，并置位中断下传标志，退出中断[4]。如果是批量端点发送完数据，则应置位中断上传标志，退出中断。其流程如图2所示。

　　在JBU61580的中断处理程序中，由于存在BC、RT、MT 3种不同的工作模式[5]，则分别对应了不同的中断处理程序。以RT模式为例，当JBU61580接收到来自1553B总线的与本地址相关的消息时，若符合中断条件，将产生中断。由NIOS Ⅱ进行处理，中断处理程序中首先读取JBU61580的中断状态寄存器，判断是否是干扰引起的误中断，读消息描述符中的消息块状态字，判断是否是非法指令；读RT状态字寄存器，判断是否是子地址忙；读取RT上次命令寄存器，获取命令字；根据消息描述符中的数据块指针，找到数据块并保存数据至消息块的结构体中[6]。其流程如图3所示。

　　2.1.3 数据包解析程序

　　数据包解析程序负责解析上位机下传的8位数据及传输控制指令，遵从上位机封装数据的协定，解析出配置JUB61580的16位地址和对应的数据，以及一些如启动、复位等必要的控制指令。另外数据包解析程序还要将从JBU61580读取的16位通信数据分拆封装成8位数据写到CH375的批量上传端口，等待上位机取走。数据包解析程序如图4所示。

　　2.2 上位机设计

　　CH375在计算机端提供了应用层接口，应用层接口是由CH375动态链接库DLL提供的面向功能应用的API。用户可以在上位机软件中直接调用这些API，极大地减少了编写USB设备驱动的工作量。CH375动态链接库提供的API包括：设备管理API、数据传输API、中断处理API。上位机的程序可以分成下传数据和上传数据两部分，下传数据调用CH375WriteData（）函数来实现，上传数据调用CH375ReadData（）函数来实现。由于CH375芯片的上传缓冲区和下传缓冲区只有64 B，故一次的数据传输不能超过64 B。整个上位机软件采用VB2008编写，图5是RT控制接口界面。