航天地面测试中1553B-PCI接口转换技术实现

1 引言
　　1553B 总线是MIL-STD-1553B 总线的简称，其全称为飞机内部时分制指令/响应式多路 传输数据总线，是一种满足实时性、数据完整性和系统可靠性的通用机载串行多路总线标 准，该总线标准首先在航空工业中得到广泛应用。随着卫星技术的发展，1553B 总线在国 内航天领域的应用也日益广泛，作为与之配套的地面检测设备也需要具有1553B 总线接口 的通信板卡。
　　2 方案设计
　　本板卡是基于PCI 总线的1553B 总线接口卡，要实现的功能是利用PCI 总线作为媒介， 实现计算机控制1553B 总线BC 端和RT 端进行数据传输的功能，最终在卫星地面测试过程中 实现由计算机对远程终端的设备进行测试和控制。板卡硬件结构如图1 所示，主要由PCI 协议接口芯片、1553B 总线控制器、收发器和变压器等组成。

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3 PCI-1553B 接口卡功能实现
　　3.1 1553B 协议
　　1553B 总线系统中包含三种不同类型的终端：总线控制器（BC）、总线监视器（MT）和 远程终端（RT）。由于1553B 数据总线采用的是主从控制方式的总线控制，主节点即总线控 制器（BC）负责控制整个网络，控制数据流从BC 流向RT、RT 流向BC 以及RT 流向RT。数 据流的基本形式是消息，协议规定一个消息传输的完整过程由指令字、数据字（或指令字和 状态字）组成。每一种字长为20 位，有效消息位是16 位，每种字的前三位为同步头，最后 一位是奇偶校验位。在本系统中，主要数据传输方式是BC→RT 和RT→BC 两种。 BC 端向RT 端的数据传输过程是首先由BC 发出一个接收指令字及规定数目的数据字到 RT，后者在核实消息后发回一个状态字给BC，指令字和数据字应以没有字间间隔的连续形 式发出。
　　RT 端向BC 端的数据传输过程是首先由BC 向RT 发出一个发送指令字，该RT 在核实指 令字后，发回一个状态字给BC，继之以规定数目的数据字，状态字和数据字应以没有字间 间隔的连续形式发出。
3.2 1553B 总线协议控制器的实现
　　1553B 总线协议控制器是本板卡构成的关键。市场上实现1553B 总线协议的芯片很多， 目前应用比较广泛的是美国数据设备公司（DDC）的BU-61580，它虽然能够完整的实现 1553B 总线协议，但缺点是设置比较复杂、体积比较大、功耗比较高。本设计采用Condor Engineering 公司的FlightCORE-1553 IP 核作为总线协议控制器，它完全满足1553B 总线协 议，为主处理器和1553B 总线提供了完整、灵活的接口，能够实现总线控制器（BC）、远程 终端（RT）和总线监视器（BM）三种模式，并且适应ALTEA 和XILINX 大部分型号的FPGA， 与BU-61580 等协议芯片相比，具有使用灵活、功耗低、节省印制板面积等特点。
　　该总线控制器内部有 1K×16bits 的存储空间，在存储空间的低地址区是硬件寄存器、 固件保留区和文件寄存器，通过对这些寄存器的设置，可以方便地将控制器配置为BC、RT 或者BM。
　　下面对常用的寄存器进行说明： 1. 配置寄存器：用来选择工作模式，即 BC、RT 或BM；
　　2. 控制寄存器：用来启动相应的工作模式；
　　3. 中断使能寄存器：设置产生中断的条件；
　　4. 中断状态寄存器：当中断产生时，固件将该寄存器相应位设置为有效，主处理器通 过读该寄存器判断是否有中断发生；
　　5. 自检寄存器：该寄存器具有只读属性，表明工作状态。 实际应用中，该控制器需要4K 字的存储空间才能正常工作，所以需要扩充存储空间， 考虑到控制器接收处理总线数据后计算机能及时获取而又不影响其正常工作，采用双口RAM 比较合适，其中控制器前1K 字的存储空间和双口RAM 的地址空间是重叠的。
　　3.3 PCI 功能的实现
　　PCI 协议接口芯片采用PLX9054，通过XILINX 的FPGA 实现PLX9054 与1553 总线协议的 通信。当计算机启动时，9054 需要串行EEPROM 为其提供一些必要的配置信息以实现对PCI 配置寄存器和本地寄存器的设置，这些信息除了局部空间的范围和基地址外，还包括设备信 息和中断资源等，这些需要我们事先烧写到EEPROM 中，本文EEPROM 采用93LC56B。
　　实际应用中，需要根据存储空间大小配置相应的9054 的地址空间，1553B 总线控制器 本身含有1K 字的寄存器空间，为了扩大存储器空间，在FPGA 内例化了8K×16bits 的双口 RAM。在9054 的本地端，将地址总线设为32 位，每一次32 位的读写操作仅对其低16 位进 行，高16 位未用，因此实际需要配置2 倍于双口RAM 大小的空间，即32KByte,故EEPROM 中的局部地址空间0 范围寄存器设为FFFF8000，局部地址空间0 描述寄存器设为4B430043。
　　3.4 PCI 总线和1553B 总线的桥接
　　在PCI 总线一边，9054 的PCI 总线端需要和主机上的PCI 插槽进行连接。由于9054 是 专用的PCI 协议芯片，所以它的PCI 端可以直接通过插卡上的引线和PCI 插槽连接。
　　9054 的本地端和1553B 总线控制器HOST 端通过FPGA 实现逻辑转换。9054 支持三种传 输模式，即主模式、从模式和DMA 模式，DMA 模式适合突发的大量数据的传输，由于1553B 总线的数据速率为1Mbps,数据量很小，因此采用从模式中的单周期读写模式，相对于主模 式而言电路设计和时序控制也相对简单。
　　根据9054 从模式下单周期读写时序、1553B 总线控制器HOST 端时序和双口RAM 时序采 用如图2 所示的状态机实现PCI 总线对1553B 总线控制器和双口RAM 空间的读写操作。

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图2 状态转换图

       当9054 的局部总线复位信号有效后，状态机进入S0 状态，当启动本地总线的单周期写 操作时，在检测到地址选通信号有效，且写信号有效后，状态机进入S1 状态，将本地地址 总线赋给1553B 总线控制器的地址总线，状态机进入S2 状态，将本地数据总线赋给1553B 总线控制器的数据总线，直到数据写入后，状态机重新回到S0 状态；当启动本地总线单周 期读操作时，在地址选通信号有效且读信号有效后判断本地地址总线，当本地地址大于等于 1024 时，访问双口RAM 的B 端口，当本地地址小于1024 时，访问1553B 总线控制器内的寄 存器，这样做的好处是防止对双口RAM 操作时出现读写冲突的问题。
　　3.5 接口卡外围电路
　　接口卡外围电路主要包括收发器、变压器和 RT 子地址电路等。 收发器分为接收和发射两部分，接收部分的功能是将 1553 总线上传输的双极性差分曼 彻斯*转化为适合FPGA 输入的互补CMOS/TTL 电平。发射部分是接收部分的逆过程， 它将互补的CMOS/TTL 电平转为适合1553B 总线传输的双极性差分曼彻斯*。本设计收 发器采用HOLT 公司的HI1567，由于HI1567 的工作电压是5V，在与IO 电压非5V 的FPGA 互联时需要串接330 欧姆的电阻。
　　接口卡通过短截线与 1553B 主总线相连。在短截线和收发器之间需要设置隔离变压器， 以提供总线驱动电压，防止终端因短路引起损坏和接口卡产生的噪声影响1553B 主总线上的信号。短截线与1553B 主总线的连接方式有两种：直接耦合和变压器耦合。直接耦合是 直接将短截线连接到主总线。变压器耦合在直接耦合的基础上加了一个耦合变压器，对终端 实行两级隔离，增加了数据传输的距离，同时提高了系统的可靠性。直接耦合短截线的长度 最大为1 英尺（约0.3 米），而变压器耦合方式短截线最大可以达20 英尺（约6 米）。
　　本文 变压器采用HOLT 公司的PMDB2725EX，该变压器提供两种变压比，即1:2.5 和1:1.79，分 别适应直接耦合和变压器耦合两种方式。需要注意的是无论采用哪种方式，都必须在1553B 总线和变压器之间串联隔离电阻对总线进行短路保护。收发器和变压器电路如图3 所示。 RT 子地址不仅可以通过板卡上的手动开关来完成1553B 总线终端RT 地址的设置，也 可以通过上位机进行软件设置。

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图 3 收发器变压器电路图
　　4 驱动及应用软件设计
　　驱动程序的基本功能是完成设备的初始化、对端口的读写操作，中断的响应以及调用。 本文采用DDK（驱动程序开发包）来编写驱动程序，这里就不做详细介绍。 应用软件采用 Visual C++编写，完成对PCI 的读写操作，进而实现控制1553B 总线的 数据传输。其中，BC 模式下的流程为：
　　（1）读取自检寄存器，判断工作状态；
　　（2）通过配置寄存器，设置工作模式为总线控制器（BC）；
　　（3）根据中断条件设置中断使能寄存器；
　　（4）初始化中断队列；
　　（5）定义BC 块和发送接收数据缓冲区；
　　（6）将控制字、命令字和需要发送的数据写入相应的消息块中；
　　（7）设置控制寄存器启动传输；
　　（8）轮询中断状态寄存器，如果中断，进入中断程序，处理相应的中断。
　　5 结束语
　　为实现有效载荷地面测试过程中终端设备与星上1553B总线上被测试设备之间的信息交互,需要应用1553B总线到计算机标准接口的通信板卡。本文通过对1553B总线和PCI总线协议的分析,结合航天地面测试实际要求提出了一种1553B-PCI总线接口卡的实现方法,给出了硬件结构框图,部分原理图和接口控制的FPGA实现。经过测试,实现了计算机通过PCI总线与远程终端设备的信息交互,满足了实际要求,并在XXX型号地面测试中应用。