（控制科学与工程专业论文）基于soc技术实现1553b通信协议的设计与研究.pdf

，j 、， 乙1r 。：，、l 原创性声明 。 y 1719 4 0 8 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：鲎塑日期：丝生年月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：堕丝 导师签名2 玺址日期：望! 年月旦日 摘要 m i l s t d 1 5 5 3 b 是一种航空总线通信的标准，采用集中式控制 方法、指令响应型串型总线，实时性和可靠性是最大的特点，在航 空系统和地面武器控制系统中的应用较为广泛，但是要完成该类型系 统的设计，首当其冲的是1 5 5 3 b 接口芯片的设计。 在对m i l s t d 1 5 5 3 b 数据总线协议进行研究后，参考国外一些 芯片的功能结构，结合e d a 技术，本论文提出了基于f p g a 的1 5 5 3 b 总线接口芯片的s o c 设计方案。在介绍了总线控制器b c 、远程终端 r t 结构和功能以及曼彻斯特编解码的特点后，在本文中详细介绍了 b c 的设计方法，并在此基础上简单的介绍了r t 、m t 的设计方法。 本文设计的系统必须可配置接口工作在哪种终端模式下，每个终 端的设计都采用v e r i l o g 语言进行设计，并采用统一开放的标准给出 了模块的接口，其中与c p u 模块的接口给出了经典外部寻址方案和 片上总线w i s h b o n e 方案，后者适合芯片内部i p 核互联，系统时钟采 用了数字锁相环分离时钟，所有的模块设计推导过程中都给出了详细 的逻辑框图、算法流程图和功能仿真结果分析，功能模块在通过e d a 工具的优化及综合后在x i l i n xv i r t e x 上得以实现各个终端的功能。 通过实验证明该设计能够完成b c r t m t 三种模式的功能，并能处 理多种消息格式的传输，并具有较强的检错能力。论文最后对1 5 5 3 b 总线消息传输中的同步问题进行了详细分析，在基本时间同步机制的 基础上对时间同步的方法进行了改进，根据软件的思想提出了相应的 算法，并进行了充分的说明和论证，该算法明显提高了系统的稳定性 和可靠性。 关键字总线接口，v e r i l o g ，f p g a ，锁相环 a b s t r a c t m i l - s t d l5 5 3 bi sak i n do fa v i o n i cb u sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ， w h i c ha d o p t e sc e n t r a l i z e dc o n t r o lm e t h o da n dt h ei n s t r u c t i o n s r e s p o n s e m o d e lb u s f o ri t sb i g g e s tc h a r a c t e r i s t i co fi n s t a n t a n e i t ya n dr e l i a b i l i t y , i t i sn o ww i d e l ya p p l i e di na v i a t i o ns y s t e ma n dg r o u n d b a s e dw e a p o n s c o n t r o ls y s t e m h o w e v e r , f i r s to fa l l ，w em u s td e v e l o pb u si n t e r f a c ec h i p i nt h i sp a p e r , a f t e r r e s e a r c h i n gt h em i l - s t d - i5 5 3 bs p e c i f i c a l l y , a n d r e f e r r i n gt os o m ef u n c t i o ns t r u c t u r eo ff o r e i g nc h i p s ，w ec o n b i n ee d a t e c h n o l o g ya n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g ns c h e m eo f15 5 3 bi n t e r f a c ec h i p b a s e dt h ef p g a i nt h er e s e a r c h ，t h ef u n c t i o na n dt h ec o d ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e r t , m t , b ca n dp e ( m a n c h e s t e re n c o d i n g ) w e r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h ed e s i g nm e t h o do fb cw a sp r e s e n t e di nd e t a i la n dt h ed e s i g n m e t h o do fr ta n dm tw e r ea l s op r e s e n t e d b r i e f l y w ec o u l ds e l e c tt h ew o r km o d et om a k et h ed e s i g n e dc h i pw o r k i n g i ns p e c i f i e ds t a t e i nt h i sp r o j e c tw ea d o p t e dv e r i l o gt op r o g r a ma n dw e d e s i g n e ds o m es t a n d a r di n t e r f a c eu s e dt ol i n ko t h e rd e v i c e s f o re x a m p l e w ea d o p t e dt h ew i s h b o n et oc o m m u n i c a t ea n dc l a s s i c sp l a nt oj o i n e x t e r n a lc p u s o cw a sf i tf o ri n t e r n a li pi n t e r c o n n e c t e d t h i ss y s t e m c l o c ku s e dt h ed i g i t a lp h a s e l o c k e dt e c h n o l o g y t h ed e d u c e dp r e c e d u r e s o fm o d e l si n c l u d e dt h el o g i cd i a g r a mc h a r t ，a l g o r i t h mf l o wc h a r ta n d f u n c t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t s e d at o o l sw e r eu s e dt o o p t i m i z ea n d s y n t h e s i z et h ef u n c t i o nm o d u l e ，w h i c hr e a l i z e d a l lt e r m i n a l f u n c t i o n x i l i n xv i r t e x i tw a sp r o v e dt h ed e s i g nc o u l dm e e tt h r e ek i n d so fw o r k a b o u tb c 瓜t m tb ye x p e r i m e n t s i na d d i t i o n ，t h es c h e m ew a sa b l et o h a n d l em u c hi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n di th a ds t r o n ga b i l i t yo fe r r o r c h e c k i nt h ee n do ft h ep a p e r , w ea n a l y z e dt h es y n c h r o n i z a t i o no f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nd e t a i l sa n da d o p t e ds o f t w a r et oi m p r o v et h e t i m es y n c h r o n i z a t i o ni nb a s i cs y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m t h ea l g o r i t h m o fs o f t w a r ec o u l do b v i o u s l yi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m k e yw o r d sb u si n t e r f a c e ，v e r i l o g ，f p g a ，p l l i l r 1 。 中南大学硕l 论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3s o c 技术的发展4 1 4 研究意义和内容5 第二章15 5 3 b 总线特性分析一7 2 1 总线控制方式。7 2 1 1 远程终端7 2 1 2 总线控制器8 2 1 3 总线监视器。9 2 2 容错机制9 2 3 数据编码1 0 2 4 字类型与字长l o 2 4 1 命令字1 1 2 4 2 数据字l l 2 4 3 状态字1 1 2 5 消息传送格式1 2 2 5 1 非广播模式1 2 2 5 2 广播模式14 2 6 总线电气特性1 5 2 7 检错的实现l5 2 8 本章小结15 第三章1 5 5 3 b 总线接口设计方案1 6 3 1e d a 技术简介1 6 3 2 自顶向下设计方法1 6 3 3 总线接口设计总体方案1 9 3 3 1 总线设计方案硬件结构1 9 3 3 2 设计任务2 0 3 3 3 外部总线接口模块划分2 l 3 4 难点分析2 3 第四章1 5 5 3 b 系统时钟分离的s o c 实现2 5 4 1 数字锁相环的结构2 6 4 2 锁相系统函数推导和特性讨论2 6 4 3 异或门鉴相器2 8 中南大学硕上论文 目录 4 4k 模可逆计数器2 8 4 5 脉冲加减计数器和n 分频器2 9 4 6 数字锁相环的性能分析2 9 4 7 本章小结3 0 第五章1 5 5 3 b 功能模块的研究与s o c 实现3 1 5 1 曼彻斯特解码器模块31 5 1 1 信号识别3 1 5 1 2 码型转换31 5 1 3 信号转换和检错3l 5 2 曼彻斯特编码器模块3 2 5 3 数据缓冲f i f o 模块3 4 5 4r a m 读写控制器三3 6 5 5 总线标识模块3 8 5 6 差错控制模块3 9 5 7 状态字设置模块4 0 第六章1 5 5 3 b 消息传输的研究与s o c 实现4 1 6 1 15 5 3 b 协议处理器b c 功能模块设计4 l 6 1 1 时间计数模块4 3 6 1 2 接口寄存器及控制逻辑模块4 4 6 2 远程终端r t 设计4 7 6 2 1 命令字译码接收数据字4 8 6 2 2 状态字设置与命令字寄存器。4 9 6 3r t 发送控制器5 1 6 4 总线监控器m t 设计5 l 6 4 1 地址接收字存储控制5 2 6 5b c r t m t 通用终端设计5 3 6 61 5 5 3 b 总线消息传输算法5 4 6 715 5 3 b 总线控制系统时间同步分析5 6 6 7 1 基本时间同步机制5 7 6 7 2 软件同步算法分析5 7 6 7 3 时间同步误差分析5 8 6 8 本章小结5 9 第七章总结与展望6 0 7 1 本文工作小结。6 0 7 2 进一步的工作6 1 参考文献6 2 致谢二。6 5 攻读学位期间主要的研究成果目录6 6 中南大学硕 ：论文绪论 1 1 课题研背景 第一章绪论 2 1 世纪计任务的重点，伴随着电子信息技术的发展，以及计算机科技的日 新月异，基础理论的提高以及先进电子制备技术的出现为航空设备的更新换代提 供了坚实的基础，航空电子综合化技术就是在这样的背景下产生的。该技术的难 点是实现信号的采集、信号的运算、逻辑综合、资源分配、信息存储的一个系统。 m i l s t d 1 5 5 3 b 集散控制系统是数字化航空信息系统设备问的数据交换的拓扑 结构，它将所有的综合化嵌入式子系统连接在一起进行集中控制，构成了分布式 飞行网络控制系统，从而实现各种战斗机和民用飞机的各种系统之间的互联，并 且在最近几年也丌始应用到了车辆和坦克上，这种机制极大的提高了运行效率与 工作效率。然而1 5 5 3 b 在价格方面是非常昂贵的，单价不是一般民用商家可以 承受得了，其一般用在军方的一些产品中。国内目前使用的m i l s t d 1 5 5 3 b 协 议专用芯片或者1 5 5 3 b 产品一般都要到国外去进口，比如d d c 公司，该公司从 二十世纪九十年代就开始研发l5 5 3 b 专用芯片，该公司a c e 系列l5 5 3 b 总线通 信控制器b u 6 1 5 8 0 ，b u 6 1 5 9 0 和b u 6 5 6 2 0 ，还有c o n d o r 公司的p c i 1 5 5 3 b 和i p m o d u l e 在国际市场几乎占据了统治地位。美国u t m c 公司推出的 u t l 5 5 3 b 、a e r o f l e x 公司的a c t 7 0 0 5 7 0 0 6 、h o l t 公司的h 1 6 1 1 0 以及a c t e l 公司的1 5 5 3 b b c ，1 5 5 3 b r t 也有相当多的用户【。国外几种主流产品的性能指 标如表1 1 所示： 表1 - 1 主要1 5 5 3 b 专用芯片产品 生能 型号生产厂商传输速率通道数 功能 收发器 b u 6 15 8 0 b u 6 15 9 0 d d c 1 m b i t s单双 b c r t b m 否 b u 6 5 6 2 0 p c i 1 5 5 3 s c o n d o r1 m i t s单双四b c r t b m 否 u t l 5 5 3 bu t m c1 m b i t s单双b c i u 、b m 否 a c t 7 0 0 5 a e r o f l e x l m b i t s单双 b c r t 厂b m否 h i 6 1 1 0h o l t1 m i t s单双b c i u b m 是 1 5 5 3 bb c a c t e ll n m i t s单双b c i 之t b m 否 1 5 5 3 bl 玎 中南大学硕i j 论文绪论 目前就国内的制造业水准，并没有生产稳定且可靠满足军队需求的1 5 5 3 b 专用芯片，大批量从国外进口此类型的产品给我们的国防安全带来了很大漏洞， 而且在国际关系紧张的时候，此类具有战略意义的产品必定会成为以美国为首的 西方国家围堵中国的工具。从此种意义上也会对我国国防水平和设备更新换代不 可估量的损失。并且万一发生战争，对战争的后勤补给也有巨大的伤害，所以为 了缩小和国外的差距，独立研发具有自主知识产权的1 5 5 3 b 总线接口协议处理 芯片已经国防工业必须要完成的工作了，如果能研制出1 5 5 3 b 专用接口芯片对 我国科研水平的提高也是有很大正面意义的，同时从1 5 5 3 b 昂贵的价格方面来 研究新的设计方法也是极有现实意义的。电子设计领域可编程器件的广泛应用为 数字系统的设计带来极大的灵活性。 在数字系统设计领域出现的大规模集成电路，如f p g a c p l d 芯片在功能是 上可以达到上百个i c 同等功能的效果。如x i n l i n x 类型的f p g a c p l d 器件在功 耗、实时性、可靠性方面比用i c 搭建起来的数字系统要好得多，并且该公司为 设计研究人员提供了i s e 软件工具，能够进行文本输入、行为仿真、逻辑综合、 程序下载等，是一个高度自动化的设计环境。本文采用强大的硬件描述语言 v e r i l o g 进行功能行设计，可以通过该种语言对数字电路的基本单元进行描述以 组成复杂的组合逻辑和数字逻辑电路，有了这些数字电路设计自动化工具，那么 我们采用研究软件的方法来研究硬件电路，并且为在实验室研究1 5 5 3 b 协议处 理器提创造了很好的前提条件，本文的主要设计思想就是在实验室利用软件的思 想来实现只有在大规模流水线才能生产出来的1 5 5 3 b 芯片，该课题考虑采用 f p g a 作为开发平台，这样也大大提高了芯片的灵活性，更便于进行功能扩展， 并极大的缩短了设计周期【2 j 。 1 2国内外研究现状 在上个世纪8 0 年代f j f 期，计算机的各项技术在工业设备中的应用大规模受 倒推广，在航空领域随着计算机以及微型处理器的引入，电子设备中改变以前模 拟传输的方法，改用数字信号来传输信号，在数据采集过程中用到的传感器信息 也很大程度可以共享了，数字方式川航速具有双向传输、串行方式的特点，着使 得设备之间在互联的时候变得非常容易。但是简单的连接并不代表信号处理的过 程变得容易，伴随而来的对信号的调度、时序的分配等方面难度的增加，此时总 线技术的出现就有其时代特征了，在1 5 5 3 b 总线这个特征如图1 1 中所示： 7 0 年代后期，航空电子系统采用了数字计算机技术。由于技术的进步和微 处理器的出现，数字设备之间使用了数据传输，所以较大程度提高了传感器信息 的共享程度。数字信号的双向传输，串行传输，使得设备之间、系统之间的互相 2 中南大学硕 ：论文 绪论 联络变得简单。但是这种简单并不那么完备，由此显示出了共享数据传输介质( 数 据总线) 的必要性，这个时间系统的连接如图1 - 1 所示。总线上的设备和系统需 要按一定的规则使用总线，不同设备之间的通信应当占用不同的总线时间 m i l s t d 1 5 5 3 b 定义了1 5 5 3 b 总线时分多路复用( t d m ) 规则。该总线最初被作为 一种连接不同子系统的通信总线来开发，实现系统间共享或交换信息。要在总线 终端之间通过数字通信通道传输；其次所有总线终端和与之之间连接的电气接口 需要的是标准定义的接口；再者信息要求以一种可靠的、确定的、命令回应的 方式传输。 预警雷达 a p s 导航系统 地面武器系统 m i l s t l ) - 1 5 5 3 8 l z 7 x 火控系统外挂终端 显示界面 图l - l1 5 5 3 b 总线系统结构图 在m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线出来之初，设计产品的时候主要是用美国s c m 的 c o m l5 5 3 b 、u t 公司的u t l5 5 3 b 协议芯片来实现的，这种设计方案在协议芯片 周围要加许多外围支持电路，所以集成度比较低，设计效率很低、更重要的是单 块芯片只能实现单一功能，不能复用对系统的小型化设计的实现带了困难，上个 世纪9 0 年代初，美国的d d c 公司开发了成熟的b u 6 1 5 8 0 协议芯片，该协议芯 片的制作工艺精细，性能稳定，功能多样，不仅完全满足m i l s t d 1 5 5 3 b 标准， 而且可以作为b c 、r t 、m t 实现完成航空电子综合化系统的功能，使用方便灵 活、可靠性高，但是其超高的价格往往让设计者退而却步。m i l s t d 1 5 5 3 b 已 经被我国多种军用飞机选为通信总线标准，由于其性能优异，航天系统卫星等越 来越多采用m i l s t d 1 5 5 3 b 作为通信标准。我国对m 1 1 s t d 1 5 5 3 b 总线接口也 有一定的研究和应用。试图打破国外对1 5 5 3 b 总线产品长期以来的垄断地位， 其中2 0 0 7 年8 月1 5 日航天测控公司其公司宣布“研制出国具有独立知识产权的 1 5 5 3 b 协议处理芯片，打破了国外的技术垄断”；成都恩菲特公司宣称“国内生 产出第一块1 5 5 3 b 芯片e p h 3 1 5 8 0 ”，这些公司生产的芯片在可靠性方面还又待 在工业生产中去验证，从国内的研究现状出发，具有较强科研实力的高校和公司 3 中南大学硕j ：论文绪论 都着手与该类总线协议芯片的开发和研究，该课题也是基于此来开展相关的科研 工作的。 1 3 s o c 技术的发展 随着半导体工艺技术的不断进步，电路规模和成本已经允许设计者将处理 器、外围接口以及复杂的专用逻辑电路整合到同一个芯片上，构成功能强大的、 完整的系统，即所谓的片上系统( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 。当前，s o c 设计已 成为集成电路设计的重要趋势。研究表明，与i c 组成的系统相比，由于s o c 设 计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，因而可以在同样的工艺条件下，实 现更高性能的系统指标。s o c 技术实质上减少了p c b 的连接，减少了各种i c 芯片之间的连线延迟，使得系统的可靠性显著增加，同时e m i 性能也得到了提 高。但s o c 设计需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。因此，业界提出 了基于f p g a 的s o c 设计方案。它可将处理器，存储器，i o 口，l v d s ，c d r 等系统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上 系统，具有灵活的设计方式，可剪裁，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可 编程的功斛4 6 j 。设计完成的s o c 可以通过h a r d c o p y 转化为a s i c 芯片，从而可 以实现快速量产。s o c 具有更多特点与吸引力软件开发成本低，硬件实现风险 低，产品上市效率高，系统结构可重构及硬件可升级等，它还具有设计者易学易 用，高附加值，产品设计成本低的优势，s o c 极大地提高了电子系统设计工程 师的设计效率，加快了电子系统的开发速度，节约了设计成本，缩短了设计周期， 最终加速新品的上市时间和推广速度。x i n l i n x 公司软核概念的提出及s o c 的软 硬件综合解决方案，彻底颠覆了传统的嵌入式系统的设计理念，从硬件和软件整 体设计上将嵌入式设计进行了极大的推动，使得嵌入式系统的硬件电路更加简 单、有效、易于理解；软件设计变得更轻松，移植性更强。与传统的仅采用基于 微处理器的软件设计，s o c 的软硬件协同设计方法完全不同。它可以根据应用 系统的不同要求，使当地划分软硬件的功能，以求得最佳的性价比；同时不需要 预先制作试验电路板，这可节省大量的人力、物力，另外，s o c 技术是开发者 在软硬件系统的综合与构建方面可以充分发挥自己的创造力和想象力。由于s o c 具有基于e d a 技术标准的设计语言与系统测试手段，规范的设计流程与多层次 仿真工具以及高效率的软硬件开发与实现技术，s o c 及其实现技术无可争议地 成为现代电子技术最具有时代特征的典型代表。s o c 代表了嵌入式系统的发展 方向，相信不久的将来，s o c 的身影就像今天的单片机机一样随处可见，掌握 s o c 技术者也将成为引导未来嵌入式系统设计的先锋。 4 中南入学硕上论文绪论 1 4 研究意义和内容 早期用硬件来实现接口，由于当时集成工艺的限制，接口全部或大部分用中 小型集成芯片来完成的，这使接口的体积、功耗都很大，且可靠性不高，随着电 子设计领域s o c 为设计带来极大的高效性、灵活性，一个电子系统可集成到一 片f p g a 中。本文研究采用s o c 技术将处理器与各种功能模块按照设计的需要 集成在f p g a 内部完成整个系统的逻辑功能，最后通过给该f p g a 外加模拟收 发器实现1 5 5 3 b 总线通用接口。这种设计提高了1 5 5 3 b 总线接口的集成度、可 靠性和升级空间，同时还充分发挥了开发简便快捷、处理方式多样、处理能强、 成本低廉等特点和优势。在对1 5 5 3 b 总线标准进行深入研究并深刻理解后，借 鉴一些国外大公司设计1 5 5 3 b 协议处理器的经验并结合成熟的s o c 技术，本文 提出了基于x i n l i n xf p g a 的m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线接口解决方案。该方案设计的 接口协议处理器为通用类型的接口，可以实现总线控制器b c 、远程终端r t 以 及m t 的相应功能而只需要进行简单的设置就能做到，能充分满足军工自动化的 需求，主要的性能指标包括1 5 5 3 b 总线协议规定的消息接收和发送，并具有较 强的可靠性和检错能力。该方案采用自上而下的设计思想，结合e d a 技术和 f p g a 的功能特性，提出了一种基于f p g a 的1 5 5 3 b 总线接口系统的设计方法， 使用v e r i l o g 硬件描述语言对所设计的系统进行了硬件描述，在设计过程中为降 低设计风险，在将i p 核烧制到f p g a 芯片之前采用软件m o d e s i m 对设计进行了 行为级仿真，最后才在f p g a 上进行了实现，设计出的1 5 5 3 b 接口为通用类型 的接口，可以实现所有三种类型终端的功能，并且在总线通信系统能够与其他产 品无缝兼容，检错能力也能满足所有的要求，没有存在硬件或者软件方面的漏洞； 本文还给出了系统各个模块的设计、仿真。在各项工作基本完成并且各项性能都 达标后，组建了大规模的1 5 5 3 b 集散型控制系统与我们开发出来的基于f p g a 的产品进行联调，一步步的发现细节问题并最终解决问题使得系统的性能最终比 较完善，完成了预期的设计任务，在本文的最后一节中对于设计过程中出现的时 间不同步问题进行了分析，并提出了相应的设计算法，应用到实践当中取得了很 好的效果，在性能和可靠性方面可以达到或接近国外专用1 5 5 3 b 协议芯片的设 计水平，为我国航空设备的自主创新和下一代战机的研制提供了技术支持和储 备，在次过程中积累的经验是我们航空事业的宝贵财富。此设计需要达到的目标 如下： l ：在本论文中提出的1 5 5 3 b 接口板的设计复用了b c r t m t 的各种功能， 在总线的任意位置都挂载终端，总终端数不超过3 1 个，终端之间可以相互通信。 2 ：f p g a 规划r a m 存储空间为6 4 x 1 6 b i t ； 3 ：总线传输采用双总线一通道冗余方式提高可靠性； 5 6 中南大学硕 ：论文1 5 5 3 b 总线特性分析 第二章1 5 5 3 b 总线特性分析 我们在进行具体设计1 5 5 3 b 协议处理器之前，本文在本章对1 5 5 3 b 数据总 线标准作一个基本的概念上的介绍，以便我们在第四、五、六章中准确的理解和 运用总线特性进行各个功能模块的设计。本章将简要的介绍控制方式、总线耦合 以及协议规定的编码方式、字格式、消息格式和方式指令等规范。 2 1 总线控制方式 1 5 5 3 b 总线按照指令响应、时分制多路传输方式工作，一个b c 的开发需要 所有层次的设计信息【6 】。因为b c 要负责初始化所有总线事务，和协调所有的终 端总线上所有消息的传输，所有的总线事务均由总线控制器( b c ) 发出的指令来控 制，相关的远程终端( r t ) 接收b c 的指令，并在规定的时间内向b c 返回状态响 应信息。总线监视器( b m ) 是1 5 5 3 b 总线的第三类终端，它不参与总线操作，主 要负责接收并保存总线上的相关信息，用于飞行试验记录、任务分析等离线应用 或为备用b c 代替活跃b c 提供足够的信息。 2 1 1 远程终端 从图2 1 中就可以清楚的看到1 5 5 3 b 总线的远程终端，远程终端的主要任务 就是接收和发送总线和子系统之l 可的数据和命令，而对15 5 3 b 来说，子系统就 是数据传输的主要使用者和发送者【_ 7 。1 0 】。在1 5 5 3 b 的数据构成中，r t 还具有一 个更加能反映其功能作用的定义：在1 5 5 3 b 总线系统中，如果总线终端不是总 线监视器( m t ) ，也不是总线控制器( b c ) ，那它就是远程终端控制器( r t ) 。由此可 以看到远程终端在1 5 5 3 b 数据总线外挂系统中的重要地位，r t 是总线上各种命 令字、数据字、数据字传递的主要接收站和发起站。随着总线标准的不断演化， 当各种战斗机和各种军用设备的电子系统越来越复杂，早期远程终端靠转换模拟 和离散信号而使数据格式与数据总线相匹配的技术不能满足大量数据的传输了。 为改变这一缺陷，在应用中有嵌入式形式的远程终端，如今多数己嵌入子系统 中以此来提高系统的总体性能，r t 一般由收发送器、编码译码器、协议控制器、 缓冲存储器或存储器、以及子系统接口组成，如果是在双冗余系统中，r t 拥有 的功能单元如：收发器和编译码器就应该加倍。r t 除了可以寻址存储器实 现存储器共享和基本的数据传输以外，还必须能够缓冲有用的数据、检侧传输错 误、确认有效数据、报告信息传输的状态，对于双冗余总线来说，还必须能够同 时接收和处理两条总线的数据和命令。 7 中南大学硕上论文 1 5 5 3 b 总线特性分析 1 5 5 3 b 总线 l jlji j l ll 、 jl ljl l j ， l jljl r1l j r1r i 玎：如图2 7 、在该种模式下，首先由总线控制器发送接收指令，紧 随其后的是规定个数的数据字。传输完成后接收终端检测数据字的个数，如果准 1 2 中南大学硕 ：论文 15 5 3 b 总线特性分析 确无误就反馈一个状态字给b c ，总线控制器发送的消息应该不存在特殊长的时 间间隔，特别是命令字和数据字之问。 如图2 7b c r t 2 ：r t - b c ：如图2 - 8 、该种模式下，首先出现在总线的消息指是b c 发送给 r t 的发送指令字，随后i 盯会处理接收到的消息，正确无误后便返回一个状态 字，在状态字后面会跟随规定数据的数据字，这些数据字都应该连续传输，中间 不存在较大的问隔。 既匪至工工圈三e 正三匝 如图2 - 8r t - b c 3 ：r t - r t ：如图2 - 9 、该种模式下的消息传输是最复杂的，也是消耗时间最 长的，在考虑总线周期的时候应该以此种消息传输的耗时为准。首先有b c 发送 给远程终端a 一个接收指令，随后给远程终端b 传输一个发送指令，b 检查无 误后回馈一个状态字给b c ，后面还跟随规定数据的数据字，而终端a 在接收到 终端b 的数据字后便回馈一个状态字给b c 完成本次消息传输。 如图2 - 9r t - r t 4 ：不带数据字的方式指令：如图2 1 0 、该类指令在1 5 5 3 b 协议中已经规定 好了，简称为方式码，只需要在总线控制器置位相应的功能再发送出去就可以了， r t 终端在接收到方式码后，规定时间内需返回一个状态字。 无粼方匪三三工工三二 二三 如图2 1 0 不带数据字的方式指令 5 ：带数据字的方式指令( 发送) ：如图2 - 1 1 、和( 4 ) 一样的信息字格式，只是协 议规定的方式码不样，同样的操作，i 玎终端在回馈一个状态字以后，跟随着 一个数据字，两个信息字中问没有过多时问问隙，表现为连续形式。 有数据字的方式 指令( 发送) 如图2 1 l 带数据字的方式指令( 发送) 6 ：带数据字的方式指令( 接收) ：如图2 - 1 2 、与发送方式码过程不一样，该类 1 3 中南大学硕上论文1 5 5 3 b 总线特性分析 型传输中，数据字不是由远程终端发出的，而是通过b c 发出并由i 玎接收。而 且在l 玎完成数据接收后，反馈一个状态字给b c 完成带数据的方式指令发送。 有琴淼式指匪堕三臣丑工三正 三 如图2 1 2 带数据字的方式指令( 接收) 2 5 2 广播模式 l ：b c r t 广播：如图2 1 2 、当b c 发出一个i 玎地址为“1 1 1 l l 的指令字， 在该指令字后面跟随着规定数目的数据字，当能实现广播功能的r t 处理好该命 令和解析跟随的数据字以后，i 玎终端按协议要求抑制状态字的发送，这样是为 了避免总线信息冲突才这样规定的，在总线时序逻辑上也很好的避免了消息传输 的混乱。 节猡 亟三工三工工三工工二至 如图2 1 2b c - r t 广播 2 ：r t - r t 的广播：如图2 1 3 、b c 向远程终端传输能使其接收数据的指令， 该指令字的i 珂地址位是“1 1 1 1 l ”，随后利用该地址向网络中的一个终端传输发 送指令字。远程终端确认以后，回送状态字给b c ，之后在总线网络中其他终端 传输特定数目的数据字，状态字和数据字之间不应该有多余的时间间隙，而且除 了发送信息的l 玎终端外都会接收到广播的数据字，各个终端在确认数据字后， 置位状态字中的广播指令接收位，可是禁止回送状态字。 下鋈1 臣堕工圣正臣丑三工卫丑圈 如图2 1 3r t - r t 的广播 3 ：不带数据字的方式指令广播：如图2 1 4 在该种总线控制方式下，指令字的 l 玎地址位是“1 1 1 1 1 ，在b c 完成广播指令字后，远程终端确认该指令后，强 制状态字广播指令字接收位置高，可是为了总线传输不得回馈状态字。 无数据声名式指令 二二二三三三三三三二二二 二二二二二二 二二二二三二口 如图2 1 4 不带数据字的方式指令广播 4 ：带数据字的方式指令广播：如图2 1 5b c 传输的命令字的r t 地址位也 为“1 1 1 1 1 ，与( 3 ) 中不同的是，b c 在发完指令字以后，会按照操作要求发送单 个数据字，具备广播功能的r t 在完成对指令字和数据字的处理后，只需要把广 1 4 中南人学硕上论文1 5 5 3 b 总线特性分析 播指令接收位置高就完成传输任务了，并不回送状态字。 带数据宁方式指令广播 二二二三三三三三三三二二 二二三三三二二工二二二二 二二二二二三三三二 如图2 1 5 带数据字的方式指令广播 在以上的消息格式中牛表示指令相应时间、# 表示了消息与消息之间的最小间 隔时间，按照1 5 5 3 b 标准b c 发出消息后，r t 必须在4 1 4 u s 内给出响应，同时 规定总线控制在发出一个消息后必须要等待至少4 u s 后才能继续发送下一个消 息。b c 每一次发送消息后必须要有终端返回状态字，通过这样的方式，b c 才 可以达到了解远程终端的工作状态，如果远程终端接收不到正确的命令字或者数 据字的个数不对的话，那么它就不会发回状态字，这个时候b c 从发完消息后就 开始记时，当计时达到协议规定最大的8 0 0 u s ，b c 就默认为这次消息发送失败 并启动重新发送该条消息的机制，1 5 5 3 b 的这种机制实际就是采用a c k 方式保 证数据传输的可靠性【2 0 之2 1 。 2 6 总线电气特性 本协议信号传输采用双绞线，为提高对分散容抗、衰减、电磁等的屏蔽， 该双绞线采用特殊材质进行屏蔽，力争满足总线工作的要求。终端和总线的连接 方式一般有直接耦合连接和变压器耦合连接，我们推荐使用变压器耦合连接，因 为这样的话可以是终端和总线能进行电气隔离，还有一定的矫正误差的作用，这 在提高总线的抗噪方面有大大的争强，而且还能加大总线传输的距离，终端的数 目，一般可以达到6 米以上。 2 7 检错的实现 该协议中用到的检错方法有好几种，其中包括有效数据位的奇校验，给指令 字回馈确认、传输过程中数据字个数检验、还有通过计时器来对超时的检测和控 制，最后还有在不影响系统工作效率的前提下，用反馈重传的措施来达到正确传 输消息块目的的方法。 2 8 本章小结 本章介绍了m i l s t d 15 5 3 b 协议的基本特点，对其硬件构成、编码方式、 字的类型、总线消息传输格式以及方式指令等进行了基本的描述，最后对比了目 前常用的几种航电数据总线标准。通过本章的阐述，为后面进行基于f p g a 的 1 5 5 3 b 总线协议接口芯片的设计打下了基础。 中南人学硕十论文1 5 5 3 b 总线接u 设计方案 第三章1 5 5 3 b 总线接口设计方案 m i l s t d 1 5 5 3 b 总线标准作为一种己经得到广泛应用的成熟的数据传输标 准，而1 5 5 3 b 总线接口是1 5 5 3 b 总线系统中的核心功能单元。以下就结合可编 程逻辑器件f p g a 及e d a 技术，通过分析总线接口功能，提出1 5 5 3 b 总线接口 设计总体方案。 3 1e d a 技术简介 e d a 技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、i c 版图设计、 a s i c 测试和封装、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) c p l d