（信号与信息处理专业论文）机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现.pdf

舢1 1 1 1 1 1 1 1 l l 1 1 l i l 川1 1 i i i l l i i i y 2 0 5 a i m k j i i i l | “, l | l , i u , 7 6 0 5 一 摘要 随着航空技术的不断发展，机载数据采集系统已成为飞行试验过程中必不可 少的设备，并逐渐呈现出综合化、系统化、多功能化的特点。为了能够快速、高 效的传输各传感器采集的数据，本文设计并实现了机载数据采集系统的中继器与 远程终端。 机载数据采集系统分为主控制器、控制器电源模块、总线供电模块、中继器 和远程终端。根据各从设备的接口特性，本文提出了自定义s d x 总线，实现中继 器与远程终端的互联，完成数据的双向传输。 本文采用模块化的设计思想，完成了中继器与远程终端的软、硬件设计。硬 件设计以f p g a 为核心，实现了接口、驱动、电源等功能模块；软件设计方面， 中继器完成了对s d x 总线信号的整形和驱动，并控制数据的传输方向，防止上、 下行数据发生交错；远程终端完成了与中继器的接口转换，响应s d x 协议，并嵌 入w i s h b o n e 总线来传输传感器的采集参数。最后对该系统进行整体测试，测试结 果证明了该设计的正确性。 关键字：中继器远程终端s d x 总线w i s h b o n e 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fa e r o s p a c et e c h n o l o g y ，a i r b o r n ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m h a sb e c o m e n e c e s s a r yd u r i n gt h e t e s t f l i g h t , a n dp r e s e n t s c o m p r e h e n s i v e ，s y s t e m a t i c ，m u l t i - f u n c t i o n a lf e a t u r e sg r a d u a l l y i no r d e rt ot r a m i s t r e a l - t i m ep a r a m e t e r so fe a c hs e n s o rf a s t l ya n de f f i c i e n t l y ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n d a c h i e v e sr e p e a t e ra n dr e m o t et e r m i n a lo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo n b o a r d t h ea i r b o r n ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi n c l u d e sc o n t r o l l e r , c o n t r o l l e rp o w e r p l u g ， b u s p o w e r e du n i t ，r e p e a t e r , a n dr e m o t et e r m i n a l t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dab i l do f u s e rd e f i n e ds d xb u sw h i c hc a nr e a l i z et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nr e p e a t e ra n dr e m o t e t e r m i n a la n dc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o no fb i d i r e c t i o n a ld a t a a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n ti n t e r f a c e s w i t ht h em o d u l a rd e s i g nc o n c e p t , t h i st h e s i sa c h i e v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no fr e p e a t e ra n dr e m o t et e r m i n a l w i t hf p g ac h i pa si t sc o r e ，h a r d w a r ed e s i g n i m p l e m e n t si n t e r f a c ec o n v e r s i o n ，d r i v e ，a n dp o w e rs u p p l y i nt h ep a r to ft h es o f t w a r e d e s i g n , t h er e p e a t e ra m e n d sa n dd r i v e st h er e c e i v e dc o d eo fs d x - b u sa sw e l la s c o n t r o l st h ed a t at r a n s m i s s i o nd i r e c t i o ns o 嬲n o tt oi m p a c tb e t w e e nt h eu p - d a t aa n d d o w n - d a t a ，t h er e m o t et e r m i n a la n s w e r st h es d xp r o t o c o l ，e m b e d d e di m p l e m e n t a t i o n o fw i s h b o n eb u st oe x c h a n g ed a t a 、i t l lt h es e n s o r s f i n a l l y ，t h i sp a p e rt e s t st h ew h o l e s y s t e m ，t h er e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n k e y w o r d s ：r e p e a t e r r e m o t et e r m i n a ls d xb u sw i s h b o n eb u s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代航空技术的发展在很大程度上取决于航空试验技术、试验能力、试验设 备、测试技术与手段。目前各航空大国都在积极建设和完善先进的地面、空中试 验设备。面对我国航空技术的发展需求，必须在飞行试验研究的组织、管理、技 术和能力上下功夫，创造“跨越式 发展的基本条件【l 】。 飞行测试就是采集飞机飞行过程中的各种信息和数据，在当前的飞行试验研 究中，通过机载测试可以精确地描述飞机的特性，同时还能准确地预测和优化未 来飞行任务所面临的问题；通过机载测试收集到的重要信息可为将来安全可靠的 飞行设计提供帮助。受需求牵引，研究和掌握机载数据采集系统对现代和未来的 战争具有重要和深远的意义。 随着电子与计算机技术日新月异的发展，机载数据采集系统已从少量数据的 采集、显示和记录发展为大量的数字以及各种通信接口信号的实时采集、处理、 传输和存储。在结构设计方面，机载数据采集系统也逐步从集中式发展为分布式，。 通常，分布式数据采集系统是由若干个“数据采集站 和一台上位机及通信接口、 通信线路组成。数据采集站一般由单片机数据采集装置组成，可独立完成数据采 集和预处理任务，并将数据以数字信号的形式传送给上位机；上位机一般为p c 计 算机，上位机不仅可以将各个数据采集站传送来的数据，集中显示在显示器上， 还可以将系统的控制参数发送给各个数据采集站，以调整数据采集站的工作状态。 其基本结构框图如图1 1 所示 2 1 。 图1 1 分布式数据采集系统基本结构框图 分布式数据采集系统中，数据采集站与上位机通常采用异步串行传送数据。 数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。 2 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 其主要特点为： 由于可通过选用适当数量的数据采集站来构成系统，所以无论是大规模还 是中小规模系统，分布式数据采集系统都能够适应，具有较强的适应能力。 由于某个采集站出现故障不会对其它部分造成影响，因此该系统的可靠性 高。 系统中各个采集站之间是“并行 工作的，则具有较好的实时响应性。 采用多机并行处理方式，对系统硬件的要求低。 另外，分布式数据采集系统是用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克 服常模干扰和共模干扰，特别适用于恶劣的环境下工作 2 1 。但该系统是一种封闭专 用、不具有可互操作性的分布式控制系统，且成本高，不利于系统综合。 为了提高系统的可靠性，硬件设备要尽可能紧凑。在满足功能的前提下，硬 件模块越少越好。嵌入式设计是应用系统的必然选择。目前市场上有很多种嵌入 式系统，大概分为以下四类：基于微处理器( m p u ) 的嵌入式系统( p c i 0 4 、s t d 总线等) ；基于微控制器( m c u ) 的嵌入式系统( 8 0 5 1 单片机系列等) ；基于 d s p 的嵌入式系统；基于片上系统( s o c ) 的嵌入式系统( a r m s t r o n g a r m 等) 。 基于片上系统( s o c ) 的嵌入式系统( a r m ) 集成度高，在一个芯片上集成有c p u 、 c a c h e 、d m a 控制器、并有串口、u s b 接口、以太网等多种外设接口，体积小， 开发难度低，其指令采用r i s c 结构，即一个指令可以小于一个周期时间内完成。 与d s p 、p c i 0 4 相比，a r m 是面向控制、面向嵌入式应用、面向数据通信的基于 精简指令的片上系统，由于其仅保留与控制有关的通信( 数据传输) 、外围接口、 中断等功能，因此a r m 的集成度远低于p c i 0 4 ，功耗小于1 0 0 r o w 。它所具有的 流水线和超标量功能使其在中断处理和实时性方面更具特色，再加上其丰富的数 据通信功能和接口功能，使它特别适合于机载数据采集系统。 近年来，我国在航天、航空领域越来越多的采用在商业领域大量应用的以太 网、光纤、f d d i 和a t m 等技术。伴随着这些新技术的应用，对机载数据采集系 统提出了更新的要求： 采集参数多、采集功能强、速率高、数据存储能力大。 采集系统应是分布式结构，可在机上分散安装。 采集系统应具有完整的、功能强大的机载实时数据处理和显示能力。 采集系统应具有与飞机机载设备、机上其他试飞设备的网络系统进行数据 交换的能力，实现数据共享。 由于机载数据采集系统的特殊应用环境，一般都在高空、高温的环境下运 行，要求加大系统的可靠性、电磁兼容性、各个设备能够连续长时间工作、 具有特殊的耐用性、高的显示灵活性、操作更加简单便捷。 采集系统能够提供必要的、直观的数据和处理结果。 第一章绪论 3 基于上述新技术与新要求的介入使得机载数据采集系统的开发越来越复杂， 所要完成的功能越来越多，需要管理的外设同时也在增加，因此需要有嵌入式多 任务操作系统和能够稳定工作的硬件基础。此外，只有在一个完整的、具有统一 编程规范的操作系统基础上，使用高级语言开发出的应用程序，才可能具有良好 的可移植性。为了减少数据采集系统开发的难度和成本，基于嵌入式系统的机载 分布式数据采集系统的设计成为解决上述问题的一个有效手段。操作系统与模块 化硬件设计相结合，共同构成一个可以重复利用的软硬件数据系统平台，除了可 最大限度地提高开发的效率、减少资源的浪费外，还可以通过长期对于该平台的 研究，逐步优化平台软硬件资源，提高其性能，并满足日益复杂的应用需求。 本文所涉及的基于嵌入式系统的结构应变参数机载分布式数据采集系统是目 前技术先进、性能比较高的新一代机载科研试验数据采集系统，具有体积小、重 量轻、可靠性高、穿舱电缆少、便于安装和性价比高等特点1 3 1 。该系统采用a r m 9 的片上系统作为硬件基础，v x w o r k s 作为软件平台，从设备以f p g a 为核心，以 s d r a m 为数据交换中心，在体系结构方面，采用分布式设计，连接的从设备分布， 在飞机的多个地方进行数据采集，完成多种应变参数的采集与上报，实现主控制 器与远程终端以及传感器的数字通信。在模块化与标准化设计思想的指导下，机 载数据采集系统按功能分为主控制器、控制器电源模块、总线供电单元、中继器二 和远程终端。本文着重就机载数据采集系统的中继器与远程终端的软、硬件设计 作了细致的描述。 1 2 数据采集系统的发展概况 1 2 1 数据采集系统的发展 数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集器是一种具有 对现场数据进行实时采集、自动存储记录、信号预处理、即时显示、即时状态分 析、自动传输等功能的自动化设备。在实际应用中，数据采集常常和工业控制联 系在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。数据采集系统分为硬件和软件两 个部分，软件通过硬件和现场设备交互信息。从硬件上来看，主要是各种型号的 传感器、模数转换器将现场数据经过信号处理连接到计算机。然后再通过数据采 集系统软件来实现数据存储、处理和显示等工作。 2 0 世纪5 0 年代，美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试不依靠 相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，测试任务是由测试设备自动控制完成， 具有高速性和一定的灵活性，能够满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试 任务，得到了初步的认可。到6 0 年代，出现了专用数据采集系统，从7 0 年代起， 数据采集系统的发展逐步分为实验室数据采集系统与工业现场数据采集系统，就 4 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统 多采用串行数据总线。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工 业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低， 体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。2 0 世纪9 0 年代至今，在一些 技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术工业等领 域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的 单片数据采集系统( d a s ) 。该阶段的数据采集系统采用更先进的模块式结构， 并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。该阶段并行 总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有v x i 总线系 统，p c i 总线，p x i 总线系统等，数据位已经达到3 2 位总线宽度，采样频率可以 达到1 0 0 m s p s 。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可 靠性不断提高。数据采集系统采用物理层通信，由于采用双绞线、电力载波、无 线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。在工业现场数据采集和控制等众 多领域得到了广泛的应用。为了能够胜任数据采集和控制对实时性、可靠性、抗 干扰性的严格要求，施耐德电气公司第一个推出了工业控制领域的开放的以太网， 该技术采用i t 行业广泛应用的技术t c p i p ，底层协议采用开放的m o d b u s ，第一 次真正地将工业数据采集与控制网络和i t 网络融合为一体，使用户彻底摆脱了各 种行业的工业数据采集与控制网络的束缚和限制，进入工业控制领域的新境界1 4 j 。 1 2 2 数据采集器的国内外现况 随着国内外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目 前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。从近年来国外公司展示的新产 品可以看出，主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。 其特点反映在如下几个方面1 4 j ： ( 1 ) 采集器又是一台功能较全的机器状态分析仪，具有时域分析和频域分析 等功能； ( 2 ) 它既是采集器，又可以兼做其他仪器使用，如法国迈威公司的m o v i l o g 数据采集器，就可作为一台动平衡仪来使用，它不但可以做单一方面的动平衡， 还可以做六个方面的动平衡； 。 ( 3 ) 储量大，频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需 要； ( 4 ) 用振动传感器、过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，形成多参 数监测系统； ( 5 ) 数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。一套软 件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。 第一章绪论 5 ( 6 ) 数据采集器安装了l c d 背光显示屏，并尽量减少了操作键；元器件高 度集成化，并减轻机器的重量，利用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业 环境。 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，我国也已研制出了多种数据采集器，其中单 通道的有s p 2 0 1 、s c 2 4 7 型，双通道的有e g 3 3 0 0 、y e 5 9 8 5 型，超小型的有9 “、 9 0 2 和9 2 1 型，以及具有采集静态信号的s m c 9 0 1 2 型，基本已经达到国外数据采 集器的初期水平，但与国外相比，在技术上仍存在一定的差距，主要表现在： ( 1 ) 由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些低速 的机器或轴承的诊断带来一定的困难； ( 2 ) 数据采集器内存不大，本身的信号处理能力不强，在现场只能做一些简 单诊断； ( 3 ) 设备软件、机器故障诊断专家系统、软件人机界面都有待改进。 近年来，随着我国航空事业的不断发展，航空电子设备的性能日趋完善，新 型飞机越来越多地采用在商业领域已成熟的技术。国内外新型飞机正利用这些成i 熟的商用技术大幅度提高机载航空电子系统及飞机性能的综合水平，机载数据采 集系统也在快速地发展，比如基于l o nw o r k s 、a r m 以及d s p 等技术的机载数据 采集系统，从不同角度完善了系统的整体功能，极大的满足了新型飞机的应用要j 求。 1 3 论文章节安排 论文主要研究了机载数据采集系统中继器与远程终端的软、硬件设计与实现， 采用模块化的设计理念，实现各功能模块。根据中继器与远程终端的特点，本文 选用a l t e m 公司的c y c l o n ei i 、c y c l o n e i i i 系列f p g a 器件分别作为中继器与远程 终端的核心处理芯片，并采用菊花链连接方式实现中继器与远程终端的互联，通 过s d x 总线协议实现数据通信。 论文的具体安排如下： 第一章：简要阐述了研究本课题的目的和意义，数据采集系统的发展以及国 内外现状。提出了机载分布式数据采集系统中继器与远程终端的设计思想。 第二章：介绍了机载数据采集系统的整体架构、系统各模块的功能，阐述了 设计本系统所涉及的总线技术，即m c m b 总线、s d x 总线与w i s h b o n e 总线。 第三章：机载数据采集系统中继器的软、硬件设计与实现，硬件方面介绍了 电路组成，芯片的性能、p c b 布局及抗干扰技术等；软件方面主要实现了对s d x 总线传输码型的重新整形及驱动，并控制数据传输方向，防止上、下行数据发生 碰撞。 6 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 第四章：机载数据采集系统远程终端的软、硬件设计与实现，硬件方面介绍 了电路的组成、芯片性能等；软件方面响应s d x 协议，w i s h b o n e 总线与s d x 总 线接口转换等。 第五章：系统整体测试，并对部分实验仿真时序图进行分析，说明该设计的 正确性。 第二章机载数据采集系统 7 第二章机载数据采集系统 目前，我国使用的机载数据采集系统多为集中式体系结构，专用型比较强， 且功能较单一，不利于系统综合。本系统采用分布式结构设计，主控制器采用a r m 9 的片上系统作为硬件基础，v x w o r k s 作为软件平台，s d r a m 作为数据交换中心， 连接的从设备( 中继器、远程终端) 以f p g a 为核心处理器件，分布在飞机的多 个地方进行数据采集，通过现场总线网络将采集的数据传输到故障检测记录终端， 满足了飞机试飞检测的要求【5 j 巾j 。 2 1 机载数据采集系统的构成 为了适应现代飞行试验的要求，实时监控外部环境的变化，本文介绍了一套 以嵌入式系统为基础的机载分布式数据采集系统。整体系统结构框图如图2 1 所 不o t y n 萄 主控 m c m 旧 州转换n咂丑 嘭一 制器 扛啦从桥 单元 | 悃 钷乎 。 磊i 图2 i 系统整体结构框图 机载数据采集系统采用模块化的设计思想，按功能将其分为主控制器、控制 器电源转换、总线供电、中继器、远程终端、传感器这几个模块。一个主控制器 可以连接多个远程终端，一个远程终端最多可以连接1 2 个传感器，当需实现远距 8 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 离传输时，在远程终端之间加一中继器，延长通信距离，保证数据传输的准确性。 该系统中，主控制器与m c m b 从桥之间通过m c m b 总线连接；从桥与远程终端、 远程终端之间、远程终端与中继器通过s d x 总线实现数据传输；远程终端与传感 器之间通过w i s h b o n e 总线来进行数据交换，实现对实时参数的采集。 2 1 1 主控制器 主控制器是机载分布式数据采集系统的核心，控制整个系统的运行，主要由 微控制器模块、网络接口模块和f p g a 模块三部分构成。微控制器通过以太网与 上位机进行命令和数据交互，负责整个系统的调度工作；网络接口模块主要由隔 离变压器和物理层器件组成，用来实现a r m 和计算机之间的通信和数据传输、完 成v x w o r k s 镜像文件的下载；f p g a 模块主要通过实现f p g a 内部m c m b 总线主 从桥i p 核接口，将多个从设备与主控制器连接成一个整体，以解决数据流容量大， 速率高和传输上的问题1 7 j 。主控制器组成框图如图2 2 所示。 f - a s h 存储器卜+ 、 7 i ”“i 程序数据存 a r m 9 s m c一等 储器 总线 处理器_ 一p c m 编码扩展 单元 r s 2 3 2 c 接口 一时钟产生 f p g a 模块 图2 2 主控制器组成框图 2 1 2 控制器电源转换 控制器电源转换模块主要是向主控制器各个插件提供所需的低压电源。该模 块主要包括3 个功能块：利用e m i 滤波器解决e m i 干扰；利用t v s ( 瞬态电压抑 制) 器件吸收浪涌尖峰；d c d c 变换器产生主控制器内部需要的3 3 v 电压。同时 当有输出电压时，电源指示驱动安装在面板上的电源指示灯亮。该模块的组成框 图如图2 - 3 所示。 图2 3 控制器电源转换组成框图 出 第二章机载数据采集系统 9 2 1 3 总线供电 总线供电模块( b p u ) 的作用是将机载电源经过隔离型d c d c 变换后输出到 新的总线段。该模块主要是将2 8 v 的输入电压通过e m i 滤波、d c d c 转换模块后 输出2 8 v 电压到新的总线段，为中继器与远程终端提供输入电源。该模块的组成 框图如图2 4 所示。 图2 4 总线供电组成框图 2 1 4 中继器 中继器( r p ) 的作用是将s d x 总线信号重新整形并驱动新的总线段，用于延长 通信距离。该模块主要由电源转换模块、f p g a 模块、d a 转换模块构成。电源转 换模块将2 8 v 机载电压转换为3 3 v 、1 2 v 为f p g a 模块提供电压；d a 转换主要 是将f p g a 中输出的数字信号转变为模拟电压信号；f p g a 模块主要是用来驱动 s d x 总线，延长通信距离。该模块的组成框图如图2 5 所示。 图2 5 中继器组成框图 2 1 5 远程终端 远程终端( i 娴的作用是收集各个传感器的数据，将传感器采集的参数转化为 适合s d x 总线传输的格式并上传给主控制器，实现数据的采集，同时又能接收主 控制器发送的命令并对其响应并做出相应的操作。该模块的组成框图如图2 6 所 示。 1 0 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 ，1 ：2 再v _ o u t ) vo u l 巫 夏一 转换器r 可控晶振 f l a s h 存储器 图2 6 远程终端组成框图 2 2 机载数据采集系统的总线技术 为了简化系统设计，便于系统的扩充和升级，实现各模块之间无错误的数据 传输，本文引进了总线技术来实现各从设备与主控制器之间的通信。 机载数据采集系统主要包括传感器、远程终端、中继器以及主控制器等部分， 为了实现各模块之间i p 核互联，本系统采用自定义m c m b 总线实现主、从桥互 联，s d x 总线实现主控制器与远程终端之间的消息传递，w i s h b o n e 总线用来获取 传感器的实时采集参数。 2 2 1m c m b 总线协议 为了实现分布式机载数据采集系统主、从设备互联，实现数据快速、高效的 传输，本系统提出自定义m c m b 总线，它是一种基于3 2 位p c i 总线形式的1 6 位 的数据地址复用总线。 m c m b 总线挂接在主控制器底板上，连接主控制器与从桥设备，总线事务总 是由主设备发起，从设备对总线事务进行响应。m c m b 总线时钟频率2 0 m h z ，总 线带宽为4 0 m b s ，采用半同步时序协议，支持猝发传输。m c m b 总线信号的电 气特性与3 vp c i 总线兼容。 2 2 2s d x 总线协议 2 2 2 1s d x 总线参考模型 s d x 总线属于非平衡配置( 一主多从) 的点对点和多点链路，有两种类型的 站点：主站( b c ) 、从站( 1 泓和b r ) ，其数据传输方式为非平衡配置的指令 响应方式。与国际标准化组织i s o 制定的开放系统互联模型o s i r m 相比，参考 模型只分为3 层：物理层、数据链路层和应用层，参见图2 7 。 换一f o 溅巫 嘞 电l 。一 一譬 1t 2 一 第二章机载数据采集系统 o s i ，r ms d x 恨m ， 应胃县 在务罢， ， 表示星 ， 逻辑链路控制l l d， ， ， ， 媒咎访问控制m a c 会语昙 ， ， ， 媒体无关一运赣罢一 ，一，一， 接口m i i 一 网络昙， ， ， 。 7 物藿信令星户c & 数据链碧昙一 ， - ， 物墨罢 物毫臻体连接p m a 一- - - - - - 一 媒体恢氟 接3m d i ， 媒铷 j 媒体嵌旗子层一 土 一 图2 7s d x 参考模型与o s i r m 的对应关系 物理层负责物理连接和在媒体上传输比特流，实现字的传送、控制和差错检 测，其主要任务是描述传输媒体接口的一些特性，如接口的机械特性、电气特性、 功能特性和规程特性等。 ： 数据链路层将与媒体访问有关的部分和无关的部分分开，划分为两个子层： 媒体访问控制子层m a c 和逻辑链路控制子层l l c 。逻辑链路控制子层l l c 的主 要功能是：建立和释放数据链路层的逻辑连接，向任务层提供多个服务访问点s a p 的逻辑接口，具有消息的接收、发送及差错控制功能。m a c 子层的主要功能是： 在发送消息时负责消息的组装，接收数据时对m a c 消息进行拆卸，执行m a c 地 址识别和差错检测。 任务层根据数据链路层提供的不同逻辑接口的数据完成如：同步、采集、授 时、配置等功能。 2 2 2 2s d x 总线物理层 s d x 的物理层分为四个子层：媒体依赖接口m d i 、物理媒体连接子层p m a 、 物理信令子层p c s 和媒体无关接口m i i 。 媒体无关接口m i i 提供m a c 和媒体依赖子层的逻辑连接，具有独立的数据发 送和接收路径，数据宽度为1 6 位。 物理信令子层p c s 实现字同步、时钟产生、曼彻斯特编码及解码、奇偶校验、 收发控制等功能。 物理媒体连接子层p m a 实现数据的接收和发送，是由m l v d s 收发器构成， 发送时进行单端到差分信号的转换，接收时进行差分到单端信号的转换。 媒体依赖接口m d i 是信号收发器和媒体之间的电缆连接器。 s d x 物理层的p m a 子层选用m l v d s 标准，m l v d s 的推出主要是用来优化 多点互连应用，所谓多点应用指的是有多个驱动器或者接收器件共享单一的物理 1 2 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 链路的互连应用，这种应用要求驱动器件有足够的驱动能力来驱动多路负载，同 时要求驱动器件与接收器件都能承受物理总线上负载变化。m l v d s 是从l v d s 标准中派生出来的并于2 0 0 1 年成为a n s i t i a e i a 一8 9 9 2 0 0 1 国际标准。m l v d s 标准可以支持高达到5 0 0 m b p s 数据速率和宽的共模电压范围，以及强劲的e s d 保 护，从而支持热插拔功能。m l v d s 通过控制输出数据的压摆率和输出幅度来解决 电磁干扰( e m i ) 问题，另外m l v d s 保留有l v d s 低压差分信号特性可以更进 一步减小电磁干扰。传统上，在涉及多点应用场合人们习惯于采用r s 4 8 5 ，而 m l v d s 技术比r s - 4 8 5 能提供更高的传输速率( 理论上高达5 0 0 m b p s ) 、更低的 功耗，因而具有更高的性能。 多点互连通信可以简单分为多分支( m u l t i d r o p ) 和多点互连( m u l t i p o i n t ) 结构，而m l v d s 标准支持这两种应用结构，适合结构应变参数机载分布式采集 系统的多点互连通信为多点互连结构( m u l t i p o i n t ) ，在这种结构中多个驱动器件 和接收器件共享一条传输线，这种结构至少要有2 个驱动器件。在一对平衡的传 输线上可以支持双向半双工传输，由于数目不定的驱动器可以在传输线的不同位 置，单端匹配已不能满足要求，需要在传输上进行双端匹配，拓朴结构如图2 8 所 示。 图2 8 多点互连结构( m u l t i - p o i n t ) s d x 总线采用四线制，两线用于供电，两线用于数据传输和通信。供电电源 是经过净化后的机载2 8 v 电源，用于向r m 提供电源。传输介质为1 0 0 f 2 特性阻 抗的传输线，建议选用与五类双绞屏蔽线性能相当的符合机载环境条件的电缆。 2 2 2 3s d x 总线指令类型和结构 s d x 总线采用面向消息的传输控制规程作为通信协议，选用曼彻斯特i i 双相 电平编码，这种码型表现出在每个码位中点处存在一个跳变，1 信号是一个由l 到 0 的负跳，而0 信号是一个由0 到l 的正跳。所谓双相，即双极性。这种码型自身 包含了自定时信息，因此不需要独立的通道传输位定时信息，需要的传输介质带 宽为码速率的一倍。总线最大传输速率2 0 m b p s ，字长为2 0 位。总线传输速率 2 0 m b p s 时，每字占l u s 。s d x 总线具有两种工作方式，分别为同步传输和异步传 输工作方式。 第二章机载数据采集系统 同步传输方式( s y n c d a t a e x c h a n g ) 用于b c 和r m 之间的同步数据交换，偏 重于通信的周期性和连续性，不具有数据纠错功能，交换的数据之间保持着确定 的相位关系。该方式适用于同步采集和同步控制过程。 异步传输方式( a s y n c d a t a e x c h a n g ) 用于b c 和r m 之间的异步数据交换，偏 重于通信的可靠性，具有纠错功能，交换的数据之间具有不确定的相位关系，具 有非周期和突发性强的特点。该方式适用于同步采集前期的参数校准和参数检查 等功能。 规定每次传输一个消息的过程应包括指令字、数据字和状态字这几个部分。 每种字的字长为2 0 位，有效信息位为1 6 位，每个字的前三位为单字的同步字头， 而最后一位是奇偶校验位。同步字头的作用是标识每个字的开始，起字同步作用。 奇偶校验采用奇校验，在发送端对1 6 位有效位补奇，而在接收端进行奇校，用于 检验字传输中有无错误。需要指明的是：无论是何种字类型，各场的数据总是高 位( m s b ) 传输在先。 ( 1 ) 指令字结构 指令字只能由b c 发送，它的内容指明b c 要与哪个r m 对话，规定了该次数 据传输的地址、方向和服务类型。指令字的格式如表2 1 所示。 表2 1 指令字结构 一 l23 4567 891 0 1 1 1 21 31 41 5 1 61 71 81 92 0 字头 1 51 5 r a 9 ：0 r e p 3 ：0 sp 1 3 位：同步字头( s y n ) ，前1 5 位为1 0 1 ，后1 5 位为0 0 0 时标识指令字或 状态字。 4 1 3 位：1 0 b i t s 远程终端地址r a 9 ：0 ，全“0 时为广播地址，其余为各远程 终端的地址。 1 4 位：读写控制位r 。该位为“l ”时，表明主站要从被寻址的从站中读取数 据；为“0 时，表明主站要从被寻址的从站中写入数据。 1 5 1 8 位：当r a 9 ：0 为非全“0 时，e p 3 ：0 有效。需要强调的是：当r a 9 ：0 】 为非全“o ”时，端点地址为全“0 时，该地址为从站的系统管理访问地址。 1 9 位：状态字指示位s ，当该位为“0 时，表明有效字为指令字；当该位为 “l 时，表明有效字为状态字。 2 0 位：奇偶校验位( p ) ，该字的奇偶校验位，奇校验有效。 ( 2 ) 数据字结构 数据字既可以由主站传送到从站，也可以由从站传送到主站。数据字的格式 如表2 2 所示。 1 4 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 表2 2 数据字结构 1234567891 01 l1 2 1 31 4 1 51 61 71 81 9 2 0 字头 1 5 1 5 d a t a 1 5 ：0 】 p 1 3 位：前1 5 位为1 0 1 ，后1 5 位为1 11 时标识数据字。 4 1 9 位：1 6 位长数据( d a t a 1 5 ：0 】) ，高位( m s b ) 传输在先。 2 0 位：奇偶校验位( p ) ，该字的奇偶校验位，奇校验有效。 ( 3 ) 状态字结构 状态字只能由从站发出，是对主站发出的有效命令的应证性信号，是通信中 进行差错控制和流量控制的重要手段。状态字的格式如表2 - 3 所示。 表2 3 状态字格式 l2 3 456 7891 01 l1 21 31 41 51 61 71 81 92 0 字头 1 51 5 r a 9 ：0 】 状态代码 sp 1 3 位：同步字头( s y n ) ，前1 5 位为1 0 1 ，后1 5 位为0 0 0 时标识指令字或 状态字。 4 1 3 位：l o b i t s 从站的地址( r a 9 ：0 】) 。 1 4 1 8 位：状态代码，表示响应模块的通信状态。 1 9 位：状态字识别位( s ) ，有效字为状态字时，该位为“1 ”。 2 0 位：奇偶校验位( p ) ，该字的奇偶校验位，奇校验有效。 状态代码描述如表2 4 所示。 表2 4 状态代码描述 b i 饼 名称描述 为l 时表示当前通信中，远程模块中所收到的消息 1 4 消息错误 中有一个或多个字没有通过有效性检测。 为l 时表示从站正在处理别的事务，不能按主站的 1 5 忙位 命令进行读写操作。 1 6 r m 故障位1 表示从站存在故障。 1 7 广播指令接收位1 表示上一个有效指令字的确是广播指令 l 表示在确定的方式下，主站发送了不支持的命令 1 8无效命令 字。 注释：只有满足下列判据才认为传输中不存在错误：第一是“字有效”， 这是指都以有效的同步字头开始，并且除去同步字头之外其余的都是有效的双相 码，有效信息是1 6 位，奇偶校验位一位，且奇校验。第二是“消息有效”，这是 指在一次传输中，如果存在一个数据块，那么在指令字与数据字之间，在数据字 与数据字之间，消息是连续的，不存在任何“断裂的情况。第三是“指令有效 ， 这是指在指令字和数据字各场中不存在非法数据，同时发出的数据块长度应与设 第二章机载数据采集系统 1 5 置长度相等。如果以上三个判据中有任何一个得不到满足，则消息错误位置位。 注释：由于广播消息格式要求禁止从站发回状态字，为了了解上一个广播 指令是否已被从站有效接收，可使用专门的命令类型让某个从站发回状态字，如 此位置成“1 ，而且忙位置为“0 ，即说明上一个指令的确是广播指令，已被 该从站有效的接收到。 2 2 2 4 通信传输的时间间隔要求 以下消息格式中出现的符号表示字间隔，规定的间隔时间4 - - m 位。# 符号 表示消息间隔，规定的最小间隔时间4 位。 ( 1 ) 无状态字响应的数据读取方式 l 指令字i可选的数据字i l 数据字l # l下一个消息 i 由b c 发起的数据读取指令，响应的r m 返回数据字，当无数据字响应时， b c 可作超时处理。 ( 2 ) 有状态字响应的数据读取方式 i 指令字l 可选的数据字i i 状态字l数据字l # i 下一个消息i 由b c 发起的数据读取指令，响应的r m 返回状态字和数据字，当无状态字响 应时，b c 可作超时处理；当状态字响应存在故障时，b c 可作重试和超时处理。 ( 3 ) 无状态字响应的数据写入方式 i 指令字l 数据字i 数据字l i # i 下一个消息 i 由b c 发起的数据写入指令，响应的r m 不需要返回状态字。 ( 4 ) 有状态字响应的数据写入方式 l 指令字l 数据字i i l状态字i # l下一个消息 l 由b c 发起的数据写入指令，响应的r m 需要返回状态字。 2 2 3w i s h b o n e 总线协议 w i s h b o n e 总线是一种内部总线协议。它可以将片内的各部分以及i p 核等连接 在一起，用来标准化各个独立部分的接口，使得架构s o c ( s y c t e m o n c h i p ) 系 统更加方便。w i s h b o n e 总线最大的特点是结构简单、灵活，只需要很少的逻辑门 即可实现，同时完全免费、公开【引。 2 2 3 1w i s h b o n e 总线信号分析 w i s h b o n e 总线的信号分为4 类：系统控制信号、主从共有信号、主设备输入 信号和主设备输出信号，标准主从接口引脚图如图2 9 所示： 1 6 机载数据采集系统中继器与远程终端的设计与实现 口s e r d l 强国衄 藿 藿 笙 图2 9w i s h b o n e 总线接口引脚图 ( 1 ) 系统控制信号 c l ko 系统时钟：由系统模块产生，它同步w i s h b o n e 总线互联的所有内部 信号的有效。 r s to 复位输出：由系统模块产生，它强制所有w i s h b o n e 接口重新启动。 所有内部自启动状态机将被强制处于初始状态。 ( 2 ) 主从共有信号 c l ki 时钟输入：同步w i s h b o n e 总线互联的所有内部信号的有效。所有的 w i s h b o n e 总线输出信号在c l ki 的上升沿寄存。 r s ti 复位输入：强制w i s h b o n e 总线接口重新启动。 d a ti 数据输入：被用来传递二进制数据。总线的边界由端口大小决定。 d a to 数据输出：被用来传递二进制数据。总线的边界由端口大小决定。 ( 3 ) 主设备输入信号 a c ki 应答输入：指示一个总线循环的正常结束。 e r ri 错误输入：指示一次错误的总线循环的结束。 r 1 阿i 重试输入：指示接口没有准备好接收或者发送数据，当前循环应当重 试。 ( 4 ) 主设备输出信号 a d ro 地址输出：用于传递二进制地址，位宽由总线宽度决定。 c y co 循环输出：有效时，表明正在进行一个正确的总线循环，该信号在所 有总线循环的持续过程中保持有效。 s e lo 选择输出：指示在读写事务时有效数据在d a ti 和d a to 的位置。 s t bo 选通输出：指示一个有效数据传输循环。它用于确定像s e lo 这样接 一一一一一一一 解一繇一一一 一一舭一一一一一一一一一一 盼o一”o一王一oo一王一 一一靴一一一一一一一一一一一一 镬hu曼答甚斑h誊 第二章机载数据采集系统 1 7 口上的其他信号的有效性。对于每个s t b0 信号的声明，从设备需要声明a c ki 、 e r ri 或者r t yi 信号。 w eo 写使能输出：指示当前事务是读还是写操作。该信号在读事务中是无 效的，在写操作中有效。 b t eo 块传输地址类型：指示当前传输操作的地址增加类型。 c t io 传输类型：指示当前操作的传输类型。本系统将0 1 0 标记为块传输周 期非最后一个数据相，1 11 为标记为单字传输周期和块传输周期最后一个数据相， 0 1 l 标记为特殊周期传输。 2 2 3 2w i s h b o n e 支持的互联类型 w i s h b o n e 总线规范中，使用m a s t e r s l a v e 主、从结构实现非常灵活的系统设 计，m a s t e r s l a v e 有四种互连方式，分别为点对点、