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1曼徹斯特編解碼器模塊設(shè)計(jì)

1.11553B總線數(shù)據(jù)格式信號(hào)編解碼的設(shè)計(jì)方案由總線傳輸層特性決定，1553B消息字格式和曼徹斯特碼型如圖2所示。1553B總線以字為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)字包含20位，其中前3位為同步頭，后17位為數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位，如圖2（a）所示?？偩€數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s，采用曼徹斯特Ⅱ雙相碼編碼方式，每位數(shù)據(jù)中間均有一個(gè)跳變沿，由正到負(fù)的跳變表示邏輯‘1’，由負(fù)到正的跳變表示邏輯‘0’，其碼型對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2（b）所示。

1.2編碼器設(shè)計(jì)編碼器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要完成對(duì)待發(fā)送消息字的曼徹斯特編碼，并將其并串轉(zhuǎn)換后輸出。由于曼徹斯特碼每位數(shù)據(jù)中間均有跳變，故發(fā)送時(shí)需將每一位分割成兩位，分別發(fā)送。其工作過程為：（1）同步頭編碼，若為數(shù)據(jù)字同步頭，則編碼為“111000”（由高位到低位，下同），若為狀態(tài)字或命令字同步頭，則編碼為“000111”；（2）數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位編碼，若為‘0’，則編碼為“10”，若為‘1’，則編碼為“01”；（3）按由低到高的順序?qū)⒕幋a后的40位數(shù)據(jù)串行輸出。FPGA采用16MHz主時(shí)鐘，由于編碼后每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)0.5μs，故將主時(shí)鐘分頻后產(chǎn)生2MHz時(shí)鐘來控制編碼器發(fā)送40位數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)送一位，正好滿足1553B總線1Mb/s的速率要求[5]。

1.3解碼器設(shè)計(jì)解碼器主要完成消息字的解碼，并將其串并轉(zhuǎn)換后輸出，其工作過程為：（1）檢測(cè)到總線上有效電平，解碼器開始工作；（2）同步頭解碼，檢測(cè)到指令字和狀態(tài)字同步頭用“011”表示，檢測(cè)到數(shù)據(jù)字同步頭用“100”表示；（3）16位數(shù)據(jù)位和1位奇偶校驗(yàn)位解碼；（4）將解碼后的消息字（20位）并行輸出。同步頭和數(shù)據(jù)位檢測(cè)示意如圖3所示。由1553B協(xié)議可知，同步頭包含三個(gè)位時(shí)，在1.5個(gè)位時(shí)處有跳變。如圖3（a）所示，同步頭到來后，解碼器連續(xù)采集48個(gè)數(shù)，理論上，采用16MHz時(shí)鐘，如果檢測(cè)到24個(gè)‘0’和24個(gè)‘1’，則表示收到有效同步頭，但考慮到信號(hào)上升時(shí)間及下降時(shí)間等因素，實(shí)際若檢測(cè)到22個(gè)或者23個(gè)‘0’和‘1’，就可以判定同步頭有效，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)位包含一個(gè)位時(shí)，在0.5個(gè)位時(shí)處有跳變。如圖3（b）所示，在每個(gè)數(shù)據(jù)中間部位，若前一時(shí)鐘采樣到‘0’，后一時(shí)鐘采樣到‘1’，則表示當(dāng)前數(shù)據(jù)位為‘0’，反之則是‘1’。另外，如果采到的數(shù)沒有跳變，為全‘0’或者全‘1’，則產(chǎn)生錯(cuò)誤標(biāo)志，通知協(xié)議處理邏輯或子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理。

2協(xié)議處理模塊設(shè)計(jì)

2.1協(xié)議處理模塊響應(yīng)流程協(xié)議處理模塊實(shí)現(xiàn)BC，RT，MT三種總線終端的協(xié)議處理，在FPGA模塊設(shè)計(jì)之前，根據(jù)1553B協(xié)議對(duì)協(xié)議處理模塊三種工作模式下的響應(yīng)流程分別進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

2.1.1BC模式[6]BC（總線控制器）是1553B總線的核心，總線上任何類型的數(shù)據(jù)交換都由它發(fā)起。BC模式下接口響應(yīng)流程設(shè)計(jì)如圖4所示。MIL⁃STD⁃1553B協(xié)議規(guī)定的總線指令可分發(fā)送指令、接收指令和方式指令三種，共能實(shí)現(xiàn)四種類型的功能：RT到BC的數(shù)據(jù)傳輸、BC到RT的數(shù)據(jù)傳輸、RT到RT的數(shù)據(jù)傳輸和總線管理。根據(jù)圖4，BC模式下接口主要工作過程為：（1）根據(jù)外部系統(tǒng)需求發(fā)送相應(yīng)命令字，發(fā)起總線傳輸；（2）根據(jù)指令類型的不同，進(jìn)入不同響應(yīng)流程，主要包括數(shù)據(jù)字發(fā)送、數(shù)據(jù)字接收和狀態(tài)字接收等；（3）消息完成后進(jìn)行消息結(jié)束處理，主要包括消息結(jié)束標(biāo)志的產(chǎn)生，差錯(cuò)處理，以及根據(jù)收到的RT狀態(tài)字判斷總線終端狀態(tài)等。需要注意的是，BC如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到RT狀態(tài)回復(fù)，則需重新發(fā)送命令字進(jìn)行重試（Retry）。

2.1.2RT模式[7]RT（遠(yuǎn)程終端）是1553B總線上的指令/響應(yīng)型終端，它響應(yīng)BC發(fā)送的指令，按要求接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回送狀態(tài)字，并服從BC的總線管理。RT模式下接口響應(yīng)流程設(shè)計(jì)如圖5所示。根據(jù)圖5，RT模式下接口主要工作過程為：（1）收到命令字后進(jìn)行指令分析，根據(jù)指令類型進(jìn)入相應(yīng)的響應(yīng)流程；（2）按照流程進(jìn)行數(shù)據(jù)字接收、發(fā)送，并回復(fù)狀態(tài)字；（3）消息完成后進(jìn)行消息結(jié)束處理，主要包括消息結(jié)束標(biāo)志的產(chǎn)生，差錯(cuò)處理，以及特殊方式指令下方式標(biāo)志的產(chǎn)生等。

2.1.3MT模式MT（總線監(jiān)控器）是總線上的監(jiān)聽單元，它監(jiān)控總線上的信息傳輸，完成對(duì)總線的上原始數(shù)據(jù)的記錄，但它本身不參與總線的通信。MT模式接口的功能較為簡(jiǎn)單，主要進(jìn)行指令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字的接收并將其寫入相應(yīng)緩存中，方便以后提取分析，可通過BC模式或RT模式下接口相應(yīng)的子模塊實(shí)現(xiàn)。

2.2協(xié)議處理模塊FPGA總體設(shè)計(jì)根據(jù)以上三種模式下接口響應(yīng)流程的分析，對(duì)協(xié)議處理模塊各FPGA子功能模塊進(jìn)行了劃分[8]，總體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。協(xié)議處理模塊主要由數(shù)據(jù)接收部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)緩存部分組成，此外還包括超時(shí)檢測(cè)、地址譯碼及讀寫控制、中斷管理等輔助部分。由于三種模式下某些功能重復(fù)，為了提高FPGA資源利用率，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了相應(yīng)模塊的模式復(fù)用，整個(gè)協(xié)議處理邏輯可在外部模式選擇信號(hào)的控制下工作在BC，RT和MT模式。16MHz的全局時(shí)鐘通過時(shí)鐘管理模塊為各FPGA功能模塊提供工作時(shí)鐘，各模塊間通過一定的握手信號(hào)互聯(lián)，保證協(xié)議處理邏輯有序工作。整個(gè)協(xié)議處理模塊的基本工作原理如下：按照1553B協(xié)議規(guī)范，通過接收器接收總線上的數(shù)據(jù)并存入緩存，通過發(fā)送器取出緩存中的數(shù)據(jù)并發(fā)送到總線上，同時(shí)不斷以中斷和握手信號(hào)與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信，通知外部系統(tǒng)向緩存中寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)或從緩存中讀取已接收數(shù)據(jù)，并共同完成差錯(cuò)處理和協(xié)議邏輯的管理[9]。

3設(shè)計(jì)仿真與驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，編寫了重要模塊的FPGA代碼，模擬實(shí)現(xiàn)BC功能和RT功能，采用Active⁃HDL軟件仿真，其中BC向RT的數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果如圖7所示。仿真通過后，在Virtex⁃5FPGA[10]平臺(tái)上對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖8所示。將BC功能模塊和RT功能模塊的代碼經(jīng)ISE綜合、布局布線后分別下載到兩塊開發(fā)板中實(shí)現(xiàn)，開發(fā)板通過串口與PC機(jī)通信。PC機(jī)將指令和數(shù)據(jù)寫入FPGA相應(yīng)寄存器中，BC和RT在PC機(jī)指令的控制下進(jìn)行1553B協(xié)議通信。驗(yàn)證過程中通過示波器查看模擬總線的波形，并通過ChipScope觀察和比對(duì)協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為提高接口性能，用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜傳輸介質(zhì)，采用8B/10B編解碼代替曼徹斯特編解碼，并利用FP⁃GA內(nèi)嵌RocketIO內(nèi)核，進(jìn)行了傳統(tǒng)1553協(xié)議數(shù)據(jù)的光纖傳輸[11]，傳輸過程數(shù)據(jù)比對(duì)ChipScope采樣如圖10所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，BC和RT功能模塊能夠正常按照1553B協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成基本1553B協(xié)議的處理，實(shí)現(xiàn)1553B協(xié)議數(shù)據(jù)的1Mb/s電纜傳輸和3Gb/s以上光纖傳輸，數(shù)據(jù)比對(duì)無誤，說明該接口設(shè)計(jì)方案實(shí)際可行，具備開發(fā)應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為光纖1553接口的設(shè)計(jì)提供了一定參考價(jià)值。

4結(jié)語

本文提出一種基于FPGA的1553B總線接口方案，該接口采用模塊化和通用性設(shè)計(jì)，能夠工作在BC，RT和MT三種模式，實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編解碼，并完成1553B協(xié)議的處理。編寫VHDL代碼對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，證明了其可行性，同時(shí)對(duì)光纖1553接口的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索性研究。目前，1553B接口芯片主要依賴進(jìn)口，若能積極開展該方面的研究，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用IP核，對(duì)于擺脫國外限制，降低成本，提升我國在該領(lǐng)域的自主競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義，其應(yīng)用前景非常廣泛。本文創(chuàng)新點(diǎn)：將FPGA技術(shù)應(yīng)用于1553B總線接口，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)，系統(tǒng)的集成度提高，擴(kuò)展性增強(qiáng)，設(shè)計(jì)靈活性也大大提高。

作者：泮朋軍朱浩文單位：上海航天電子技術(shù)研究所