基于SOPC的1553B總線通訊解決方案

自2005年9月LXI總線推出以來(lái)，已經(jīng)顯示出其組建測(cè)試系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)。基于LXI總線組建測(cè)試系統(tǒng)具有易于使用、靈活性高、模塊化和可擴(kuò)縮性、實(shí)現(xiàn)更快的系統(tǒng)吞吐率、可分布式應(yīng)用、長(zhǎng)壽命、低成本、通過(guò)IEEE1588時(shí)鐘同步、機(jī)架空間小、合成儀器等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1553B總線的全名為"時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線",國(guó)內(nèi)多型戰(zhàn)斗機(jī)、軍艦等武器平臺(tái)都采用其作為傳輸總線。因此研制基于LXI總線的1553B通訊模塊，不僅能滿足多型武器裝備對(duì)1553B總線的測(cè)試需求，也對(duì)LXI總線在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用有推動(dòng)作用。

1 模塊總體方案

模塊基本設(shè)計(jì)指標(biāo)為：滿足LXI規(guī)范C類儀器標(biāo)準(zhǔn)；支持DHCP、自動(dòng)配置IP地址和手動(dòng)配置IP地址；支持ICMP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議；同步采用網(wǎng)絡(luò)命令方式；能完成1553B在BC模式下的所有功能。

根據(jù)指標(biāo)要求采用基于SOPC的32位處理器+實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real Time Operation System,RTOS）總體方案，在一塊FPGA芯片上集成了控制器和邏輯單元，既降低了開(kāi)發(fā)的難度、減少了模塊體積，也易于以后的升級(jí)。32位處理器有足夠的資源可以擴(kuò)充利用，RAM和ROM可以做的足夠大，整個(gè)TCP/IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里面去，甚至可以嵌入一個(gè)帶TCP/IP協(xié)議族的操作系統(tǒng)。

2 基于SOPC的硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

片上可編程系統(tǒng)（System on a Programmable Chip,SOPC）將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、LVDS和CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)PLD器件上構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，是一種靈活高效的SOC解決方案。SOPC結(jié)合了SOC和可編程邏輯器件各自的優(yōu)點(diǎn)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式、可剪裁、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，成為SOC設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

2.1 模塊硬件架構(gòu)

模塊硬件主要由NiosII軟核處理器、以太網(wǎng)組件、1553B總線組件、存儲(chǔ)器、片內(nèi)RAM、通用I/O接口和調(diào)試配置模塊7部分組成，架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 硬件架構(gòu)示意圖

1）NiosII軟核處理器：模塊的CPU,負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作調(diào)度。在其內(nèi)部移植了μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議；它接受客戶端通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求，經(jīng)解析后回復(fù)Web界面或控制1553B功能接口；2）以太網(wǎng)組件（DM9000A）：完成對(duì)以太網(wǎng)控制器的操作，將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)控制器送到網(wǎng)際層，由NioslI軟核處理器內(nèi)的LwIP協(xié)議處理；或者將網(wǎng)際層送來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)接口發(fā)送出去：3）1553B總線組件（BU-61580）：受NiosllI軟核處理器控制，完成在BC模式下各類消息和命令的發(fā)送及狀態(tài)的讀取；4）Flash存儲(chǔ)器：主要用來(lái)存儲(chǔ)模塊的一些固定參數(shù)和靜態(tài)Web界面；5）片內(nèi)RAM:RAM是在FPGA剩余邏輯中用Quartusll內(nèi)所帶的MegaWizard管理器生成的，這樣就不需要外加RAM芯片。片內(nèi)RAM主要是用來(lái)存儲(chǔ)程序運(yùn)行過(guò)程中所接收和產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)；6）通用I/O接口：用來(lái)完成對(duì)LED或按鍵的控制；7）JTAG調(diào)試模塊和EPCS配置模塊：J1TAG模塊用來(lái)完成對(duì)程序的調(diào)試工作。配置是對(duì)FPGA的內(nèi)容進(jìn)行編程的過(guò)程，每次上電后都需要配置，EPCS配置模塊允許NioslI訪問(wèn)EPCS串行配置器件。

具體開(kāi)發(fā)主要有3部分工作：1）NiosII軟核處理器及其外設(shè)的設(shè)計(jì)。2）自定義宏功能模塊RAM的開(kāi)發(fā)，這部分工作在QuartuslI軟件中完成；3）應(yīng)用軟件程序的編寫，在NiosIIIDE軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成。

2.2 模塊硬件設(shè)計(jì)

SOPC Builder是Altera公司為用戶自定義系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的工具。用戶使用SOPC Builder可以將IP核、存儲(chǔ)器、接口、微處理器和自定義組件等復(fù)雜系統(tǒng)組件簡(jiǎn)單又快速的集成到Ahera高密度FPGA芯片上。按照模塊硬件系統(tǒng)的要求，借助SOPC Builder生成的模塊硬件結(jié)構(gòu)，包括：32位標(biāo)準(zhǔn)NiosII軟核處理器：cpu;JTAG調(diào)試接口：jtag-debug-module;外部SDRAM存儲(chǔ)器接口：sdram;Avalon三態(tài)橋：tri_state_brid ge;EPCS串行閃存控制器：EPCS_controller;外部FLASH存儲(chǔ)器接口：cfi_flash;定時(shí)/計(jì)數(shù)器：time0/timel;以太網(wǎng)接口：dm9000a;1553B接口：bu61580;LED接口：led;64KRAM接口：RAM;按鍵接口：key;系統(tǒng)識(shí)別模塊：sysid。

圖2 基于SOPC Builder的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 宏功能模塊RAM生成

CycloneII器件內(nèi)部的RAM塊只有M4K一種，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的雙端口、簡(jiǎn)單雙端口和單端口的RAM,可以支持移位寄存器和ROM方式。用QuartusII內(nèi)所帶的MegaWizard管理器來(lái)生成RAM,首先運(yùn)行MegaWizard管理器選擇"創(chuàng)建一個(gè)新的宏功能",在出現(xiàn)的對(duì)話框內(nèi)選擇Insta lled Plug-Ins下的memory compiler下的RAM:1-PORT,如圖3所示。

圖3 MegaWizard管理器

在接下來(lái)的各頁(yè)中選擇如下參數(shù)：數(shù)據(jù)線寬度16位；存儲(chǔ)64個(gè)字；自動(dòng)單時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)；選擇生成*.v,*.bsf,*_inst.v,*_bb.v,*_waveforms.html 5個(gè)文件。其他參數(shù)默認(rèn)即可。

2.4 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)控制器選用DM9000A,芯片為48管腳的LQFP封裝，支持處理器接口以字節(jié)/字模式的I/O命令操作內(nèi)部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，集成10/100M帶有AUTO-MDIX的接收器，支持用于全雙工流控制的IEEE802.3x標(biāo)準(zhǔn)，提供IP/TCP/UDP校驗(yàn)和生成以及校驗(yàn)過(guò)程，可選的EEPROM配置。

DM9000A與控制器和RJ45連接器的連接如圖4所示。DM9000A與控制器有兩種數(shù)據(jù)總線寬度的連接方式，即8位/16位模式，論文選用16位操作模式。DM9000A通過(guò)TX+、TX-、RX+和RX- 4條線與自帶隔離變壓器的RJ45轉(zhuǎn)換器相連。RESET引腳為DM9000A的復(fù)位引腳，低電平有效；X1外接25 Hz時(shí)鐘頻率。

圖4 DM9000A外圍連接圖

2.5 1553B接口設(shè)計(jì)

BU-61580與控制器的接口形式非常靈活，本文根據(jù)需求和資源情況選擇16位緩沖連接方式。為了提高本模塊的抗干擾性，論文采用變壓器耦合方式。BU-61580的外圍電路連接圖如圖5所示。

圖5 BU-61580的外圍電路連接圖

3 模塊軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)層次由NiosII處理器系統(tǒng)硬件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、HAL API、μC/OSII、LwIP協(xié)議棧、系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序7部分組成，如圖6所示。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)層次圖

1）NiosII處理器系統(tǒng)硬件：模型的核心，包括在FPGA中實(shí)現(xiàn)的NiosII軟核處理器和硬件外設(shè)；2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：管理以太網(wǎng)、1553B組件和其它外設(shè)的軟件函數(shù)；3）HAL API:硬件抽象層應(yīng)用程序接口，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口，對(duì)外層提供類似于POSIX的API;4）μC /OSII:實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層，為L(zhǎng)wIP協(xié)議棧、1553B任務(wù)和嵌入式Web任務(wù)提供多任務(wù)和任務(wù)間通訊服務(wù)；5）LwIP協(xié)議棧：通過(guò)套接字API為應(yīng)用程序和應(yīng)用系統(tǒng)初始化提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；6）系統(tǒng)初始化：包括μC/OSII、LwIP協(xié)議棧和1553B組件初始化函數(shù)，也包括所有應(yīng)用程序的任務(wù)、信號(hào)量、隊(duì)列和事件性標(biāo)志等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)間通訊資源的創(chuàng)建；7）應(yīng)用程序：最外一層是建立的各項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)。

應(yīng)用程序工作過(guò)程如下：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入工作等待狀態(tài)。以太網(wǎng)任務(wù)等待客戶端通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，當(dāng)有數(shù)包到達(dá)時(shí)，經(jīng)物理層處理后交于TCP/IP層處理。在TCP/IP協(xié)議層之上，建立了3個(gè)套接字接口來(lái)偵聽(tīng)套接字連接：嵌入式Web端口、PING端口和1553B端口。對(duì)于1553B任務(wù)，根據(jù)客戶端不同的請(qǐng)求，將啟動(dòng)不同的任務(wù)來(lái)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)命令的發(fā)送或狀態(tài)的讀取。

3.2 基于μC/OSII的LwIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)

輕量型IP（Light Weight IP,LwIP）協(xié)議是用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧。LwIP在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了移植問(wèn)題，把所有與硬件、OS和編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立了出來(lái)，因此LwIP在μC/OSII上移植只需修改目錄下的文件即可。

3.3 1553B總線協(xié)議任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

為方便對(duì)BU-61580芯片操作，開(kāi)發(fā)了BU-61580的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序包括BU-61580芯片的初始化函數(shù)、BC發(fā)送接收命令函數(shù)、BC發(fā)送發(fā)送命令函數(shù)、BC發(fā)送接收/發(fā)送命令函數(shù)、BC發(fā)送不帶數(shù)據(jù)字的方式命令函數(shù)和BC發(fā)送帶數(shù)據(jù)字的方式命令函數(shù)。

參考嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方式，基于LwIP和μC/OSII建立了端口號(hào)為8000的1553B套字接口任務(wù)，流程如圖7所示。

圖7 套字接口任務(wù)程序的流程圖

首先建立1553B任務(wù)接口守護(hù)進(jìn)程，創(chuàng)建TCP套接字，綁定端口，將TCP套接字轉(zhuǎn)換成偵聽(tīng)套接字，進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)，等待接受用戶的連接請(qǐng)求。當(dāng)有客戶端請(qǐng)求連接端口8000時(shí)，調(diào)用套接字?jǐn)?shù)據(jù)接收函數(shù)recv（）將客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取過(guò)來(lái)，將數(shù)據(jù)映射到定義的結(jié)構(gòu)體變量alt_avalon_BU61580*bdev上；用請(qǐng)求解析函數(shù)int 1553B_request（alt_avalon BU61580*bdev）根據(jù)messagemode判斷需要采取什么操作方式：然后BU-61580的發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)將數(shù)據(jù)內(nèi)容寫到相應(yīng)的寄存器或存儲(chǔ)器內(nèi)，啟動(dòng)BC發(fā)送；如果調(diào)用讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，則將存儲(chǔ)器或寄存器地址傳遞給讀取函數(shù)，將讀取到的數(shù)據(jù)調(diào)用函數(shù)int 1553B_transmit（&bdev[i],i）經(jīng)以太網(wǎng)打包后發(fā)送給客戶端。

4 儀器驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

儀器驅(qū)動(dòng)程序是介于上層用戶應(yīng)用程序和底層儀器硬件之間的一組函數(shù)，用戶在開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用程序時(shí)，可以調(diào)用這些基本動(dòng)作函數(shù)來(lái)使用儀器，而無(wú)須與底層硬件通訊。

參閱VPP規(guī)范，模塊提供了基于VISA函數(shù)的儀器驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)調(diào)用VISA函數(shù)，向模塊發(fā)送命令來(lái)完成模塊的功能。開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abWindo ws/CVI,而選用Agilent VISA作為VISA函數(shù)庫(kù)，主要是考慮Agilent是LxI總線的發(fā)起者，而且其提供的Agilent I/O Libraries封裝了許多關(guān)于LxI的功能。VISA函數(shù)所用的LxI儀器描述符有兩種：

1）對(duì)于VXI-11規(guī)范為：TCPIPO::192.168.4.10::instO::INSTR;

2）對(duì)于Sockets接口為：TCPIPO::192.168.4.10::8000::SOCKET.

其中192.168.4.10為模塊地址（非固定），8000為1553B接口任務(wù)的端口號(hào)。開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式提供給上層應(yīng)用程序使用。

儀器驅(qū)動(dòng)程的開(kāi)發(fā)步驟、驅(qū)動(dòng)函數(shù)原形以及發(fā)送的具體命令本文不再贅述。具體的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)及其功能如下：

系統(tǒng)函數(shù)：

5 結(jié)論

針對(duì)基于LxI總線的1553B模塊開(kāi)發(fā)需求，本文提出了一種利用SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)LxI總線到1553B總線通訊的硬件解決方法。在NioslI軟核處理器上移植了μC/OSII嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議；開(kāi)發(fā)了以太網(wǎng)和1553B自定義組件，并開(kāi)發(fā)了其相應(yīng)的DM9000A和BU-61580驅(qū)動(dòng)程序；最終開(kāi)發(fā)了儀器的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為便于模塊工程應(yīng)用。

文中設(shè)計(jì)方法降低了儀器的開(kāi)發(fā)難度，減少了模塊體積，同時(shí)也便于模塊的升級(jí)，具有良好的工程應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。