基于FPGA的1553B总线接口设计与验证 - 全文

摘要：为降低成本，提高设计灵活性，提出一种基于FPGA的1553B总线接口方案；采用自顶向下的设计方法，在分析1553B总线接口工作原理和响应流程的基础上，完成了接口方案各FPGA功能模块设计；对关键模块编写VHDL代码，并采用Active⁃HDL软件进行了仿真；以Virtex⁃5 FPGA 开发板和PC机为验证平台，在FPGA中分别模拟BC与RT，在PC机指令下进行了BC与RT功能模块间的收发测试，结果表明系统能在协议规定的1 MHz数据率下稳定运行；同时，为提升接口性能，采用光纤代替传统电缆传输介质，利用FPGA内嵌RocketIO内核进行了传统1553协议数据的光纤传输，速率可达3 Gb/s以上。

0 引言

MIL⁃STD⁃1553B（数字式时分制命令/响应型多路传输数据总线）由美国国防部于20世纪70年代末提出，它采用曼彻斯特编码方式和冗余的总线型拓扑结构，具有非常好的时钟同步能力及容错机制，极大地简化了电子设备之间的互联，因而被广泛应用于对可靠性要求较高的军事、航空、航天等领域。

随着1553B总线优越性能不断体现，我国相关领域的应用需求不断增多，其关键地位也日益突出。但由于1553B协议本身较为复杂、国内技术相对落后，在1553B总线的设计中大多采用国外的协议接口芯片，典型如DDC公司的BU⁃61580等。一方面，这类芯片不仅价格昂贵，而且容易受国外限制；另一方面，在实际应用中，芯片许多功能略显多余，不能进行灵活设计。

现场可编程门阵列FPGA 可将大量逻辑集成在单片IC中，其内部资源丰富，相应EDA开发工具功能强大，是理想的片上系统设计与实现平台。FPGA 具有开发周期短、成本低、灵活性高等诸多优点，基于对协议规范的分析，通过FPGA来实现MIL⁃STD⁃1553B总线接口是可行的。本文提出了一种基于FPGA的1553B总线接口设计方案，并编写VHDL代码进行仿真，最后在FPGA上完成了设计验证，实现了传统1553B协议数据的1 Mb/s电缆传输和3 Gb/s以上光纤传输。

1 MIL⁃STD⁃1553B总线介绍

MIL⁃STD⁃1553B 是一种命令/响应型多路传输总线，它采用冗余的总线结构，在当前传输线发生故障时可立刻切换到冗余传输线上，防止通信中断。同时，1553B协议严格规定了消息格式，限定了每条消息的最大传输数据量及总线单元的最大响应时间，并规范了总线耦合方式、电缆电气特性等，从各个方面确保总线传输的高可靠性。

1553B总线包含三种总线单元：总线控制器BC、远程终端RT 和总线监视器MT，各单元在总线控制器BC的调度下有序地进行通信。总线上数据以字为基本单位进行传输，分为命令字、状态字和数据字，每个字包含20 位。总线单元间每一次数据的交换称为一条消息，1553B协议规定了10种消息格式，除此之外其他格式的消息均为非法消息。总线采用曼彻斯特编码方式，方便接收端提取同步时钟，简化了总线结构。

2 1553B总线接口整体设计方案

总线接口是外部系统与总线之间的数据交换媒介，其主要功能是完成总线协议的处理。根据1553B 协议的特点，总线接口整体设计方案如图1所示。

 

 

图1 总线接口整体设计方案

由图1 可知，总线接口包括模拟收发器、曼彻斯特编解码器和协议处理逻辑三大模块。其中，模拟收发器完成FPGA输出信号与总线信号之间的电平转换，可由专用转换芯片完成，而曼彻斯特编解码器和1553B协议处理逻辑是接口的主要组成部分，完成数据编解码和协议处理，通过FPGA 实现。总线接口通过一定的地址、数据和握手信号与外部系统相连。

3 曼彻斯特编解码器模块设计

3.1 1553B总线数据格式信号编解码的设计方案由总线传输层特性决定，1553B消息字格式和曼彻斯特码型如图2所示。

 

 

图2 1553B消息字格式和曼彻斯特码型

1553B总线以字为单位进行数据传输，每个字包含20位，其中前3位为同步头，后17位为数据位和奇偶校验位，如图2（a）所示。总线数据传输速率为1 Mb/s，采用曼彻斯特Ⅱ双相码编码方式，每位数据中间均有一个跳变沿，由正到负的跳变表示逻辑‘1’，由负到正的跳变表示逻辑‘0’，其码型对应关系如图2（b）所示。

3.2 编码器设计

编码器的设计相对简单，主要完成对待发送消息字的曼彻斯特编码，并将其并串转换后输出。由于曼彻斯特码每位数据中间均有跳变，故发送时需将每一位分割成两位，分别发送。其工作过程为：

（1） 同步头编码，若为数据字同步头，则编码为“111000”（由高位到低位，下同），若为状态字或命令字
同步头，则编码为“000111”；

（2）数据和奇偶校验位编码，若为‘0’，则编码为“10”，若为‘1’，则编码为“01”；

（3）按由低到高的顺序将编码后的40位数据串行输出。

FPGA采用16 MHz主时钟，由于编码后每位数据对应0.5 μs，故将主时钟分频后产生2 MHz时钟来控制编码器发送40 位数据，每个时钟沿发送一位，正好满足1553B总线1 Mb/s的速率要求[5]。

3.3 解码器设计

解码器主要完成消息字的解码，并将其串并转换后输出，其工作过程为：

（1）检测到总线上有效电平，解码器开始工作；

（2）同步头解码，检测到指令字和状态字同步头用“011”表示，检测到数据字同步头用“100”表示；

（3）16位数据位和1位奇偶校验位解码；

（4）将解码后的消息字（20位）并行输出。

同步头和数据位检测示意如图3所示。

 

图3 同步头和数据位检测

由1553B协议可知，同步头包含三个位时，在1.5个位时处有跳变。如图3（a）所示，同步头到来后，解码器连续采集48 个数，理论上，采用16 MHz 时钟，如果检测到24个‘0’和24个‘1’，则表示收到有效同步头，但考虑到信号上升时间及下降时间等因素，实际若检测到22个或者23个‘0’和‘1’，就可以判定同步头有效，进行下一步数据的接收。

数据位包含一个位时，在0.5个位时处有跳变。如图3（b）所示，在每个数据中间部位，若前一时钟采样到‘0’，后一时钟采样到‘1’，则表示当前数据位为‘0’，反之则是‘1’。另外，如果采到的数没有跳变，为全‘0’或者全‘1’，则产生错误标志，通知协议处理逻辑或子系统进行相应的错误处理。

4 协议处理模块设计

4.1 协议处理模块响应流程

协议处理模块实现BC，RT，MT三种总线终端的协议处理，在FPGA模块设计之前，根据1553B协议对协议处理模块三种工作模式下的响应流程分别进行分析设计。

4.1.1 BC模式

BC（总线控制器）是1553B 总线的核心，总线上任何类型的数据交换都由它发起。BC模式下接口响应流程设计如图4所示。

 

 

图4 BC模式下接口响应流程

MIL⁃STD⁃1553B 协议规定的总线指令可分发送指令、接收指令和方式指令三种，共能实现四种类型的功能：RT 到BC 的数据传输、BC 到RT 的数据传输、RT 到RT 的数据传输和总线管理。根据图4，BC 模式下接口主要工作过程为：

（1）根据外部系统需求发送相应命令字，发起总线传输；

（2）根据指令类型的不同，进入不同响应流程，主要包括数据字发送、数据字接收和状态字接收等；

（3）消息完成后进行消息结束处理，主要包括消息结束标志的产生，差错处理，以及根据收到的RT状态字判断总线终端状态等。

需要注意的是，BC 如果在规定的时间内没有收到RT状态回复，则需重新发送命令字进行重试（Retry）。

4.1.2 RT模式

RT（远程终端）是1553B 总线上的指令/响应型终端，它响应BC发送的指令，按要求接收或发送数据，在规定时间内回送状态字，并服从BC的总线管理。RT模式下接口响应流程设计如图5所示。

 

 

图5 RT模式下接口响应流程

根据图5，RT模式下接口主要工作过程为：

（1）收到命令字后进行指令分析，根据指令类型进入相应的响应流程；

（2）按照流程进行数据字接收、发送，并回复状态字；

（3）消息完成后进行消息结束处理，主要包括消息结束标志的产生，差错处理，以及特殊方式指令下方式标志的产生等。

4.1.3 MT模式

MT（总线监控器）是总线上的监听单元，它监控总线上的信息传输，完成对总线的上原始数据的记录，但它本身不参与总线的通信。

MT模式接口的功能较为简单，主要进行指令字、状态字和数据字的接收并将其写入相应缓存中，方便以后提取分析，可通过BC模式或RT模式下接口相应的子模块实现。

4.2 协议处理模块FPGA总体设计

根据以上三种模式下接口响应流程的分析，对协议处理模块各FPGA 子功能模块进行了划分，总体设计框图如图6所示。

协议处理模块主要由数据接收部分、数据发送部分和数据缓存部分组成，此外还包括超时检测、地址译码及读写控制、中断管理等辅助部分。由于三种模式下某些功能重复，为了提高FPGA 资源利用率，设计时充分考虑了相应模块的模式复用，整个协议处理逻辑可在外部模式选择信号的控制下工作在BC，RT和MT模式。

 

图6 协议处理模块总体设计框图

16 MHz的全局时钟通过时钟管理模块为各FPGA功能模块提供工作时钟，各模块间通过一定的握手信号互联，保证协议处理逻辑有序工作。整个协议处理模块的基本工作原理如下：按照1553B 协议规范，通过接收器接收总线上的数据并存入缓存，通过发送器取出缓存中的数据并发送到总线上，同时不断以中断和握手信号与外部系统进行通信，通知外部系统向缓存中写入待发送数据或从缓存中读取已接收数据，并共同完成差错处理和协议逻辑的管理。

5 设计仿真与验证

根据设计方案，编写了重要模块的FPGA 代码，模拟实现BC功能和RT功能，采用Active⁃HDL软件仿真，其中BC向RT的数据传输仿真结果如图7所示。

仿真通过后，在Virtex⁃5 FPGA平台上对设计进行了验证，如图8所示。将BC功能模块和RT功能模块的代码经ISE综合、布局布线后分别下载到两块开发板中实现，开发板通过串口与PC机通信。PC机将指令和数据写入FPGA相应寄存器中，BC和RT在PC机指令的控制下进行1553B 协议通信。验证过程中通过示波器查看模拟总线的波形，并通过ChipScope观察和比对协议收发数据。

 

图7 BC向RT传输仿真结果

 

图8 1553B总线接口FPGA验证平台

同时，为提高接口性能，用光纤代替传统电缆传输介质，采用8B/10B编解码代替曼彻斯特编解码，并利用FP⁃GA内嵌RocketIO内核，进行了传统1553协议数据的光纤传输，传输过程数据比对ChipScope采样如图10所示。

图9 数据比对的ChipScope采样

验证结果表明，BC 和RT 功能模块能够正常按照1553B协议进行数据的发送和接收，完成基本1553B协议的处理，实现1553B 协议数据的1 Mb/s 电缆传输和3 Gb/s以上光纤传输，数据比对无误，说明该接口设计方案实际可行，具备开发应用价值，同时也为光纤1553接口的设计提供了一定参考价值。

6 结语

本文提出一种基于FPGA 的1553B总线接口方案，该接口采用模块化和通用性设计，能够工作在BC，RT和MT三种模式，实现曼彻斯特编解码，并完成1553B协议的处理。编写VHDL 代码对设计方案进行了仿真和验证，证明了其可行性，同时对光纤1553接口的设计进行了探索性研究。目前，1553B 接口芯片主要依赖进口，若能积极开展该方面的研究，开发出具有自主知识产权的通用IP 核，对于摆脱国外限制，降低成本，提升我国在该领域的自主竞争力具有重要意义，其应用前景非常广泛。

本文创新点：将FPGA技术应用于1553B总线接口，缩短了设计周期，降低了设计成本，同时，系统的集成度提高，扩展性增强，设计灵活性也大大提高。