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摘要介绍了一种基于DSP+FPGA的1553B/RS422协议转换模块的实现方法,采用了Altera的EP1C6Q240构成逻辑控制单元,以实现RS422接口控制及编解码、1553B接口控制时序、DSP接口等,采用TI公司高性能的DSP TMS320C6713实现通信协议之间的透明转换。
中图分类号:TN91文献标识码:A
0 引言
1553B总线协议是当今较流行的军用航空总线标准,在一些新型战机上,越来越多的采用了1553B总线。但是很多传统的机载设备只支持RS422通信接口,而没有提供1553B通信接口,要使这些传统的机载设备能在新型战机上正常的工作,就必须要进行1553B/RS422通信协议的转换,本设计就是在这样的应用背景下提出的。
1 系统构成及原理实现
1553B/RS422协议转换模块是以一个小型载板形式安装在机载设备内部的,对整个模块的体积、功耗等各项指标有严格的要求。模块主要由RS422接口、协议转换、1553B接口、逻辑控制单元构成,如下图所示:
图1
1.1 RS422接口
RS422接口负责与机载设备的RS422接口进行数据收、发通信。RS422是一种被广泛应用的接口标准,采用差分传输方式,也称为“平衡传输”,标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。 RS422是全双工通信,通信的双方均含有一个发送驱动器和接收驱动器。其中接收驱动器的两个平衡线连接端点定义为A和B,发送驱动器的两个平衡线连接端点定义为Y和Z,一般使用平衡双绞线将一端的Y和A、Z和B连接起来。通常情况下,发送驱动器端Y、Z之间的正电平在+2 ~ +6V,代表正逻辑,负电平在-6 ~ -2V,代表负逻辑。在接收端,当A、B之间有大于+200mV 的电平时,输出正逻辑电平,小于-200mV 时,输出负逻辑电平。RS422最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mb/s。根据要求,本方案中的RS422接口设计的最高通信速率为1Mbps,波特率、校验方式、数据位、停止位等通信参数都是软件可设置的。设计中采用了MAX3490EESA芯片作为信号收发芯片。MAX3490E的最大传输速率为12Mbps,片内有一路收一路发,采用SO8封装,体积小巧,且功耗较低。考虑到实际应用环境,选用了的MAX3490EESA是MAX3490E系列中的一款工业级芯片,其工作温度范围为-40€癈 到 +85€癈。系统中共采用两片MAX3490EESA,构成两路全双工RS422通信接口,一路作为正常通信用,一路作为冗余备份,当正常通信的一路出现故障时,将启用备份通道,以恢复正常通信。系统中的RS422通信接口电路如图所示。
图2
1.2 1553B接口
1553B接口部分负责标准1553B总线数据的编解码。MIL-STD-1553B是最早由美国提出的一套军用航空总线标准。1553B总线是一种时分制命令/响应式多路复用数据总线。总线系统中有三种终端类型:总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM),终端通过直接耦合或者变压器耦合方式挂接到总线上;其传输信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式(模式码)。总线上的信号采用曼彻斯特编码,传输速度为1Mbps,半双工方式。通过专用屏蔽双绞线差分传输。1553B总线是一种高实时性,高可靠性的总线,在现代新型战机中得到了广泛应用。
1553B总线协议较复杂,设计中采用了ENPHT公司的1553B专用接口芯片EP-H31580。EP-H31580是一款由国内测控厂商ENPHT开发的具有完全自主知识产权的1553B协议芯片。符合MIL-STD-1553B Notice2,GJB-289A-97规范。EP-H31580提供一路双冗余MIL-STD-1553B通信接口 ,可配置为BCRTBM模式。该芯片具有灵活的处理器接口,可与多种CPU、MPU或CPLD相连,支持8、16位数据总线,内部4K x 16Bit存储器,最大外扩64K x 16Bit 存储器,Dip70封装,单电源3.3V供电。本系统采用EP-H31580挂接FPGA的方式,将EP-H31580配置为RT模式,实现机载设备到外部总线的1553B通信接口,如下图所示:
图3
1.3 逻辑控制单元
逻辑控制单元,设计中采用了Altera的一款FPGA,EP1C6Q240。用VHDL开发了内部逻辑代码。内部逻辑主要包括RS422接口控制及编解码、1553B接口控制时序、DSP接口等。当模块收到来自机载设备的RS422信号后,FPGA完成信号解码,得到的数据被存放在缓冲区中,与此同时FPGA向DSP发起中断,通知DSP读取、处理数据,处理完的数据再由FPGA控制板载1553B接口芯片EP-H31580将数据发向机载1553B系统总线。相反的,当模块收到来自机载1553B系统总线发向机载设备的下行数据时,FPGA也将1553B数据缓存到FIFO中,DSP获取数据后完成信息提取,数据转换,再由FPGA编码驱动RS422接口电路MAX3490E将数据以RS422格式发向机载设备。
1.4 协议转换
协议转换主要完成1553B总线数据和RS422数据之间的转换。本方案中将协议转换全部放在DSP中,作为一个独立的模块单元进行设计,协议的转换已经不是单纯的电气特性转换,而是包含了电气特性转换和接口协议翻译的综合协议转换,这样的划分减轻了下行终端的负担,也具有很好的通用移植性。为了适应新的应用要求,配上协议转换载板后,原有的成熟机载设备不需要再重新设计。而对于不同的机载设备来说,协议转换载板只需要按照设备的ICD,修改一下DSP内的协议转换代码。这就大大节约了技改升级成本和时间周期。
设计中采用TI公司的DSP,TMS320C6713实现通信协议之间的透明转换。所有的转换都按设备通信接口控制文件(ICD)规定进行,当收到RS422或1553数据时即进行相应的协议分析,信息提取,数据重组发送,具体过程如下:
图4
1.5 系统的启动与初始化
本系统是一个脱离一般操作系统支持而独立工作的模块,所有的初始化过程(包括RS422接口的参数配置、1553B接口的参数配置等)和功能性代码都在DSP程序里编写,且DSP程序具有自启动功能。DSP采用了FLASH BOOT模式,编译好的代码存放在板载FLASH中,当上电以后,DSP将从FLASH中自动下载程序执行,从而进入正常工作模式。
2 结论
本設计充分考虑了实际应用要求,实验证明该系统可以完成某机载设备RS422到1553B总线接口数据之间的透明转换传输。设计采用DSP实现协议转换,便于升级维护,也具有一定的可移植性。
参考文献
[1]GJB289—87.飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线[S].国防科学技术工业委员会, 1987.
[2]William Stallings.数据与计算机通信[M].北京:电子工业出版社,2004.
[3]RS-422 and RS-485 Application Note[Z].B&B Electronics Mfg.Co.Inc.,1997.
[4]吴继华,王诚.Altera FPGA/CPLD设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.
中图分类号:TN91文献标识码:A
0 引言
1553B总线协议是当今较流行的军用航空总线标准,在一些新型战机上,越来越多的采用了1553B总线。但是很多传统的机载设备只支持RS422通信接口,而没有提供1553B通信接口,要使这些传统的机载设备能在新型战机上正常的工作,就必须要进行1553B/RS422通信协议的转换,本设计就是在这样的应用背景下提出的。
1 系统构成及原理实现
1553B/RS422协议转换模块是以一个小型载板形式安装在机载设备内部的,对整个模块的体积、功耗等各项指标有严格的要求。模块主要由RS422接口、协议转换、1553B接口、逻辑控制单元构成,如下图所示:
图1
1.1 RS422接口
RS422接口负责与机载设备的RS422接口进行数据收、发通信。RS422是一种被广泛应用的接口标准,采用差分传输方式,也称为“平衡传输”,标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。 RS422是全双工通信,通信的双方均含有一个发送驱动器和接收驱动器。其中接收驱动器的两个平衡线连接端点定义为A和B,发送驱动器的两个平衡线连接端点定义为Y和Z,一般使用平衡双绞线将一端的Y和A、Z和B连接起来。通常情况下,发送驱动器端Y、Z之间的正电平在+2 ~ +6V,代表正逻辑,负电平在-6 ~ -2V,代表负逻辑。在接收端,当A、B之间有大于+200mV 的电平时,输出正逻辑电平,小于-200mV 时,输出负逻辑电平。RS422最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mb/s。根据要求,本方案中的RS422接口设计的最高通信速率为1Mbps,波特率、校验方式、数据位、停止位等通信参数都是软件可设置的。设计中采用了MAX3490EESA芯片作为信号收发芯片。MAX3490E的最大传输速率为12Mbps,片内有一路收一路发,采用SO8封装,体积小巧,且功耗较低。考虑到实际应用环境,选用了的MAX3490EESA是MAX3490E系列中的一款工业级芯片,其工作温度范围为-40€癈 到 +85€癈。系统中共采用两片MAX3490EESA,构成两路全双工RS422通信接口,一路作为正常通信用,一路作为冗余备份,当正常通信的一路出现故障时,将启用备份通道,以恢复正常通信。系统中的RS422通信接口电路如图所示。
图2
1.2 1553B接口
1553B接口部分负责标准1553B总线数据的编解码。MIL-STD-1553B是最早由美国提出的一套军用航空总线标准。1553B总线是一种时分制命令/响应式多路复用数据总线。总线系统中有三种终端类型:总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM),终端通过直接耦合或者变压器耦合方式挂接到总线上;其传输信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式(模式码)。总线上的信号采用曼彻斯特编码,传输速度为1Mbps,半双工方式。通过专用屏蔽双绞线差分传输。1553B总线是一种高实时性,高可靠性的总线,在现代新型战机中得到了广泛应用。
1553B总线协议较复杂,设计中采用了ENPHT公司的1553B专用接口芯片EP-H31580。EP-H31580是一款由国内测控厂商ENPHT开发的具有完全自主知识产权的1553B协议芯片。符合MIL-STD-1553B Notice2,GJB-289A-97规范。EP-H31580提供一路双冗余MIL-STD-1553B通信接口 ,可配置为BCRTBM模式。该芯片具有灵活的处理器接口,可与多种CPU、MPU或CPLD相连,支持8、16位数据总线,内部4K x 16Bit存储器,最大外扩64K x 16Bit 存储器,Dip70封装,单电源3.3V供电。本系统采用EP-H31580挂接FPGA的方式,将EP-H31580配置为RT模式,实现机载设备到外部总线的1553B通信接口,如下图所示:
图3
1.3 逻辑控制单元
逻辑控制单元,设计中采用了Altera的一款FPGA,EP1C6Q240。用VHDL开发了内部逻辑代码。内部逻辑主要包括RS422接口控制及编解码、1553B接口控制时序、DSP接口等。当模块收到来自机载设备的RS422信号后,FPGA完成信号解码,得到的数据被存放在缓冲区中,与此同时FPGA向DSP发起中断,通知DSP读取、处理数据,处理完的数据再由FPGA控制板载1553B接口芯片EP-H31580将数据发向机载1553B系统总线。相反的,当模块收到来自机载1553B系统总线发向机载设备的下行数据时,FPGA也将1553B数据缓存到FIFO中,DSP获取数据后完成信息提取,数据转换,再由FPGA编码驱动RS422接口电路MAX3490E将数据以RS422格式发向机载设备。
1.4 协议转换
协议转换主要完成1553B总线数据和RS422数据之间的转换。本方案中将协议转换全部放在DSP中,作为一个独立的模块单元进行设计,协议的转换已经不是单纯的电气特性转换,而是包含了电气特性转换和接口协议翻译的综合协议转换,这样的划分减轻了下行终端的负担,也具有很好的通用移植性。为了适应新的应用要求,配上协议转换载板后,原有的成熟机载设备不需要再重新设计。而对于不同的机载设备来说,协议转换载板只需要按照设备的ICD,修改一下DSP内的协议转换代码。这就大大节约了技改升级成本和时间周期。
设计中采用TI公司的DSP,TMS320C6713实现通信协议之间的透明转换。所有的转换都按设备通信接口控制文件(ICD)规定进行,当收到RS422或1553数据时即进行相应的协议分析,信息提取,数据重组发送,具体过程如下:
图4
1.5 系统的启动与初始化
本系统是一个脱离一般操作系统支持而独立工作的模块,所有的初始化过程(包括RS422接口的参数配置、1553B接口的参数配置等)和功能性代码都在DSP程序里编写,且DSP程序具有自启动功能。DSP采用了FLASH BOOT模式,编译好的代码存放在板载FLASH中,当上电以后,DSP将从FLASH中自动下载程序执行,从而进入正常工作模式。
2 结论
本設计充分考虑了实际应用要求,实验证明该系统可以完成某机载设备RS422到1553B总线接口数据之间的透明转换传输。设计采用DSP实现协议转换,便于升级维护,也具有一定的可移植性。
参考文献
[1]GJB289—87.飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线[S].国防科学技术工业委员会, 1987.
[2]William Stallings.数据与计算机通信[M].北京:电子工业出版社,2004.
[3]RS-422 and RS-485 Application Note[Z].B&B Electronics Mfg.Co.Inc.,1997.
[4]吴继华,王诚.Altera FPGA/CPLD设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.