1553B总线接口技术研究及FPGA实现 - 图文

西北工业大学硕士学位论文

1553B总线接口技术研究及FPGA实现

姓名：徐丽清申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动

指导教师：姬劳20060301

婀北叫ｋ人学硕一Ｉ一＃位论文摘蛭摘要ＭＩＬＳｌＤ．１５５３Ｂ是一种集中控制式、龟机内部时分指令／响应型多路串仃数据总线标准，具有高可靠性和灵活性，已经成为现代航空机载系统设备互联的关键，广泛的应用于飞机、舰船、坦克等武器平台｝：，并逐渐应瑁到民用的领域巾。而１５５３Ｂ总线系统的关键核心部分是总线接口芯片。本论文在详细研究ＭＩＬ－ＳＴＤ．１５５３Ｂ数据总线协议以及参考国外芯片设计的基础上，结合目前新兴的ＥＤＡ技术和大规模可编程技术，提出了一种全新的基Ｉ‘ＦＰＧＡ的１５５３Ｂ总线接口ｊ占片的设计方法。从专用芯片实现的其体功能出发，结合自顶向下的设计思想，给出了总线接口的总体设计方案，考虑到电路的具体实现对结构进行模块细化。在介绍模拟收发器模块的电路设计后，重点介绍了基于ＦＰＧＡ的ＢＣ、ＲＴ、ＭＴｉ种类型终端设计，最终遥过：【作方式选择信号以及其他控制信号将此兰种终端结合起柬以达到通用接口的功能。同时给出其设计逻辑框图、算法漉程图、引脚说明以及部分模块的仿真结果。为了资源的合理利用，对其中相当部分模块进行复用。在设计过程中采用自顶向下、码型转换中的全数字锁相环、通用异步收发器ＵＡＲＴ等关键技术。本设计使用ＶＨＤＬ：摧ｉ述，在此基础之上采用专门的综合软件对设计进｛ｊ：了综合优化，最后在ＦＰＧＡ芯片ＥＰｌＫｌ００上得以实现。通过验证证明该设计能够完成ＢＣ／ＲＴ／ＭＴ三种模式的工作，能处理多种消息格式的传输，并具有较强的检错能力。最后设计了总线接口芯片测试系统，选择ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作为手处理器，测试主要包括主处理器的自发自收验证，加入ＲＳ２３２串口调试过程提商测试数荆的矗观性。验证的结果表明本文提出的设计方案是合理的。关键字：ＭＩＬ－ＳＴＤ．１５５３Ｂ数据总线总线接［１，硬件捕述语言’ＶＨＤＬ．现场可编程门阵列ＦＰＧＡ，通』＋ｊ异步收发器ＵＡＲＴ州北Ｉ．、【ｋｋ学颐＋学位论文Ａｂｓｌｒａｔ［ＡｂｓｔｒａｃｔＭＩＬ－ＳＴＤ一１５５３Ｂ，ｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｍｉｌｉｔａｒｙｄａｔａｂｕｓｓｔａｎｄａｒｄ，ｉｓａｎａｉｒｃｒａｆｔｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｅｔｉｍｅｄｉｖｉｓｉｏｎｃｏｍｍａｎｄ／ｒｅｓｐｏｎｓｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｓｅｒｉａｌｄａｔａａｖｉｏｎｉｃｂｕｓｓｔａｎｄａｒｄ．Ｗｉｔｈｈｉ曲ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｇｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂｕｓｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅ１５５３Ｂｂｕｓｓｙｓｔｅｍｉｓｔｏｄｅｓｉｇｎ１５５３Ｂｄａｔａａｉｒｐｌａｎｅ，ｗａｒｓｈｉｐａｎｄｔａｎｋ．Ｔｈｅｂｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐ．ＡｆｔｅｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅＭＩＬ－ＳＴＤ一１５５３Ｂｐｒｏｔｏｃｏｌａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｆｏｒｅｉｇｎｃｈｉｐｐｒｏｄｕｃｔ．ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｌｙｒｉｓｉｎｇＥＤＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｔｒａｉｔｏｆｌａｒｇｅｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｄｅｖｉｃｅ．ＴｈｅｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｐｒｏｊｅｃｔｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂａｓｅｄＦＰＧＡ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｙｔｈｅＴｏｐ—Ｄｏｗｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｔｏｔａｌｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅ１５５３Ｂｂｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｎｗｉｔｈｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｏｆｃｕｒｃｕｉｔｄｉｖｉｄｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆａｎａｌｏｇｒｅｃｅｉｖｅ＆ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｐｒｉｍａｒｙｓｕｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａＢＣ／ＲＴ／ＭＴｔｅｒｍｉｎａｌ，ｔｈｅｎｍａｋｅａｌｓｏｔｈｅｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｙｔｅｓｔｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｓｉｇｎａｌ，ａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔａｓｍｏｄｕｌｅｓ．Ｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｄｅｓｉｇｎ，ｃｒｉｔｉｃａｌａｐｐｌｉｅｄ，ｓｕｃｈｔｈｅＴｏｐ—Ｄｏｗｎｉｎｓｅｒｉａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；Ｄ酒ｔａｌｐｈａｓｅ—ｌｏｃｋｅｄｄｅｓｉｇｎｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｌｏｏｐｉｎｃｏｄｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ＵＡＲＴｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｉｎＦＰＧＡ．ｄｅｓｉｇｎｂｙＶＨＤＩ。ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｂｙｓｙｎｐｌｉｆｙａｎｄｒｅａｌｉｚｅｉｔＴｈｅｃａｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｔｅｒｍｉｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄｉｔｐｒｏｃｅｓｓａｖａｒｉｅｔｙｏｆｍｅｓｓａｇｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｍｕｌｔｉｐｌｅｆｏｒｍａｔｓ，ａｎｄｈａｖｅｇｒｅａｔｅｒｆ０１．ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｄｅｔｅｃｔＡｔａｓｌａｓｔ，ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｏｆｂｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐ，ａｎｄｓｅｌｅｃｔｔｈｅＴｍｓ３２０１ｆ２４０７ｓｅｌｆ－ｒｅｃｅｉｖｅｒ＆ｓｅｌｆ－ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｏｆｔｈｅＣＰＵ，ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙＣＰＵ．ＴｈｅｔｅｓｔｃｏｎｔａｉｎｔｈｅａｎｄｔｈｅＲＳ２３２ｓｅｒｉａｌｄｅｂｕｇｔｏｈｅｎｃｅｔｈｅｉｎｔｕｉｔｉｏｎｏｆｔｅｓｔｄａｔａ，Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｖａｌｉｄａｔｅｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｆｉｇｈｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＩＬ－ＳＴＤ一１５５３Ｂｄａｔａｂｕｓ，ＢＵＳｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＶＨＤＬ（Ｖｅｒｙ－ｈｉｇｈ－ｐｅｅｄ一１ＣＵＡＲＴ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＧａｔｅＡｒｒａｙ），ＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎＬａｎｇｕａｇｅ）Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｃｅｉｖｅｒ＆ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）ＩＩ两北ｒ业人学顷一｝？学位论文第章蟛沧第一章ＭＩＬ—ＳＴＤ＿１绪论１．１５５３Ｂ总线技术的发展及现状随着时代的发展，对于增加飞机推力、改善气动性能等技术的成熟，航空系统设计任务的熏点，逐渐集中在飞机内部的电子设计上。与此同时，信息工程、计算机技术、控制技术、电子技术都有了长足的进步。航空电子综合化技术就是在这样的背景下产生的。该技术的核心问题是实现信息采集、处理、分配、存储的一个系统。ＭＩＬ－ＳＴＤ．１５５３Ｂ多路总线是综合化航空电子系统设备闯的数据交换纽带，它将所有的综合化航空电子子系统连接在一起，共同构成具有特殊性的分布式计算机网络，从而实现综合系统内部的信息共享和系统综台化控制ｉ“。１．１．１１５５３Ｂ数据总线的发展１９６９年出现了数据总线概念，Ｂ．１Ａ采用双绞数字信号线，传输率为１Ｍｂｐｓ，最大消息长度５１２字。从此数据总线作为现代航空电子系统的骨架进入发展黄会时代。１９７３年，美国制定了第一个军用数据总线标准ＭＩＬ－ＳＴＤ－１５５３时分制指令／响应式多路传输数据总线，极大地推动了数据总线在航空电子系统、舰载作战系统的应用。１５５３数据总线的传输速率为１Ｍｂｐｓ，采用冗余的总线型拓扑结构．具有非常好的时钟同步和高可靠数据传输能力。７０年代末和８０年代，美国军方义提出ＭＩＬ－ＳＴＤ．１５５３Ｂ数据总线标准并多次进行改进。自此，国内有关科研机构就开始１５５３数据总线技术研究，八十年代初，１５５３Ｂ数据总线用于某型飞机作为飞控系统数据总线。此后，１５５３Ｂ数据总线被广泛应用Ｎ－?些新研制和改装的飞机上，已经成为我国现役空中力量最主要的先进航空电子系统数据总线。并且，在舰载和车载领域，为提高我军坦克和军舰等武器的技术水平发挥了重要作用并逐渐应用到民用领域。１．１．２１５５３Ｂ数据总线技术的现状近年来，由于科学技术的不断发展，使得航空电子综合化系统也不断发展、提高。ＭＩＬ－ＳＴＤ．１５５３Ｂ总线接口板是实现航空电子综合化系统的关键黼什，置要完成总线的信息综合，资源共亨，任务狲调和容错重构。作为其中核心部分的总线接口电路成为了总线应用的｝：要制约因素，所以对于ＭＩＬ－ＳＴＤ，１５５３Ｂ总线接口板的设计就垃得尤为重要，如果接｝Ｉ设计不好，将成为制约航空ｆ乜了综合化蹦北Ｉ．业人＋二颈｝ｊ学位论文第一章绪论性能的瓶颈。设计性能良好的总线接口在航空电Ｆ综合化快速发展的今火变得十分必要且意义深远。早期ＭＩＬ－ＳＴＤ－１５５３Ｂ总线接【ｌ板都是以ＳＭＣ公司的ＣＯＭｔ５５３Ｂ，ｕＴ公司的ＵＴｌ５５３Ｂ协议芯片为主，进行接口板的设汁。这样设汁的接口板要加许多硬件电路，故集成化的程度还不是太高，电路复杂、［：作效率低、呵靠性差、功能少，不易实现小型化给系统带来许多的不便。支持该标准的协议芯片有～系列：ＢＵ．６５１７０／ＢＵ，６１５８０，ＢＵ一６５１７１／ＢＵ．６１５８１，ＢＵ一６１５８５／６，ＢＵ．６１５９０和ＢＵ．６５６２０等，它们在硬件特性上育～些区别。９０年代初，ＤＤＣ公司推出了新型高级协议处理芯片ＢＵ．６１５８０协议芯片，用于设计ＭＩＬ－ＳＴＤ－１５５３Ｂ总线接口板，该总线接口板不仅完全满足ＭＩＬ—ＳＴＤ．１５５３Ｂ标准，而且可以作为ＢＣ，ＲＴ，ＭＴ实现完成航空电子综合化系统的功能，使用方便灵活、町靠性商，可与计算机接口适用于各种个人计算机和兼容机１１３Ｉ。１．２数字集成电路技术的发展２０世纪末２１世纪初，电子工业经历了巨大的飞跃，数字集成电路技术ｌｃ发展迅速，在促进了计算机和信息技术产业的进化同时已经成为现代赣兴工业的主流，由早期的电子管、晶体管、发展到超大规模集成电路（ＶＬＳＩＣ，几力－门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）的出现使得现代电子系统的设计方法发生了很大的变化。它是一种离密度的可编程逻辑器件，其有速度快、可靠性高、开发周期短等优点，并可根据用户需要进行现场反复编程，使用方便。随着现代：【艺的发展，ＦＰＧＡ芯片的成本、体积和功耗都大幅度降低，而集成度和工作频率得到提高，目前器件的集成度达到了５００，｝丁门，工作频率也可达２００ＭＨＺ以上。随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全出半导体ｆ‘商来独立承担。系统设计工程师们更愿意自己设计专用集成电路（ＡＳｌＣ）芯片．而且希望ＡＳＩＣ的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ＡＳＩＣ芯片，并且立即投入实际应用之中。大规模可编程逻辑器件和硬件描述语南等电子设计自动化（ＥＤＡ）技术的发展满足了电子技术应用的这种需求。其中硬件描述语舀－（ＨＤＬ，ＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＂ｌａｎｇｕａｇｅ）采用形式化的方法，可以邕观准确地描述数字电路，应用于模拟试验、设计综合等设计过程中。综ｌ，可以毫不夸张地说，以ＦＰＧＡ技术为基础的ＥＤＡ设计已成为！§代电子、通信和信息处理技术不可或缺的重要手段”“。

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