基于FPGA的1553B總線接口板設計

　　目前國內(nèi)對1553B總線接口板的設計一般基于DDC公司BU-61580協(xié)議芯片完成，但只能完成協(xié)議處理部分，應用時還需外圍的存貯器和微處理器等輔助芯片。故采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)整個接口板核心的設計。

　　1 系統(tǒng)總體架構

　　1553B總線信號進入接口板后，首先通過隔離變壓器進行電平轉化，使之匹配后面收發(fā)器的工作電壓。收發(fā)器再把電平轉化后1553B差分信號轉化為可識別的TTL電平。但此時的信號仍然是曼徹斯特Ⅱ型碼，故需經(jīng)解碼和串并轉換，同時完成數(shù)據(jù)字的同步、數(shù)據(jù)、曼徹斯特碼錯誤的檢出、奇偶檢測和位/ 字計數(shù)等，處理后的數(shù)據(jù)串并轉換后存入內(nèi)存再對其進行相關的協(xié)議處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，將終端接收的數(shù)據(jù)暫存于內(nèi)存中，等待發(fā)送命令。一旦收到發(fā)送命令，即發(fā)送數(shù)據(jù)并通過并串轉換后進行曼徹斯特編碼且調制解調后發(fā)送到1553B的雙余度總線上。

　　2 系統(tǒng)硬件構成及其實現(xiàn)

　　信號調制解調用隔離變壓器和收發(fā)器，分別采用的是HOLT公司PM-DB2725EX和HI-1570芯片。而從曼徹斯特編解碼后的部分都可在一片FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)，選定Altera公司CyclONe系列的EP1C12作為主芯片。其中FPGA與總線間接口部分的電路如圖2。

　　FPGA與總線間接口部分的電路

　　3 FPGA內(nèi)部的模塊構成及實現(xiàn)

　　FPGA片內(nèi)的實現(xiàn)，通過Verilog程序和調用QuartusII軟件內(nèi)部宏模塊完成，可分為雙冗余曼徹斯特II編解碼及串并轉換、總線傳輸邏輯、終端協(xié)議和消息處理、內(nèi)存及控制器和子系統(tǒng)等模塊。

　　3.1 雙冗余曼徹斯特II編解碼及串并轉換模塊

　　該模塊實現(xiàn)曼徹斯特碼的編解碼，串并轉換后同總線傳輸邏輯模塊進行通信。原始數(shù)據(jù)采樣采用16M時鐘頻率。

　　3.2 總線傳輸邏輯模塊

　　該模塊對上一模塊的16位并行數(shù)據(jù)按1553B協(xié)議定義進行分解、存儲，并給協(xié)議模塊響應信號及對其命令執(zhí)行，發(fā)出相應狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字。

　　3.3 內(nèi)存及控制器模塊

　　用作系統(tǒng)寄存器和與下級子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)存貯區(qū)，以響應其它各模塊可能存在的寄存器和數(shù)據(jù)訪問，該模塊由以下3個子模塊組成：

　　DPSRAM模塊：為Quartus軟件宏模塊altsyncram的實例化調用，在物理上為FPGA芯片片內(nèi)SRAM的調用。實例化調用后為雙端口可同時讀寫的同步SRAM內(nèi)存，以滿足總線傳輸邏輯，協(xié)議處理模塊，初始化自檢模塊之一和子系統(tǒng)模塊可能同時存在的訪問請求。

　　RAM_Control模塊：為上一模塊DPSRAM的內(nèi)存控制器，根據(jù)上游（user_interface模塊）信號產(chǎn)生符合DPSRAM時序的讀寫使能，地址，數(shù)據(jù)和讀寫確認信號。

　　user_interface模塊：解決多端口輸入不能直接線與和定向輸出從DPSRAM讀取的數(shù)據(jù)的問題。

　　3.4 終端協(xié)議和消息處理模塊

　　該模塊解析接收到的命令并通知總線傳輸模塊做出相應的響應。可分為以下4個子模塊：①read模塊完成指令字的讀取；②protocol模塊完成指令字分析和協(xié)議的處理；③write模塊根據(jù)protocol模塊解析命令后發(fā)過來的指令完成對應狀態(tài)字的修改；④choose模塊將對read和 write兩個模塊發(fā)給ram的命令和地址進行選通。

　　3.5 子系統(tǒng)模塊

　　子系統(tǒng)含收發(fā)、終端地址產(chǎn)生和校驗等模塊。①收發(fā)模塊：完成存貯器16位的并行數(shù)據(jù)和2400bit串行數(shù)據(jù)的轉換；②終端地址產(chǎn)生和校驗模塊：終端地址由子系統(tǒng)的撥碼開關設定，即讀取撥碼開關的電平值并產(chǎn)生相應的地址奇校驗位后存貯到內(nèi)存的終端地址寄存器中，并初始化狀態(tài)字。編寫以上各模塊代碼時，狀態(tài)機跳轉的條件原來是檢測電平值，但在仿真過程中發(fā)現(xiàn)有時檢測不到或多次檢測到從而導致狀態(tài)機誤操作，改用如下跳變沿檢測后問題得到解決，對應代碼為：

　　對應代碼

　　其原理為：將需檢測的信號不斷地通過2個D觸發(fā)器連續(xù)鎖存2次，當檢測到2次鎖存的值符合跳變沿條件時才執(zhí)行動作如圖3。采用該檢測方式后程序仿真不出現(xiàn)類似不穩(wěn)定問題，但同時也造成1個時鐘周期的額外延時。

　　3.6 仿真及FPGA實現(xiàn)

　　以上各功能模塊采用Verilog編寫，內(nèi)存則調用QuartusII宏模塊。整個程序的功能仿真，綜合布線和最后的時序仿真均用ALTERA公司的QuartusII完成。各模塊綜合后在QuartusII中編譯后生成symbol。

　　為某型號調諧濾波器與1553總線通信的消息仿真波形。其中：RT地址設定為00101，即圖4中撥碼開關pat4～pat0的電平值，子地址為00001。復位后第1條消息為RT不發(fā)送數(shù)據(jù)請求時發(fā)送矢量字模式命令及其響應，狀態(tài)字所帶的數(shù)據(jù)字為H0000，該命令循環(huán)發(fā)送至 RT直到有請求第3條消息的情況；第2條消息為RT接收1個數(shù)據(jù)字命令及其響應；第3條是當RT有發(fā)送數(shù)據(jù)請求時的發(fā)送矢量字及其響應，狀態(tài)字所帶的數(shù)據(jù)字為H0001；第4條是RT發(fā)送兩個數(shù)據(jù)字命令及其響應；第5條是帶數(shù)據(jù)字的同步模式命令及其響應。

　　由仿真波形可見，該系統(tǒng)基本滿足該濾波器的應用，為進一步驗證其實際應用和其他協(xié)議，將其下載至FPGA中進行測試。FPGA內(nèi)部是基于 SRAM結構的，因此需要1片配置芯片固化其內(nèi)部結構，故采用JTAG模式和主動串行模式（AS）2種配置模式。調試時使用JTAG模式直接將邏輯寫入 FPGA內(nèi)部，調試好后再用AS模式將程序寫入配置芯片EPCS4中，經(jīng)測試通過。

　　4 結語

　　基于FPGA技術的總線接口板設計，已通過某軍用飛機的測試，實現(xiàn)1553總線和子系統(tǒng)的通訊。將FPGA技術應用于1553B總線接口，設計成本降低，設計周期縮短，系統(tǒng)的集成度提高，擴展能力增強，具有重要的現(xiàn)實意義和應用前景。