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      基于DSP的1553B 總線接口電路設(shè)計(jì)

      2014-01-21 00:52:32陶忠祥趙飛翔
      電子設(shè)計(jì)工程 2014年20期
      關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)總線寄存器中斷

      安 超,陶忠祥,趙飛翔

      (空軍航空大學(xué) 作戰(zhàn)指揮系,吉林 長(zhǎng)春 130022)

      機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)采集技術(shù)需要滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以及方便下載的需求,以便于地面人員對(duì)獲取信息的處理。這樣可以更好的動(dòng)態(tài)掌握飛機(jī)的作戰(zhàn)狀態(tài),提高飛行訓(xùn)練效果和作戰(zhàn)能力。1553B數(shù)據(jù)總線作為航空電子綜合系統(tǒng)中信息交流的主干道,使機(jī)載數(shù)據(jù)能在復(fù)雜的環(huán)境中得以保存、交換。DSP作為高速性能的數(shù)據(jù)處理芯片,可以實(shí)現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)采集。FPGA作為高速、復(fù)雜的組合邏輯和時(shí)序邏輯控制器件,更適合外圍電路的連接,將兩者組合使用,滿足了數(shù)據(jù)的高速傳輸與存儲(chǔ)。同時(shí),隨著1553B數(shù)據(jù)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的頒布,許多電器件公司開發(fā)了能將1553B數(shù)據(jù)總線與CPU相連接的相應(yīng)接口芯片。這樣,使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中更加穩(wěn)定、高速、可靠。本文旨在探討采用DSP與相應(yīng)接口芯片BU-61864,設(shè)計(jì)相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的采集。

      1 1553B數(shù)據(jù)總線

      MIL_STD_1553B是軍工定義的數(shù)字時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線[1],采用曼徹斯特Ⅱ編碼,半雙工工作方式,數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?Mbps,能掛接31個(gè)遠(yuǎn)置終端,支持3種終端類型。該標(biāo)準(zhǔn)作為美國國防部武器系統(tǒng)集成和標(biāo)準(zhǔn)化管理的基礎(chǔ)之一,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng),并逐步擴(kuò)展到飛行控制等系統(tǒng)及坦克、艦船、航天等領(lǐng)域。我國參照MIL_STD_1553B標(biāo)準(zhǔn),于1987年頒布了相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn),即GJB-289A。

      MIL_STD_1553B定義了連接在總線上的3種類型終端,即總線控制器(BC)、遠(yuǎn)程終端(RT)和總線監(jiān)視器(BM)。

      1)總線控制器(Bus Controller簡(jiǎn)稱BC):總線控制器的功能就是控制總線上的數(shù)據(jù)流收發(fā),數(shù)據(jù)總線上有很多BC,但是每次只能一個(gè)BC工作。而且一些RT也能擔(dān)任BC的工作。BC發(fā)送命令給RT,接收并確認(rèn)命令之后,RT給出響應(yīng)。

      2)遠(yuǎn)程終端(Remote Terminal簡(jiǎn)稱 RT):RT是一個(gè)采用1553B數(shù)據(jù)總線連接各式各樣子系統(tǒng)的設(shè)備,RT接收BC傳送的命令、檢測(cè)錯(cuò)誤并且反饋錯(cuò)誤,即要對(duì)BC作出響應(yīng)。RT特征如下:

      ①一條數(shù)據(jù)總線可以連接多達(dá)31個(gè)RT。

      ②每一個(gè)RT可以有多達(dá)31個(gè)子RT。

      ③RT只有當(dāng)接收并確認(rèn)BC的命令之后,才會(huì)作出響應(yīng),屬于被動(dòng)式。

      3)總線監(jiān)控(Bus Monitor簡(jiǎn)稱 BM):BM監(jiān)聽總線上的所有數(shù)據(jù)傳輸并且記錄指定的消息。他們的連接如圖1所示。

      圖1 典型的總線結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical bus structure

      1553總線上的數(shù)據(jù)是以串行數(shù)字脈沖編碼調(diào)制的格式進(jìn)行傳輸,采用的是曼徹斯特Ⅱ雙相電平碼作為數(shù)據(jù)的編碼格式。邏輯1電平由1/0編碼組成(即一個(gè)正脈沖后面緊跟著一個(gè)負(fù)脈沖),邏輯0由0/1編碼組成(即一個(gè)負(fù)脈沖后面緊跟著一個(gè)正脈沖)。

      1553B總線上的信息是以字的形式傳輸?shù)?。包括一個(gè)3位的同步位、16位信息位以及一位奇偶校驗(yàn)位。總線上的字共有3種類型:命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字。他們的具體格式如圖2所示。

      圖2 字格式Fig.2 Word format

      2 硬件選擇

      2.1 TMS320C6713芯片介紹

      DSP芯片選用TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713[2],該芯片為TMS320C6000系列DSP平臺(tái)上產(chǎn)生的新的浮點(diǎn)型芯片。其有225 MHz的高速運(yùn)行速度,提供13.5億次/秒浮點(diǎn)運(yùn)算,18億/秒的指令操作。而且,C6713使用2級(jí)緩存的架構(gòu)以及強(qiáng)大多樣化的外設(shè)集:1級(jí)程序緩存是一個(gè)4 kB的直接映射高速緩存,1級(jí)數(shù)據(jù)高速緩存是一個(gè)4 kB的2路組相聯(lián)高速緩存。2級(jí)內(nèi)存和緩存有一個(gè)256 kB的存儲(chǔ)空間,在程序和數(shù)據(jù)之間共享。這個(gè)256 kB存儲(chǔ)器中64 kB可以配置為寄存器、高速緩存或者兩個(gè)的組合,192 kB作為對(duì)應(yīng)的SRAM??梢姡珻6713應(yīng)用非常靈活。外設(shè)集包括2個(gè)多通道緩沖串行端口(McBSPs),2個(gè)內(nèi)部集成電路(I2C)總線,一個(gè)專用通用輸出/輸出(GPIO)模塊。 2 個(gè)通用定時(shí)器,主機(jī)接口(HPI),以及1個(gè)能夠與SDRAM、SBSRAM、異步外設(shè)無縫連接的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF),增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問(EDMA)控制器(16個(gè)獨(dú)立通道)。

      C6713有著非常好的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力。因此,更適合用于對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)量有較高要求的場(chǎng)合。

      2.2 BU-61864芯片介紹

      由于本文選用的DSP芯片C6713的I/O電平為3.3 V,為簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì),選用DDC公司的全3.3 V的1553B協(xié)議芯片BU-61864[3],這樣無需電平轉(zhuǎn)換,大大提高設(shè)計(jì)效率和減少相關(guān)工作器件。BU-61864芯片內(nèi)部集成了雙收發(fā)器、編/解碼器、協(xié)議邏輯、內(nèi)存管理和中斷控制邏輯,支持BC/RT/MT模式,還提供了一個(gè)4kB的內(nèi)部共享靜態(tài)RAM和與處理器總線之間的緩沖接口,并且有可擴(kuò)展的4K*17bitRAM,兩個(gè)1553B收發(fā)器芯片。

      BU-61864有靈活的接收/存儲(chǔ)器接口,能完全實(shí)現(xiàn)1553B協(xié)議所規(guī)定的消息傳輸外,還具有較強(qiáng)的消息管理能力,能全面兼容1553B協(xié)議。其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

      圖3 BU-61864功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of BU-61864

      3 硬件接口電路設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)由DSP主導(dǎo),1553B協(xié)議部分由BU-61864協(xié)議芯片完成,外接邏輯電路由FPGA器件完成。其中DSP控制BU-61864的初始化以及消息的讀取和處理。FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的控制和譯碼。而在DSP對(duì)BU-61864相關(guān)寄存器的控制和配置后,它可以工作在BC、RT或BM等模式下。在本次操作中,因?yàn)橹恍枰涗泚碜詸C(jī)載火控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),因此只工作在總線監(jiān)視器模式下即可[4]。

      當(dāng)BU-61864接收到一個(gè)消息后,產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào),該中斷信號(hào)就會(huì)向C6713發(fā)送一次中斷申請(qǐng),C6713響應(yīng)中斷,并向相關(guān)寄存器做出配置。在BU-61864和C6713之間的控制邏輯電路由可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)[5]??刂七壿嬰娐钒ǖ刂纷g碼電路和邏輯控制電路。其中地址譯碼電路功能是對(duì)接口芯片所使用的C6713存儲(chǔ)器和BU-61864存儲(chǔ)器進(jìn)行地址選擇和譯碼;而邏輯控制電路功能是產(chǎn)生BU-61864所需要的控制信號(hào)以及提供給C6713中斷信號(hào)、握手信號(hào)、插入等待信號(hào)。所有的數(shù)據(jù)總線和地址總線,以及控制信號(hào)、中斷信號(hào)都是由C6713和BU-61864提供給控制邏輯電路。它們的具體電路連接如圖4所示。

      4 軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

      接口的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用C語言與匯編語言混合編程方式,這樣有著較好的升級(jí)性和高效性[6]。軟件程序目的就是通過上位機(jī)的命令來控制接口卡完成系統(tǒng)啟動(dòng)、自檢、自檢返回、系統(tǒng)停止等工作。在系統(tǒng)啟動(dòng)后,完成對(duì)機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的讀取和采集。軟件驅(qū)動(dòng)的主要功能是要完成C6713和BU-61864的初始化和中斷服務(wù)程序,控制RAM空間的自檢、與上位機(jī)的通信、中斷響應(yīng)、總線數(shù)據(jù)的讀取發(fā)送。驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

      圖4 硬件接口電路框圖Fig.4 The block diagram of the hardware interface circuit

      圖5 驅(qū)動(dòng)程序Fig.5 Driver program

      4.1 芯片的初始化

      本文最終將用于機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的采集工作,1553B總線接口卡主要是工作在MT模式下,記錄來自機(jī)載火控系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù),為后期的數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析做好準(zhǔn)備。

      1)對(duì)BU-61864的初始化

      在MT模式下,要完成對(duì)BU-61864的初始化設(shè)置包括初始化相應(yīng)寄存器,設(shè)置中斷屏蔽,使其能正確實(shí)現(xiàn)MT功能[7]。對(duì)BU-61864的初始化有非常嚴(yán)格的順序,順序不對(duì)可能引起芯片初始化失敗,有關(guān)寄存器的配置順序如下:

      ①首先進(jìn)行軟件復(fù)位,即將開始/復(fù)位寄存器設(shè)置為0X0001,使BU-61864進(jìn)入復(fù)位。

      ②配置寄存器3,使其為0X8000,進(jìn)入增強(qiáng)模式。

      ③中斷屏蔽寄存器設(shè)置成0X0001,使能消息完成中斷。

      ④初始化地址查找表、非法指令表、子地址寄存器等。

      ⑤配置寄存器1設(shè)置為0X5000,BU-61864進(jìn)入消息監(jiān)測(cè)模式。

      ⑥配置寄存器2設(shè)置成0X0008,使中斷方式為低電平中斷。

      ⑦將開始/復(fù)位寄存器配置成0X0002,來啟動(dòng)BU-61864的MT模式。

      BU-61864初始化流程圖如圖6所示。

      2)對(duì)C6713的初始化

      對(duì)C6713的初始化也是設(shè)置相關(guān)寄存器,但是它的主要是有關(guān)寄存器的中斷和串口設(shè)置。包括:中斷屏蔽寄存器(IMR)、中斷使能寄存器(IER)、中斷標(biāo)志寄存器(IFR)、中斷控制寄存器(ICR),波特率設(shè)置寄存器(SCIBAUD)等。同時(shí),C6713還要根據(jù)選擇來決定通過C語言程序還是EMDA搬移數(shù)據(jù),據(jù)此初始化相應(yīng)寄存器。若用C語言編寫,需要使能EINT4中斷。若用EMDA,可以不需要CPU參與,減輕工作壓力,那么初始化內(nèi)容有:使能全局中斷、使能EMDA完成中斷、對(duì)讀通道事件寄存器清零、對(duì)讀寫通道的CIPR清零、使能讀寫通道的通道中斷使能寄存器。

      圖6 BU-61864初始化流程圖Fig.6 The flow chart of BU-61864 initialization

      4.2 自檢任務(wù)描述

      自檢模塊的主要任務(wù)就是完成對(duì)BU-61864的4kbRAM空間的檢查,檢測(cè)RAM空間是否出現(xiàn)錯(cuò)誤[8]。具體的操作方法可以向RAM內(nèi)存空間寫人連續(xù)的數(shù)據(jù),然后讀出來,與原數(shù)據(jù)進(jìn)行比較看是否相等,如果是不相等的,那么表示有錯(cuò)。最后將記錄下的所有的錯(cuò)誤數(shù)通過串行口發(fā)送給上位機(jī)。

      4.3 查詢?nèi)蝿?wù)描述

      在數(shù)據(jù)查詢模塊中,通過查詢“讀總線數(shù)據(jù)標(biāo)志位”來進(jìn)行1553B總線數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)和上位機(jī)命令的讀取。若“讀總線數(shù)據(jù)標(biāo)志位”的查詢結(jié)果有效,C6713就從BU-61864命令堆棧相應(yīng)的地址處對(duì)4個(gè)地址單元的內(nèi)容進(jìn)行依次讀取。4個(gè)地址單元的內(nèi)容分別為數(shù)據(jù)塊狀態(tài)字、時(shí)間標(biāo)志字、數(shù)據(jù)塊指針和接收到的命令字。然后根據(jù)命令字和數(shù)據(jù)塊指針到數(shù)據(jù)堆棧讀取總線數(shù)據(jù),最后將接收到的總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。通過查詢“讀串口數(shù)據(jù)命令標(biāo)志位”是否有效來進(jìn)行接收上位機(jī)的命令,根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

      為了確保與上位機(jī)握手的可靠性,在查詢程序中設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。并且在查詢程序中判斷緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),看收到的命令是否是一幀完整的命令。若是,則根據(jù)不同的命令設(shè)置系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、自檢等相應(yīng)標(biāo)志,并將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次向前移動(dòng)一幀,數(shù)據(jù)指針也向前移動(dòng)一幀。

      5 結(jié)束語

      機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)采集記錄逐漸向高速、高效、大容量存儲(chǔ)的方向發(fā)展。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展以其出色的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力使得機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)采集向著更好的方向發(fā)展。

      本文對(duì)1553B數(shù)據(jù)總線協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)介紹,結(jié)合C6713的性能特點(diǎn),通過與協(xié)議芯片BU-61864的硬件接口和軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了與1553B數(shù)據(jù)總線接口的MT設(shè)計(jì)。本文用途明確,將為機(jī)載火控?cái)?shù)據(jù)的采集記錄有著實(shí)用價(jià)值。控制,根據(jù)環(huán)境明暗程度、開關(guān)燈時(shí)間、過往行人情況綜合處理,控制LED路燈的亮滅方式,進(jìn)行優(yōu)化管理,節(jié)省能源,使系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行。防止蓄電池過度充放電,更好地保護(hù)了蓄電池,延長(zhǎng)了整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。因而,本文設(shè)計(jì)的太陽能LED路系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值,對(duì)太陽能路燈的推廣起到了促進(jìn)作用,是有益的嘗試。

      [1]曹瑩.基于Atmega48太陽能路燈控制器研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(22):179-182.CAO Ying.Atmega48 solar street lamp controller based research [J].Electronic Design Engineering,2012,20(22):179-182.

      [2]李余興,馬建倉,葉祥.太陽能LED路燈的研制[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(1):113-115.LI Yu-xing,MA Jian-cang,YE Xiang.The development of solar LED street light [J].Electronic Design Engineering,2012,20(1):113-115.

      [3]徐曼珍.閥控式密封蓄電池及其在通信中的應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版版社,1998.

      [4]丁偉.太陽能發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

      [5]周杏鵬.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社2010.[6]蔡振江.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

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