基于GJB289A總線SoC芯片的1553模塊設計與實現(xiàn)*

劉　航，趙　川，寇學鋒，李　波

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；4.中航工業(yè)陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

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基于GJB289A總線SoC芯片的1553模塊設計與實現(xiàn)*

劉航1，2，趙川3，寇學鋒4，李波3

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；
2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；4.中航工業(yè)陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

傳統(tǒng)的 1553模塊主要采用DIP封裝的協(xié)議處理器、計時器、收發(fā)器設計，PCB板重量大、功耗高、可靠性及維護性差，難以滿足新型武器裝備的“小、低、輕”要求。提出了一種基于自主正向的高速GJB289A總線（1～10 Mb/s）SoC芯片的1553模塊設計方案，從硬件及軟件設計上闡述了基于 GJB289A總線 SoC芯片的1553模塊的設計與實現(xiàn)，并提出了該模塊的技術優(yōu)勢。該模塊是一款集成終端SoC芯片的GJB289A總線通信設備，實現(xiàn)了GJB289A總線中的BC、RT功能。該模塊功耗低，性能、功能穩(wěn)定可靠，可移植性強，集成度高，具有較高的成熟度，滿足機載航空電子系統(tǒng)總線設計要求，已成功應用于多個項目中。

GJB289A總線；HKS1553BCRT；1553模塊

中文引用格式：劉航，趙川，寇學鋒，等.基于 GJB289A總線 SoC芯片的 1553模塊設計與實現(xiàn)［J］.電子技術應用，2016，42 （7）：167-170.

英文引用格式：Liu Hang，Zhao Chuan，Kou Xuefeng，et al.The design and realization of 1553 module based on the GJB289A bus system SoC chip［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：167-170.

0　概述

本文提出了一種基于 HKS1553BCRT芯片的 1553 （Multi Bus Interface）模塊設計與實現(xiàn)方案［1-2］，能夠很好地解決傳統(tǒng)GJB289A總線模塊方案中電路設計器件選型分散性高，尤其在機載設備增加時，硬件設計占用板面大、功耗高、可靠性與智能化低的問題［3-4］。從而打破了國外在GJB289A總線設備上的壟斷，對我國航空電子系統(tǒng)的發(fā)展及自主研究具有深遠的意義［5-6］。

基于自研 GJB289A總線 SoC（System On Chip）芯片的1553模塊設計方案中核心器件采用的HKS1553BCRT芯片是一種集成了微處理器、GJB289A總線協(xié)議處理器以及多種外設資源的片上系統(tǒng)。該芯片是一款智能化、通用化、小型化的通信處理芯片，可應用在多種GJB289A總線接口模塊中［7-8］。

1　1553模塊設計

本模塊基于 HKS1553BCRT進行設計，實現(xiàn)GJB289A規(guī)定的總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監(jiān)控器（BM）功能。模塊內(nèi)部集成計時控制模塊，完成實時時鐘、時間間隔計時器和看門狗計時器功能，片內(nèi)集成雙端口隨機存儲器和靜態(tài)隨機存儲器，靜態(tài)隨機存儲器供芯片微處理器和協(xié)議處理器使用，模塊提供主機接口，配合雙端口存儲器可完成1553模塊與主機數(shù)據(jù)交互功能。

1.1硬件設計

該模塊的硬件采用自主知識產(chǎn)權的 HKS1553BCRT芯片外加輔助電路設計，架構(gòu)設計靈活，更換連接器接口滿足不同的功能需求，實現(xiàn)多功能，低成本的模塊設計，本模塊主要采用PCI接口。1553模塊主要功能單元：HKS1553BCRT芯片、GJB289A總線收發(fā)電路、時鐘電路、電源轉(zhuǎn)換電路、復位電路、串行接口電路、主機接口電路、JTAG接口電路。其硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1　1553模塊硬件功能架構(gòu)圖

圖2　變壓器耦合方式連接電路圖

1.1.1GJB289A總線收發(fā)電路

HKS1553BCRT芯片提供 1路雙余度 GJB289A總線接口，通過總線收發(fā)器和變壓器實現(xiàn)GJB289A總線數(shù)據(jù)收發(fā)，總線收發(fā)器采用雙通道GJB289A總線收發(fā)器，傳輸速率為1 Mb/s和2 Mb/s自適應。設計時需要使用1片高速收發(fā)器，通過變壓器耦合方式連接到總線上，總線收發(fā)器采用自研的HKA32201收發(fā)器。圖2所示為變壓器耦合方式連接電路圖。

1.1.2時鐘電路

1553模塊中需要使用時鐘的電路有：HKS1553BCRT芯片、GJB289A總線協(xié)議處理器、UART接口。其中，HKS1553BCRT芯片系統(tǒng)時鐘為33 MHz，內(nèi)部進行 2倍頻提供ARM7TDMI處理器核使用。GJB289A總線協(xié)議處理器時鐘為12 MHz，通過N倍頻（N為1～10之間的整數(shù)）作為GJB289A總線傳輸時鐘，最大傳輸速率可達10 Mb/s，UART工作時鐘為3.686 4 MHz。

1.1.3電源轉(zhuǎn)換電路

1553模塊采用+5 V供電，通過PCI接口進入模塊，模塊內(nèi)需要+3.3 V、+2.5 V和+1.8 V工作，其中HKS1553-BCRT芯片使用+3.3 V+1.8 V，橋協(xié)議芯片 PCI9056使用+3.3 V和+2.5 V，采用TI公司的電源轉(zhuǎn)換器TPS75733、TPS75725和TPS75718實現(xiàn)。該類電源變換器輸入電壓0～+6 V，輸出電壓固定為+3.3 V、+2.5 V或+1.8 V，最大輸出電流3 A。

1.1.4主機接口

HKS1553BCRT芯片提供接口方式選擇，分別支持LBE總線、VME總線、PCI總線（通過 PLX9054/PCI9056橋接器）、PCI-Express總線訪問（通過PEX8311橋接器）［3］，本模塊采用PCI接口。主機接口為 PCI接口時，如果選用PCI9056橋接器，Ready#信號需要使用470 Ω上拉電阻，PCI總線設計應符合 PCI規(guī)范要求，注意 LBE、VME總線電平特性。

1.2軟件設計

本模塊設計的軟件為系統(tǒng)提供 2 Mb/s的 GJB289A總線數(shù)據(jù)通信功能，可分為傳輸層軟件（以下簡稱“SOC_ 289A_TRAN”）、驅(qū)動層軟件（以下簡稱“SOC_289A_DRV”）和應用層軟件（由用戶根據(jù)系統(tǒng)需求進行開發(fā)）。其中SOC_289A_TRAN軟件駐留在 1553的Flash上，電后自動加載運行，實現(xiàn)GJB289A總線的數(shù)據(jù)傳輸。SOC_289A_DRV為系統(tǒng)提供控制1553接口和數(shù)據(jù)收發(fā)接口，完成主機與目標機之間的 GJB289A總線數(shù)據(jù)通信。1553模塊軟件之間的調(diào)用關系如圖3所示。

圖31553　模塊軟件關系圖

1.2.1傳輸軟件

SOC_289A_TRAN軟件固化在目標機的 Flash中，系統(tǒng)上電后，SoC芯片會自動從 Flash芯片加載傳輸軟件并運行，查詢并獲取子系統(tǒng)主機命令字，對命令字解碼并完成對應命令需要完成的功能，其中包括：1553產(chǎn)品啟動模塊、主機命令響應模塊、中斷處理模塊。傳輸軟件簡要結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　傳輸軟件結(jié)構(gòu)圖

1.2.2驅(qū)動軟件

SOC_289A_DRV軟件作為應用軟件和系統(tǒng)硬件資源的中間層，由系統(tǒng)應用軟件調(diào)用，完成對1553的控制和總線通信功能。其中包括：1553控制功能、計時控制功能、消息控制功能、系統(tǒng)控制功能、中斷控制功能、1553存儲訪問功能、1553主機接口配置功能。接口結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖51553　驅(qū)動軟件

2　設計驗證

基于 HKS1553BCRT芯片的 1553模塊經(jīng)過了充分、全面的有效性驗證，主要包括協(xié)議符合性驗證、電氣特性驗證和環(huán)境性驗證。

協(xié)議符合性驗證中構(gòu)建一個終端有效性（VTP Validation test plan）驗證平臺，開發(fā)驗證軟件配合平臺驗證終端有效性。驗證方法為：指令響應測試要求終端對所有的合法指令做出正確的響應；有效指令字的間隔時間為2.0 μs～6.0 μs，時間超過 7.0 μs時，應作無響應超時處理等。

電氣特性驗證中構(gòu)建一個電氣特性有效性（Acceptance Test Plan，ATP）驗證平臺，開發(fā)驗證軟件配合平臺驗證電氣特性有效性。

本模塊產(chǎn)品滿足的環(huán)境試驗溫度為-55℃～+70℃。

經(jīng)協(xié)議符合性驗證、電氣特性驗證和環(huán)境性驗證基于HKS1553B芯片的1553模塊符合系統(tǒng)需求，模塊的驗證指標如表1所示。

表11553　模塊驗證結(jié)果

3　技術優(yōu)勢

本模塊所使用的芯片HKS1553BCRT支持總線速率1～10 Mb/s可配置，本模塊的應用為高速GJB289A數(shù)據(jù)總線在航空領域的成功應用提供了技術支撐。1553模塊的軟硬件解決方案全部為自主正向設計，擁有完全自主知識產(chǎn)權，適用于機載領域高效率的總線調(diào)度策略（基于ISBC協(xié)議的總線控制技術和總線通信配置表優(yōu)化算法），部分指標優(yōu)于國內(nèi)外同類技術，總體技術水平居該領域國內(nèi)領先，達到國際先進水平。具體對比結(jié)果參見表2。

4　總結(jié)

本文提出了一種基于 GJB289A總線 SoC芯片的1553模塊設計與實現(xiàn)方案，該模塊設計方案采用了GJB289A總線 SoC芯片，此芯片集成了處理器、協(xié)議處理器，大大提高了數(shù)據(jù)可靠性。該方案在系統(tǒng)微型化、功耗、成本、面積和體積上具有巨大優(yōu)勢，滿足了新一代航空電子系統(tǒng)對GJB289A總線模塊電路設計的要求。目前該1553模塊已成功地應用于某型號任務機，并隨整機完成了首飛，已通過各種試驗驗證。本文提出基于GJB289A總線SoC芯片的1553模塊的設計方法，對后續(xù)GJB289A數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)應用提供了重要的參考價值。

表2　國內(nèi)外同類技術比較

［1］田澤，韓煒，趙強，等.1553B總線接口SoC設計與實現(xiàn)［J］.航空計算技術，2008（9）：15-21.

［2］MIL-STD-1553.Protocol Tutoria［S］.Conder Engineering，Inc.2004.

［3］PCI Special Interest group.PCI local bus specification，Draft Revision 2.2［S］.1998.

［4］郭澤仁.1553B總線系統(tǒng)優(yōu)化及可靠性設計［J］.山東理工大學學報（自然科學版），2008，22（1）：67-70.

［5］雷勇，吳勇，潘莉.基于 USB的 1553B總線通用接口研究［J］.計算機測量與控制，2010，18（4）：861-864.

［6］趙月琴.基于BU-61580的嵌入式1553B終端的設計［J］.航空兵器，2004（4）：28-31.

［7］王學寶，黃志立，朱勇.基于 ARM的智能 1553通訊模塊設計［J］.微計算機信息，2010（8）：117-119.

［8］宋小慶，熊全謙.1553B總線的信息傳輸調(diào)度策略［J］.裝甲兵工程學院學報，2010（1）：58-62.

The design and realization of 1553 module based on the GJB289A bus system SoC chip

Liu Hang1，2，Zhao Chuan3，Kou Xuefeng4，Li Bo3
（1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；4.AVIC Shaanxi Baocheng Aviation Instrument CO.，LTD，Baoji 721006，China）

Thetraditional 1553 modulewas mainlyadopted todesignoftheDIP encapsulationprotocolhandler，timerand transceiver，PCB board weight big，high power consumption，poor reliability and maintainability，it is difficult to meet the needs of new weapons and equipment of small，low，light and other requirements.This paper proposes a high-speed GJB289A bus based on independent positive（1～10 Mb/s）1553 module of SoC chip design，software design.This paper expounds the SoC chip based on GJB289A bus 1553 module design and implementation process，and put forward the technical advantages of the module.The module is an integrated terminal SoC chip of GJB289A bus communication equipment，realize the BC/RT function of GJB289A bus. The module has been through a model of unmaned aerial vehicle to finalize the design process，low power consumption，function stable and reliable performance，strong portability，high integration，high maturity，bus design of airborne avionics system，has been successfully used in a variety of models.

the GJB289A bus；HKS1553BCRT；1553 module

TN495；V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.042

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金（2010BD63111）

2016-05-10）

劉航（1976-），男，高級工程師，主要研究方向：集成電路設計。

趙川（1988-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

寇學鋒（1973-），男，高級工程師，主要研究方向：導航制導以及顯控系統(tǒng)。

李波（1989-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。