中国航空计算技术研究所 陕西西安 710119
摘要:1553B总线在机载领域的应用越来越广,针对不同系统中对1553B总线的设计需求需要明确化,本文从1553B总线特点出发,结合整机的任务功能需求针对当前机载1553B总线的需求进行分析,明确机载1553B总线设计的要点。
关键词:总线控制器(BC) 远程终端(RT)总线监控器(BM)改进的静态总线控制(ISBC) 多协议复用总线控制(MPBC) 双端口存储器(DPRAM) 直接存储器访问 (DMA)
GJB289A总线在国内外机载、弹载、舰载等领域已广泛应用逾30年,作为最早替代ARINC429,将点对点拓扑替代为总线型拓扑后,以其高可靠性、抗干扰能力能力强著称,应用时间之长、应用型号之多,尚无其他任何总线网络产品可与之媲美。
本文将机载1553B总线接口的需求进行分析和提炼,以便设计者能实现更完整的机载1553B总线接口。
1 GJB289A总线简介
GJB289A总线标准是一种综合航空电子系统多路传输数据总线通信协议,GJB289A总线系统是基于余度设计的指令响应式的多路传输总线。总线系统是由一个总线监控器(BC)、多个远程终端(RT)、总线监控器(BM) 以及总线通信线缆组成,总线中各个设备与上层系统的交互完成整机系统的功能需求。BC作为总线控制器实现整个GJB289A网络通信的管理与控制; RT作为远程终端,实现与总线上的总线控制器以及其他远程终端通信等功能;BM作为总线监控器,实现对所有总线上的传输数据进行监控记录的功能,并标记时戳;多路传输总线接口模块的(MBI)的总线系统结构拓扑图如下图1所示。
图1 GJB289A总线拓扑结构图
2 机载1553B总线接口通用需求
机载1553B总线通信的接口需求主要有以下方面:
体系架构;功能模式:BC/RT/MT/RTMT;耦合方式:变压器耦合;通信数据量:64KW;
数据共享方式:DPRAM;中断机制;时间性能:DT、WDT、消息间隔时间、最大响应超时时间;网络管理;自测试;错误重试;矢量字和消息刷新机制。
2.1体系架构
机载1553B总线应用,尤其是BC应用,因其在总线中的核心地位,通常不建议采用1553B IP固化在FPGA中实现,因为这种实现方式,各种环境下的确定性是要劣于使用协议芯片的。因此,本文描述的体系架构,仅针对使用1553B总线协议控制器芯片的应用。因为协议控制器本身的架构,决定了外围电路的架构,根据目前最常用的机载应用协议处理器,主要包括三类:
(1)DDC公司的 BU6186x系列,因其功能覆盖全,能作为BC/RT/MT/RTMT、同时内部包含RAM、包含总线收发器等特色,应用最为广泛。
(2)UTMC公司的UT1553 BC/RT:因其应用最早,并且寄存器少、功能配置简易,在早期机载应用用应用非常广泛,缺点是无RTMT功能。
(3)Holt公司的HI-613X系列:是Holt公司专门研发用于取代DDC公司芯片的新架构,其内部BC、RT、MT的协议栈是完全独立的,可任意组合,并且内部也包含收发器,且相对DDC产品而言,价格较低,在近年来也有应用。
2.2功能:BC/RT/MT/RTMT
1553B总线接口的功能,包括BC、RT、MT三种。但有些特殊的应用,经常需要使用RTMT功能,即作为RT的同时,作为MT进行总线监控。不同的功能,对传输实现的需求不同。
2.3耦合方式
机载1553B总线,要求使用变压器耦合方式,终端通过短截线及耦合变压器连接到主电缆上,短截线的长度不超过6m。
2.4通信数据量
不同的功能,需要的数据通信量不同,按照通用设计,不同的子地址,不同的RT地址,使用独立的数据缓冲考虑,缓冲区的个数按照最少2个设计。
BC功能模式下:RT个数30(不考虑广播),收发子地址个数各30(不考虑方式代码),消息数据字最大32个,额外信息包括两个指令字、两个状态字、消息间隔时间、时标等,因此单个缓冲区按照40个字考虑。因此最大的数据量需求为:30*30*2*40*2=144000W,约为140.6KW。
RT功能模式下:收发子地址个数各30(不考虑方式代码),消息数据字最大32个,而外信息包括:指令字、状态字、时标等,单个缓冲区也按照40个字考虑。最大数据需求量为:30*2*40*2=4800W,约为4.68K。
MT功能模式下:机载MT功能,通常只监控总线表中定义的消息,即BC的消息,因此数量至少需按照BC需求实现。监控的内容应该包括消息的命令字、状态字和数据字以及消息的时间戳。
2.5数据共享方式
使用DPRAM和主机共享数据,共享方式为:
MBI模块接口端:除了1553B协议控制器之外,还设计一个智能控制器。智能控制器可访问DPRAM的一个端口,当1553B协议控制器需要收发数据时,它向智能控制器发出DMAR请求,智能控制器响应之后DMAG,1553B协议控制器确认DMA_ACK之后,其获取DPRAM控制权;
主机接口端:主机控制DPRAM的另一端,将需要发送的数据写入DPRAM、从DPRAM读取接收到的数据。
2.6中断机制
1553B内部接口的中断通常包括:
(1)协议控制器向智能控制器的中断:包括消息结束中断、错误状态中断等;
(2)DT定时器的中断;
(3)WDT中断;
主机接口中断,通常涉及一些事件,包括:
WDT中断、紧急消息中断、自测试失败中断、上网中断、下网中断。
2.7时间性能
MBI模块对时间性能的要求一般包括DT、WDT、消息间隔时间、最大响应超时时间。
DT:延时定时器,主要用于BC的小周期控制功能;
WDT:看门狗定时器,主要用于BC的双机切换功能;
消息间隔时间:主要用于BC消息调度,根据应用的总线表中对消息的周期定义来确定;
最大响应超时时间:消息的最大响应超时时间应满足标准协议的要求,为14us。
2.8网络管理
RT上网:当RT响应BC发送的指令时,BC需要将RT置为上网状态。
RT下网:当RT响应BC发送的指令时,BC需要将RT置为上网状态。
2.9自测试
自测试包含上电自测试、周期自测试、总线BIT消息三种。自测试内容包括DSP自测试、DPRAM自测试、RTC自测试以及协议芯片自测试。
2.10错误重试
重试机制分为立即重试和集中重试两种机制。立即重试是消息出错后,立即组织消息传输;集中重试是将消息放入到重试链表,在重试消息片区组织消息重试。
2.11矢量字和消息刷新机制
对BC输入消息(RT->BC,RT->RT,RT->RTS),采用矢量字传输机制,具体为:
在总线表中,设计这些发送RT的发送矢量字方式命令,具体格式为:发送矢量字指令+矢量字+发送RT状态字字;
其中的矢量字和发送RT的状态字是由发送RT传输的。如果发送RT需要传输的数据已经刷新,则在对应的发送子地址对应的矢量字位(设计中为发送子地址1~16分别对应矢量字位0~位15)置1。BC根据发送RT的矢量字,就可以确定该RT相关的发送消息是否具备传输条件,如果不具备条件(矢量字位未置位),则不组织相关消息传输,从而节省带宽。
3.总结
本文描述机载1553B总线接口设计需求,从协议以及应用系统的功能需求等方面明确1553B 总线在设计过程中的设计要求。1553B总线需求分析的明确有利于产品设计的标准化和规范化,在产品设计过程中提供指导性帮助,并且有助于指导机载1553B总线接口设计和验证。
参考文献:
[1] 刘航, 赵川,寇学锋,等. 基于GJB289A 总线SoC 芯片的1553 模块设计与实现[J]. 电子技术应用,2016 ,42(7) :167-170
[2] 基于HKS1553BCRT芯片的1553B总线通信软件设计[J].计算机技术与发展, 2012.