0 引言

    1394總線主要由機(jī)載網(wǎng)絡(luò)接口子卡連接組成，航電1394總線節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品為主機(jī)使用1394網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)提供軟、硬件接口，完成主機(jī)設(shè)備與1394總線間的信息交互能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)1394總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行的集中管理、時(shí)統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能，滿足任務(wù)系統(tǒng)對(duì)1394網(wǎng)絡(luò)的需求。該節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)思路，由驅(qū)動(dòng)軟件和FPGA邏輯共同實(shí)現(xiàn)SAE AS5643協(xié)議要求的CC、RN、BM一體化功能，提供PCI和PCIE兩種主機(jī)接口，支持S100B/S200B/S400B總線通信速率，并通過電氣特性驗(yàn)證及可靠性與環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足高可靠性機(jī)載環(huán)境使用的需求。

    本文從硬件、邏輯構(gòu)架和軟件三方面詳細(xì)介紹了航電1394總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，并通過網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)節(jié)點(diǎn)功能、性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    航電1394總線節(jié)點(diǎn)作為接入總線系統(tǒng)中的通用1394通信模塊，具備航電系統(tǒng)CC/RN/BM角色，實(shí)現(xiàn)1394總線網(wǎng)絡(luò)的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。其設(shè)計(jì)遵循航空電子通信系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)劃分（見圖1），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和驅(qū)動(dòng)層的功能，其中，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層由硬件實(shí)現(xiàn)，傳輸層(AS5643協(xié)議)通過可編程邏輯實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)軟件駐留在上位機(jī)中，應(yīng)用軟件與特定的子系統(tǒng)有關(guān)，通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能要求。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

    航電1394總線節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了CC/RN/BM功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，提供標(biāo)準(zhǔn)PCI及PCIE主機(jī)接口，具有1394總線AS5643協(xié)議解析、1394電氣信號(hào)驅(qū)動(dòng)和消息存儲(chǔ)功能。其主要硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

    節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)AS5643協(xié)議處理功能，完成應(yīng)用系統(tǒng)與主機(jī)接口連接。其中1394接口信號(hào)經(jīng)過變壓器耦合方式輸出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)外提供3個(gè)端口，端口符合IEEE 1394B規(guī)范要求，支持S100、S200和S400 3種傳輸速率；1394鏈路層功能和1394物理層功能分別由符合協(xié)議規(guī)范的接口集成電路實(shí)現(xiàn)；提供4路離散量輸出信號(hào)和4路離散量輸入信號(hào)，用于搶權(quán)控制和功能擴(kuò)展；配置1片4 Mbit Flash存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)總線配置表^[1]。

    各主要模塊功能如下：

    (1)主機(jī)接口電路模塊：主機(jī)接口可以采用32 bit/33 MHz工作方式PCI接口；也可以提供兼容PCIe1.1的1x規(guī)格、高速2.5 Gb/s接口。采用主機(jī)提供的二級(jí)直流電源(+5 V)，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V、1 V等各種電壓，滿足不同功能電路使用。

    (2)時(shí)鐘電路模塊：主要由FPGA時(shí)鐘使用單端輸出的30 MHz晶振提供，便于邏輯功能分區(qū)實(shí)現(xiàn)。1394物理層時(shí)鐘按照協(xié)議規(guī)范，可選晶振或晶體提供49.152 MHz時(shí)鐘信號(hào)輸入。

    (3)復(fù)位電路模塊：復(fù)位電路可根據(jù)實(shí)際的復(fù)位時(shí)間要求進(jìn)行選擇，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)復(fù)位：復(fù)位一為確保FPGA邏輯加載在全局復(fù)位結(jié)束前完成，采用監(jiān)控芯片實(shí)現(xiàn)電壓控制和復(fù)位輸出；復(fù)位二為滿足單一復(fù)位時(shí)間要求，采用RC復(fù)位電路與施密特反相器配合消抖實(shí)現(xiàn)總線物理層接口復(fù)位。

1.2 邏輯設(shè)計(jì)

    FPGA邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集成了主機(jī)接口模塊和AS5643協(xié)議處理模塊兩部分，其功能框圖如圖3所示^[2]。主機(jī)接口模塊是主機(jī)與AS5643協(xié)議處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)AS5643協(xié)議處理模塊所有資源的訪問。

    AS5643協(xié)議處理單元模塊是FPGA邏輯設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)單元，該模塊采用CC/RN/BM節(jié)點(diǎn)一體化設(shè)計(jì)，完成主機(jī)與鏈路層接口芯片之間的通信，實(shí)現(xiàn)了AS5643協(xié)議定義的總線同步、總線通信、總線系統(tǒng)容錯(cuò)等關(guān)鍵技術(shù)，支持S100B、S200B或S400B模式通信。

    FPGA邏輯結(jié)構(gòu)采用共享主機(jī)存儲(chǔ)工作方式，具備DMA引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在FPGA雙口與主機(jī)RAM之間的高速搬移；提供片內(nèi)DPRAM存儲(chǔ)配置表信息，最大支持收發(fā)各128條消息，根據(jù)總線配置表進(jìn)行消息調(diào)度；消息負(fù)載長度可配置，S100B模式下支持最大512 B，S400B模式下最大2 KB。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

    節(jié)點(diǎn)軟件由應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)軟件組成。驅(qū)動(dòng)軟件主要完成主機(jī)端與1394節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互，是主機(jī)應(yīng)用層與AS5643邏輯的中間層，提供API接口函數(shù)給上層應(yīng)用調(diào)用，將應(yīng)用層和硬件與邏輯之間的交互分開^[3]。上層應(yīng)用軟件與特定的子系統(tǒng)有關(guān)，應(yīng)用軟件通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)功能。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    驅(qū)動(dòng)軟件作為主機(jī)訪問1394接口子卡硬件資源和數(shù)據(jù)收發(fā)的接口，主要實(shí)現(xiàn)1394B總線數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)管理，可提供對(duì)1394節(jié)點(diǎn)內(nèi)程序的調(diào)度，對(duì)1394節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的報(bào)告等處理，由主機(jī)應(yīng)用層軟件進(jìn)行調(diào)用。軟件采用CC/RN/BM節(jié)點(diǎn)功能兼容設(shè)計(jì)，支持VxWorks、ACoreOS、ACoreOS653等多種操作系統(tǒng)環(huán)境。

    驅(qū)動(dòng)軟件按功能模塊分為設(shè)備管理模塊、消息控制模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、時(shí)統(tǒng)管理模塊和中斷處理模塊等，如圖5所示。

    節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)首先完成主機(jī)接口初始化，實(shí)現(xiàn)板卡資源的訪問、狀態(tài)及信息的控制與讀取。其次上層應(yīng)用軟件通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)1394節(jié)點(diǎn)功能，包括按照系統(tǒng)需求設(shè)置節(jié)點(diǎn)角色、網(wǎng)絡(luò)工作模式及加載系統(tǒng)配置表進(jìn)行邏輯內(nèi)部寄存器配置等來完成正常的網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)通信。即CC節(jié)點(diǎn)能夠正確獲取網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)，處理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，發(fā)布網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，發(fā)送和接收異步流消息；RN節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送上下網(wǎng)請(qǐng)求，獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，發(fā)送和接收異步流消息^[4]。軟件流程如圖6所示。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

    與其他總線節(jié)點(diǎn)相比，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的總線節(jié)點(diǎn)主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

    (1)提出了PCI/PCIE接口復(fù)用設(shè)計(jì)電路，滿足多種主機(jī)接口需求；

    (2)產(chǎn)品功耗較低(不大于6 W)，體積小(68 mm×68 mm），重量輕(不超過60 g)，可靠性高，使得產(chǎn)品應(yīng)用范圍更廣，滿足機(jī)載及地面環(huán)境下的多重應(yīng)用需求；

    (3)針對(duì)機(jī)載總線傳輸高可靠要求，按照S100B、S200B、S400速率下的電氣特性指標(biāo)，完成1394接口物理層信號(hào)完整性分析、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，有效地提高了總線信號(hào)傳輸質(zhì)量，保障了數(shù)據(jù)傳輸可靠性；

    (4)實(shí)現(xiàn)按照預(yù)分配的偏移時(shí)刻定時(shí)發(fā)送的事件消息，實(shí)現(xiàn)Mil-1394總線網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)時(shí)統(tǒng)以及流數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒半娐罚?/p>

    (5)為提高產(chǎn)品的應(yīng)用靈活性，在軟件、邏輯、硬件設(shè)計(jì)中首次采用CC/RN/BM一體化設(shè)計(jì)；

    (6)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種支持總線多節(jié)點(diǎn)的總線配置表結(jié)構(gòu)和加載方案，滿足機(jī)載產(chǎn)品在線加載的應(yīng)用要求；

    (7)從總線系統(tǒng)、總線信號(hào)質(zhì)量和線纜/連接器測試三方面構(gòu)建總線驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信測試、產(chǎn)品電氣特性測試以及線纜連接器測試。

3 測試及驗(yàn)證

    航電1394總線節(jié)點(diǎn)測試主要針對(duì)板卡性能和功能進(jìn)行測試，以保證該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足協(xié)議功能需求和高可靠性、實(shí)時(shí)性的性能要求。

    驗(yàn)證環(huán)境由航電1394總線節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)、1394航電仿真卡測試系統(tǒng)、連接線纜等組成，其中1394總線分析儀作為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接入測試網(wǎng)絡(luò)。圖7為一個(gè)簡易的驗(yàn)證環(huán)境連接圖。

    針對(duì)Mil-1394總線對(duì)總線信號(hào)質(zhì)量的要求，進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)下的總線電氣特性測試和可靠性試驗(yàn)等測試，保證其在惡劣復(fù)雜工作環(huán)境下的正常通信。該測試保證了總線信號(hào)傳輸質(zhì)量，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

    功能測試通過搭建1394航電仿真卡與待測試子卡進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測試，以及在驗(yàn)證環(huán)境中加入多個(gè)待測子卡，組成網(wǎng)絡(luò)測試1394總線系統(tǒng)通信功能是否正常。主要測試待測子卡是否滿足AS5643協(xié)議的需求，包括STOF包發(fā)送/接收、總線網(wǎng)絡(luò)管理、時(shí)統(tǒng)管理、異步流消息的發(fā)送/接收、總線配置表文件加載、總線故障注入等。經(jīng)驗(yàn)證，1394總線節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)航電系統(tǒng)1394總線節(jié)點(diǎn)功能，并且通過1394總線協(xié)議分析儀監(jiān)控結(jié)果分析得知功能正常。

4 結(jié)論

    本文就航電1394總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究，從硬件架構(gòu)、邏輯設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了分析。經(jīng)1394總線驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)測，結(jié)果表明該航電1394總線節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、性能穩(wěn)定，并通過國軍標(biāo)軟件工程化標(biāo)準(zhǔn)測試，可為各類機(jī)載安全關(guān)鍵和任務(wù)關(guān)鍵子系統(tǒng)提供高可靠、高確定、高帶寬的系統(tǒng)級(jí)總線接口，并為相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供設(shè)計(jì)思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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