FC－AE－1553与MIL－STD－1553协议转换方案的设计

查 翔，南建国，罗海英

（1.空军工程大学 工程学院，陕西 西安710038；2.中国人民解放军94070部队，陕西西安710014）

0 引 言

在现有的军用航空电子系统中，大量的设备终端采用的是MIL－STD－1553总线协议，这种总线在当今航空电子系统中占有重要的地位［1］。由于越来越多的航空电子系统被综合集成，来自系统内外的电磁干扰、静电放射以及电磁脉冲等对这种电传输的总线系统的影响会愈加严重。另一方面，随着军用I／O数据量的增加，航电系统的数据传输量也因此增大，传统的1553B总线的1Mb／s的速率已远不能满足要求［2］。光纤通道 （fibre channel，FC）是美国国家标准委员会 （ANSI）制定的一种为适应高性能数据传输需要而设计的串行传输协议，具有高带宽、低延迟、低错位率等特性，已开始广泛应用于航空电子设备互联中。针对航空电子应用的需要，产生了专门的FC航空电子环境 （FC－AE）方向的应用研究，例如在以F－35为代表的飞机上开始采用FC作为机载网络系统。FC－AE的子集主要关注FC协议在航空电子环境下的应用，特别是支持实时控制和响应，以及高可靠性、容错性的需要［3］。基于1553协议的上层映射FC－AE－1553属于FC－AE子集的一种，它的出现解决了1553总线与高速FC拓扑同时并存、相互融合的问题。它利用了FC的诸多技术优势，又可兼容原有的1553设备终端，既保留和继承了原有的硬件设施，又实现了系统的平滑升级，对航电系统的更新换代具有重要的意义［4－5］。本文在研究两种协议网络之间的结构差异基础上，从两种信息单元格式的映射出发，致力于设计一种实现两种协议转换的方案，以适应当前航电网络的发展要求。

1 FC－AE－1553协议概述

1.1 基本特性

FC－AE－1553是一个命令／响应式协议［6］，由于采用光纤通道技术，性能在1553基础上有了很大扩展，如一个FC－AE－1553网络最大可允许终端数为224，最大可允许传送字 （32bit）数为232，可采用FC提供的所有网络拓扑，允许数据在网络和多个网络控制器之间同时交叉传送。同时FC－AE－1553还支持远程直接内存存取（RDMA）［7］。

一个典型的FC－AE－1553网络主要包括以下集中元素：网络终端 （NT）、网络控制器 （NC）、FC网络自身、FCAE－1553协议桥和1553B总线等［8］。NT由存在于FC网络的子系统或传感器内的FC接口组成，能响应NC发出的命令帧，完成子系统与FC网络间的数据传输。NC负责管理所有FC－AE－1553消息在网络上的传输，这要使用协议提供的模式代码来完成。FC－AE－1553协议桥可实现不同数据格式的控制网络和和FC网络之间的数据格式的转换，通过协议桥FC－AE－1553帧能转换成1553B总线支持的字，1553B的字能转换成 FC－AE－1553帧［9］。

1.2 MIL－STD－1553字到FC－AE－1553协议帧的映射

FC－AE－1553定义了两类信息单元：NC向NT传输的多种信息单元和NT向NC或其它NT传输的多种信息单元。每一个FC－AE－1553交换都是由NC的一个或一对命令帧发起的。FC－AE－1553协议主要是在FC帧载荷区的前几个字中增加了控制信息，MIL－STD－1553的命令字和状态字被映射到FC－AE－1553的命令帧头和状态帧头［10］。

（1）状态字到状态帧的映射：根据FC－AE－1553状态帧的格式，MIL－STD－1553状态字直接映射到状态帧第6个字的第11位，位12和位11只在协议桥中的转换过程用到，为连接到桥上的 MIL－STD－1553的RT提供 “No Response by MIL－STD－1553RT”和 “MIL－STD－1553Format error”条件标志。若N＿Port和NL＿Port没有连接到桥上，那么此两位不使用，前19位作保留。在传输时这19位的值均为0。

（2）命令字到命令帧的映射：FC－AE－1553在每个交换过程开始时由NC发出单个的命令帧序列，其中每个命令帧均包含FC－AE－1553命令帧头。FC－AE－1553命令帧头包含12个字，FC标准帧头在前6个字，后面紧跟的6个字是FC－AE－1553帧头的扩展，通常是载荷区的前6个字。FC－AE－1553命令帧的第5个字可能作为相对偏移参数，可作为计数器。

（3）数据字到数据帧的映射：数据字的映射最为简单，因为数据帧的帧头不需要进行扩展，帧头部分与FC标准帧头相同。

2 协议转换方案的总体分析

通过分析FC－AE－1553和 MIL－STD－1553协议，若消息的通信是在 MIL－STD－1553或者是 FC－AE－1553本网络内，那么就不需要协议转换；若两网络之间的设备终端需要通信，则必须要有协议转换模块的存在［11］。根据两网络各自的特点，可以设计一个同时兼容1553总线控制器BC和FC－AE－1553网络NT的通信适配器来实现两个网络间的映射，其实质就是创建一个网关，在FC－AE－1553和 MILSTD－1553网络间充当消息传递的中介。

两种网络的桥接方案如图1所示，它描述了将传统的1553总线中的设备终端桥接到FC－AE－1553网络的方法。在桥接模块的左端，1553总线控制器BC将FC－AE－1553命令帧序列转换为 MIL－STD－1553消息片 （命令字或命令字加数据字），然后通过1553总线传递给RT。RT以 MILSTD－1553状态字 （也可能带数据）响应，桥接模块在右端把状态字响应转换成FC－AE－1553状态帧，并在FC－AE－1553网络上传输。

图1 光纤网络与1553总线间的桥接

一个FC－AE－1553网络中允许存在多个桥，并且每个桥可连接不同的1553总线，但每条1553总线上同一时刻只允许一个桥起作用，即只有一个BC处于活动状态［12－13］。为了使MIL－STD－1553的RT能与协议转换模块进行通信，NC使用 了 FC－AE－1553扩展帧头的子地址域（Subaddress），前22位用作协议桥的子地址，后面的低0－4位用来标识 MIL－STD－1553的 RT。MIL－STD－1553的 RT 可以接收NT到RT或RT到RT的消息。FC－AE－1553协议转换方案的各功能层次如图2所示。

在图2中，前置处理模块负责完成 MIL－STD－1553消息总线接口的控制处理，协议转换模块负责消息片和帧的转换处理，后置处理模块主要负责与FC－AE－1553网络间的数据交换。根据各自模块的功能，可设计一种协议转换的方案，实现这种桥接的功能。

图2 协议转换方案的各功能层次

3 协议转换方案的设计

3.1 功能分析

根据对协议转换方案各功能的分析，若将帧转换为消息字称作下行，将消息字转换为帧称作上行，那么可考虑将两种数据格式的转换放到上、下行模块中实现。此外，在协议转换模块与后置处理模块的帧传输过程中还要考虑数据出错的情况，这就需要设计一个对帧的有效性判定的模块。另外，协议转换模块与前置处理模块之间却不需要考虑出错和超时的问题，因为前置处理模块的BC协议处理单元本身就具有差错处理功能。协议转换方案的子模块功能划分如图3所示。从图3中可以看出，这里包含3个子模块：有效性判定模块和上、下行处理模块。

图3 协议转换方案的子模块功能划分

3.2 有效性判定模块的设计方案

在NT到NT通信中，有消息交互时端口进入激活状态，首先是NT1发送命令帧，然后等待要反馈的状态序列。NT2接收到命令帧后，发送状态帧，若没有传输差错，NT1则收到正确的状态序列。该设计的处理过程略微复杂，命令帧、数据帧和状态帧有效性判定的设计可归结为以下过程：

（1）命令帧序列的处理过程：判断状态帧的返回是否超时，若在时间阈值范围内 （即不超过ULP＿NT＿CS＿TOV），则进入到处理流程。首先进行8B／10B解码，确保输出的有效性，再判断帧头 （SOF）是否合法以及CRC校验，最后将处理后的数据存入FIFO中。

（2）状态帧的处理过程：首先是端口进入到激活状态，一旦进入激活状态，端口就通过IDLE原语保持现有状态。然后进入到处理阶段，传输帧先经过8B／10B解码，若有效则进行输出。再判断命令帧的帧头 （SOF）是否合法，并用CRC校验，最后将转换后的数据存入到异步FIFO中

（3）数据帧的处理过程：处理过程与状态帧相似，不同之处就是多了数据帧的计数以及帧头内容的不同。接收过程为：判断数据帧开始的时间与状态帧结束时间的时间间隔是否超出时间阈值 （即不超过E＿D＿TOV）。若不超时则清零数据帧计数器，然后检验8B／10B解码的有效性、FC帧头和扩展帧头，以及CRC校验，最后数据帧处理完成，计数器值加1。接收下一数据帧时，再重复此过程。

在对整个协议流程的分析后，可以确定整个处理过程分两个阶段：一是端口初始化，建立连接；二是进行数据传输。

3.3 上、下行模块的设计方案

3.3.1 下行模块的设计

根据通信的处理流程，确定NT发往RT的完整流程（下行），基本的设计思路是：判断帧类型→判断帧有效性→帧头解码→扩展帧头解码→帧转换为消息→经BC发至RT。设计处理流程如图4所示。

3.3.2 上行模块的设计

上行模块的处理过程相对简单，主要涉及到命令字和状态字的映射处理。从命令字与命令帧的映射规则来看，命令字到命令帧转换的主要工作是各个字段的填充，这是在数据区实现的。命令字转换的设计步骤为：

（1）模块初始化，将控制字填充，命令字的T／R位映射到命令字的第2位，其它为0；

（2）模块填充子地址／模式字 （第7个字），映射命令字的RT地址、RT子地址；

（3）模块填充数据字节计数／模式码字 （第8个字），映射命令字模式码。

参考状态字到状态帧的映射关系，对于NT发出的状态字，如果1553的RT在时间限制内无响应，那么No Response by MIL－STD－1553RT置1，NT不会发送任何数据字，否则置0。如果消息错误位为1，则表明接收RDMA、发送RDMA、T／R＊位、子地址、字节计数／模式码域的组合对当前交换非法，这是一种存在的情况。Service Request位是可选的，若预定了NT或相关子系统的网络控制器行为的话，此位设为1；为0则表示NT没有实现这些特征，或者是服务请求不存在。状态字的转换主要涉及到相关的条件判断以及做出相应的位操作［14］。设计状态字的具体转换流程如图5所示。

4 仿真分析

在对FC－AE－1553与 MIL－STD－1553协议转换方案各模

块的设计进行描述后，使用开发平台间接地测试各模块的性能。采用Altera公司的FPGA／CPLD开发工具 QuartusII，版本为6.0。QuartusII软件完全支持VHDL和Verilog的设计流程，同时也具备仿真功能，提供第三方仿真工具的接口，可以直接调用第三方仿真工具［15－16］。测试过程使用verilog编程，用QuartusII进行编译和仿真。

将测试程序反复调试，运行得到有效性判定模块的仿真结果，如图6所示。

图6 有效性判定模块仿真结果

从图6可以看出，当ReqA为高电平时，当时钟上升沿到达时，会立即收到一个AcKA，此时地址总线AddBus＿ProcA上的地址信息将会被写入到地址总线缓冲器AddBus＿RAM中，因此数据写总线DataWriteBus＿ProA的信息被存入数据写总线缓存器DataWriteBus＿RAM中。由此可知仿真测试结果符合模块的设计流程。类似的上、下行模块的仿真结果分别如图7、图8所示。

5 结束语

对当前航空电子系统的现状作了分析与研究，针对光纤通道给机载网络通信带来的巨大优势而设计了FC－AE－1553与MIL－STD－1553两种协议转换的方案，以实现现有的1553总线系统的平滑升级。以具体流程图的形式对各个子模块的功能和设计思路给出了具体描述，建立了相关的模型，并通过相关的仿真实验验证了模块设计的有效性和实时性，可以很好的完成协议桥功能，同时也适合于网络间数据的传输控制，因此对实际软硬件设计提供一种有效途径，也具有一定的通用性。FC－AE－1553的应用是当前航空电子网络的一个发展趋势，它可以很好的满足将来航空电子系统的高性能要求，有着良好的应用前景。

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