基于Windows系统下的PXIe接口FC仿真卡的研究与实现

刘军伟

摘要：如何能在现有FC仿真卡的基础上设计出更适合外场服务保障的新形式地面仿真设备的需求迫切，该文立足航空电子系统FC通信协议要求，在深入理解FC-AE-ASM协议及外场设备可靠性要求的基础上，研究基于加固PC机Windows系统下的PXIe接口FC仿真卡的实现方法，提出可满足航空电子系统外场地面仿真环境需求的Windows环境下的PXIe接口FC仿真卡的主机接口类型选择及其内部架构设计思想，并进行原理验证和实现，最终完成PXIe接口FC仿真卡的设计，为FC网络设备地面仿真环境的建立提供了可靠的技术支撑，进一步推进国内光纤通道技术的发展。

关键词：FC；FC-AE-ASM协议；PXIe；仿真卡

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）01-0045-03

Research and Implementation of PXIe Interface FC Simulation Card Based on Windows System

LIU Jun-wei

（AVIC Computing Technique Research Institute，Xian 710065 ， China）

Abstract：Based on avoinics communication technology independent security and the requirement of FC devices to ground simulation，it was desiderated to establish FC simulation envrioment in laboratory， to simulate the basic charateristics and specifications of the avoinics FC network.According to the requirement of avoinics FC communication protocol， on the basis of comprehending FC-AE-ASM porotol，this paper researched the implementation methods of PXIe interface FC simulation device based on windows system of PC， brought forward，validated and implemented the design idea of PXIe interface FC simulation card， completed design of the card， provided credible technology support of establishing FC network simulation enviorment on the ground， advanced the devolopement of domestic FC technology much more.

Key words：Fibre Channel，FC-AE-ASM protocol，PXIe，Simulation card

伴随着航空系统对网络通信指标要求的不断提高，航空系统网络总线也经历了大致如下几个过程：

? 点到点连接的ARINC429总线；

? 集中式控制MIL-STD-1553总线；

? 分布式控制的HSDB高速总线和光纤通道。

其中光纤通道（FC）已成为新一代航空电子系统的首选的技术。光纤通道是美国国家标准委员会于1988年提出的一种高速串行传输协议，具有高带宽、高实时性、高可靠性、扩展性好、传输速率高、抗干扰性强、拓扑结构和服务类型灵活、支持多种上层协议和底层传输介质等特性[1]。为了适应航空系统环境，光纤通道提供了FC-AE协议子集，它规范了航空光纤通道交换网络与环路拓扑连接设备的选择[2]，目前光纤通道成为下一代航空电子系统互联的首选方案[3]，其中FC高层协议采用的就是FC-AE下的匿名签署消息传输协议（FC-AE-ASM）。

基于系统保障对FC地面网络设备需求，需在实验室环境下搭建合适的FC仿真环境，以达到能够对航空电子系统FC通信网络的基本特性及技术指标进行实验室仿真的目的。本文就光纤通道技术在PC机Windows环境下的实现方法进行研究，在深入理解FPGA芯片架构和研究FC核的基础上，分析FC协议，阐述了PXIe接口FC仿真卡的设计背景、设计理念、软硬件实现及其相关测试验证工作，从而为FC地面仿真环境的搭建提供一个可靠的支撑。其次，从PXIe接口FC仿真卡主机接口接口封装形式的可靠性出发，阐述了PXIe封装形式与普通金手指封装形式的FC仿真卡在加固性、可靠性方面的差异。

1 研制背景

伴随着航空系统对网络通信指标要求的不断提高，已成为新一代航空电子系统的首选的技术。PXIe接口FC仿真卡正是基于此背景下，为满足航电系统地面仿真应用而设计出来的在抗振动等性能方面优于普通金手指结构的FC地面仿真模块，此模块可以模拟系统中的FC通信节点，模拟实现系统中点到点的FC通信。

2 系统设计

由于PC机下的开放式Windows系统环境与航空系统中嵌入式操作系统环境的不同，PXIe接口FC仿真卡得应用是在Windows系统环境下模拟实现嵌入式操作系统环境中FC通信节点的角色。故在设计时需综合考虑两种系统间的共性及差异。模块在设计时首先需要考虑的问题应该是接口的选择问题，其既要具备与航空系统设备进行通信的接口一致，由于航空系统中设备采用的是FC接口，故此接口选用FC接口，同时还需要具备可以和PC机进行通信的接口，考虑到高传输速率的要求，舍弃了PCI主机接口，选择了PCIe主机接口。然而PCIe接口在PC机的环境下可选的封装形式仍有多种，最常使用的是金手指封装形式及PXIe封装形式，考虑到对运行可靠性的要求，应选择抗振动能力更强的PXIe封装形式。

2.1 硬件系统结构、工作原理及其实现方式

2.1.1 硬件系统结构

PXIe接口FC仿真卡模块的系统结构见图1。

图1 PXIe接口FC仿真卡模块硬件系统结构

性能指标如下：

? PC机自主供电

? 通信误码率小于10-12；

? 支持交换及点到点拓扑；

? 满足FC-FS及FC-PI协议要求，同时支持3类服务；

? 支持FC-AE-ASM协议；

? 支持Windows操作系统下的驱动程序及用户二次开发。

2.1.2 工作原理及其实现方式

PXIe接口FC仿真卡是以可编程逻辑器件为核心进行搭建，对外提供了1路4线的PCIe主机接口及1路FC通信接口，通过FC通信接口模拟航空系统中的FC通信节点。

2.1.2.1 FPGA选型及配置电路

可编程逻辑器件FPGA的选型时需考虑以下因素：

? 支持PCIe 主机接口；

? 具备高频的处理器硬核；

? 可以支持较大规模的逻辑体量。

最终PXIe接口FC仿真卡模块选用了XILINX公司的FPGA。FPGA可以采用的配置模式见表1。

表1 FPGA配置模式

[配置模式＼&M[2：0]＼&数据位宽＼&CCLK方向＼&Master Serial＼&000＼&1＼&output＼&Master SPI＼&001＼&1＼&output＼&Master BPI-Up＼&010＼&8、16＼&output＼&Master BPI-Down＼&011＼&8、16＼&output＼&Master SelectMAP＼&100＼&8、16＼&output＼&JTAG＼&101＼&1＼&input（TCK）＼&Slave SelectMAP＼&110＼&8、16、32＼&input＼&Slave Serial＼&111＼&1＼&input＼&]

PCIe 核的逻辑结构见图2所示。

图2 PCIe核的逻辑结构图

2.1.2.2 主机接口设计

PXIe接口FC仿真卡模块采用PXIe封装形式的PCIe接口。PXIe接口是在PXI接口的基础上发展而来的，PXI将PCIe集成到PXI标准中即为PXIe接口。由于PXIe接口是PXI及PCIe两者的结合，集成了两者的优点，首先在总线带宽等方面明显高于PXI，其次在物理抗振动干扰方面及使用寿命方面均优于金手指形式的PCIe接口。PXIe有3U及6U两种模型，目前PXIe接口FC仿真卡模块选用3U模型，具体详见图3。

图3 3U PXIe结构图

2.1.2.3 电源电路设计

PXIe接口FC仿真卡模块采用PC机PCIe接口提供的+12V直流电供电，经过电压转换器件产生所需的各种电压。其中需要注意的一点就是FPGA提供的高速串行I/O所需的电压。FPGA提供的高速串行I/O可以支持FC通信，高速串行I/O工作需要的电压需要良好的纹波特性，故需采用性能良好的电源模块。

2.1.2.4 时钟电路设计

PXIe接口FC仿真卡模块需提供FC工作所需的时钟。FC仿真卡模块的系统时钟由PC机主机的来提供。

2.1.2.5 复位电路设计

PXIe接口FC仿真卡模块的复位电路设计与一般模块复位电路设计基本相同，其中需注意就是需确保复位关系。

2.1.2.6 UART电路设计

PXIe接口FC仿真卡模块中的处理器提供1路UART用于调试，其通讯速率115200bps。UART采用FPGA内部UART控制器。

2.1.2.7 JTAG调试接口设计

PXIe接口FC仿真卡模块的FPGA自带JTAG调试接口，通过该接口可以对FPGA进行各项调试、资源测试及状态监控。

2.1.2.8 存储器电路设计

PXIe接口FC仿真卡模块的存储器包括SRAM、FLASH及PROM这3种，其中前2种可根据其对应软件的功能需求全部选用合适的外部存储器或部分选用FPGA内部本身的存储器实现，PROM存储器的电路设计需根据FPGA逻辑的功能需求，选用相应容量的PROM存储器。

2.2 软件设计与实现

PXIe接口FC仿真卡选择了FC-AE-ASM协议，FC-AE-ASM协议提供了基于FC-FS的通信协议，协议中消息的都是随机发出的，接收方无需关心数据来源进行数据采集，此种方式适合新一代航空电子系统内及系统间的通信。图4所示为FC仿真卡模块软件层次结构。

图4 软件层次结构

PXIe接口FC仿真卡最大的优点就是提供给用户根据自身的需求再模块本身的基础上进行再次开发的功能。

3 测试验证

测试验证是模块研制及批产过程中至关重要的一个环节。同时为了减少模块的隐藏故障概率，提高模块本身的可靠性，产品本身必须经过严苛的功能及性能拷机测试。PXIe接口FC仿真卡分别进行了功能测试及性能拷机测试，具体的功能测试项目包括：MAILBOX测试、交互区测试、FLASH测试、PROM测试、INTA测试、Timer测试、FC消息通信测试及FC实时带宽测试等，通过测试使PXIe接口FC仿真卡最大限度的得到验证；性能拷机方面，PXIe接口FC仿真卡分别与航电系统中的FC接口节点机及交换机进行了长时间通信拷机测试，从而为其将来的批产应用奠定了坚实的性能基础。

4 结束语

本文通过对PXIe接口FC仿真卡模块设计背景、设计理念、软硬件实现及其相关测试验证工作分别进行了介绍。通过介绍，进一步明确了光纤通道技术进行地面仿真的重要性及光纤通道在PC机Windows环境下的实现的可实施性。

参考文献：

[1] 张志.翟正军.李想.航空电子光纤通道协议分析与接口卡设计[J].测控技术，2010.

[2] 刘陈.FC-AE网络可靠性研究综述[J].电子技术，2013.

[3] 徐亚军.熊华钢.未来航电系统FC 互连的拓扑结构研究[J].电光与控制，2004.