基于复杂协议的硬件实装代理硬件设计

许文腾, 柳中华, 袁 刚

(92941部队93分队,葫芦岛 125000)

基于复杂协议的硬件实装代理硬件设计

许文腾, 柳中华, 袁 刚

(92941部队93分队,葫芦岛 125000)

现代战争特点是成体系作战,单一武器性能的检验试验已不符合潮流。检验武器装备体系对抗能力成为试验的关键,为了更好地完成海军武器装备试验任务,海军靶场需要充分调动现有资源完成任务。目前海军靶场拥有种类繁多的基于各类通讯协议的实物资源,为充分利用各种现有实装资源,开展虚拟资源与实际资源之间互操作,必须将现有各种实物资源进行标准化封装,采用软件或自动化接口技术,使其接口符合内外场联合试验通用规范,转换为靶场采用的试验体系结构中的试验资源。本文介绍了基于复杂协议的硬件实装代理总体设计,并详细介绍了各类接口的设计。

复杂协议; 硬件代理; 联合试验; 仿真

1 引 言

随着新军事变革的不断推进,未来作战形式的转变给武器装备提出了更高更新的要求,武器装备不仅要具有良好的战术技术性能,同时也必须具备充分的战场环境适应能力和装备体系整体对抗能力。因此新型武器装备能否在实战使用之前的真实作战能力和满足战场需求的程度做出全面的评价和鉴定,将在未来作战中对战局产生重大影响。为了能够在武器装备投入实战之前就准确掌握其真实作战能力和战争环境适应程度,比较合理的方法就是人为制造一个假设的战场对武器装备的作战使用性能进行试验与鉴定,也就是在近似实战条件下对武器装备进行全面的综合性试验,即作战试验[1]。内外场联合试验系统采用类似HLARTI的“发布—订购”数据交互机制和系统封装集成机制[2],将舰平台实装、外场电磁干扰设备、外场目标模拟设备以及靶场指控、测控系统整合到一个内外场合成的虚拟试验环境,利用“虚拟打靶”(也称“仿真交战”)方式开展舰载导弹全系统、全要素、全流程的内外场联合试验。为把现有资源整合在一起就需要有代理设备,而本文主要对硬件代理进行了设计。

2 基于复杂协议的硬件实装代理总体设计

整个内外场联合试验系统由多台计算机或其他资源通过网络连接组成,连接的资源都可以

作为一个独立成员加入系统,成员之间通过用中间件进行资源对象的订购发布机制来实现数据交互,每个成员都能独立地向其余成员进行对象或属性的订购与发布,通过硬件实装代理的实物资源作为试验系统中独立成员。实物资源通过硬件实装代理参与试验的方式如图1所示。

图1 实物资源通过硬件实装代理接入试验系统示意图Fig 1 Actual resources connection with test system via hardware agent of real weaponry

硬件实装代理的总体方案如图2所示。

图2 硬件实装代理总体方案框图Fig 2 Outline design for hardware agent of real weaponry

硬件实装代理集成了1553B、RS422/485、ARINC429、CAN总线和网络接口这5种通讯接口,实物资源向试验系统发送状态参数时,将这些数据按照相应的通讯协议发送给设备相应的通讯模块,通讯模块对接收数据进行解析得到硬件协议格式的有效数据。

不同通讯模块解析出的数据以32位、16位、8位等不同数据长度进行缓存,多种数据长度导致以字节为单位的协议识别不方便进行。因此,设计数据拆分模块,将这些数据先拆分成单个字节,然后送入协议识别模块。协议识别模块将数据与事先存储的协议帧头内容进行并行匹配,查找源协议号,识别成功后,输出中断通知信号,通知协议转换模块到相应地址读取数据和源协议号。

协议转换模块和中间件模块是整个硬件实装代理的核心功能模块。协议转换模块通过对协议数据进行元素值提取和函数处理等操作,完成实物资源的硬件应用协议和试验系统的对象模型之间的相互转换。中间件模块提供加入退出系统、订购发布数据等中间件的基本功能,支持硬件实装代理作为独立设备加入试验系统进行数据交互。同时,中间件模块还负责整个设备的线程调度、命令对应、命令分发和状态监测等,是整个设备的控制器。

协议加载模块用来加载对象和协议关联文件,对象和协议关联文件里描述了硬件协议和对象模型各自的格式以及他们之间的映射关系,协议转换需依照这个映射关系进行。协议存储模块用来存储对象和协议关联文件,硬件实装代理上电复位后将从协议存储模块里加载关联文件,这样只要硬件协议和对象模型之间的对应关系不变,就不用重新从上位机加载对象和协议关联文件,减少内外场联合试验创建流程,提高试验系统构建效率。

3 硬件电路总体设计

硬件实装代理的硬件电路如图3所示,硬件实装代理需要通过以太网接入试验系统,因此设备硬件设计了以太网络接口。同时为了同实物资源进行通讯,板卡需要集成1553B、RS422/485、ARINC429、CAN总线和网络接口等接口电路[3-5]。因为通讯协议接口通常采用FPGA+电平转换芯片或协议芯片来实现,所以板上需要集成FPGA等可编程逻辑器件,同时硬件方式实现协议识别也可以采用逻辑电路的设计。板上的主处理器选择用DSP,其内部实现协议转换和中间件功能,这要求处理器芯片有较强的数字信号处理及算法能力,并且支持实时操作系统和多线程运行。设备上还有一般板卡上常用的硬件资源,如电源、时钟、复位电路、SDRAM以及FLASH等。

图3 硬件实装代理硬件框图Fig 3 Hardware structure for hardware agent of real weaponry

选材上,DSP设计选用美国德州仪器(TI)的TMS320DM642芯片,该芯片性能优秀,支持32位定点运算,有丰富的硬件资源,支持多重外围接口,能运行实时操作系统DSP/BIOS,可以满足需要。FPGA方面,选用Altera公司的Cyclone V系列芯片中的EP5CFC7C6F23I7,它比前几代Cyclone系列芯片功耗更低但性能更高,内部能实现多种知识产权模块(IP核),尤其是千兆以太网的模块,配合FPGA的使用,选择128Mb的EPCS128配置芯片,用于存储FPGA逻辑。另外还选用32MB SDRAM和2MB FLASH作为存储器芯片,SDRAM用于程序和数据的缓存,FLASH用于保存DSP程序及相关配置文件,包括对象和协议关联文件。

4 接口电路设计

4.1 RS422/485接口电路设计

RS422和RS485的电路原理基本相同,主要区别是接口信号电平标准和收发模式不同,RS422的共模输出电压为-7V至+7V,而RS485的共模输出电压为-7V至+12V,RS485的电压能完全兼容RS422,因此,在硬件代理电路设计中两者使用同样的电平转换芯片,MAXIM公司的MAX485。

RS422通信方式为全双工通信,而MAX485芯片工作模式为半双工,因此RS422的一个通道需要两片MAX485芯片。RS485为半双工通信,一个通道只需要一片MAX485芯片,设计的RS422/485复用电路如图4所示。

图4 RS422/485复用电路硬件连接图Fig 4 Hardware connection for composite circuit ofRS422/485

这个电路采用两片MX485实现了一个通道RS422和一个通道RS485的复用。MAX485有两个使能端/RE和DE端,当/RE为低电平输入时,器件工作于接收状态;当DE为高电平输入时,器件工作于发送状态。因此,从FPGA输出485CTRL控制信号到/RE和DE端,通过485CTRL信号的高低电平变化控制MAX485在发送和接收状态之间的切换,这样即可实现一个通道RS485的半双工通信。当作为RS422模式工作时,485CTRL固定输出高电平,使该MAX485芯片作为RS422的发送端,它的输出引脚和RS485的输出引脚复用。另外一片MAX485作为RS422的接收端,将/RE和DE端固定接地,这样实现了一个通道RS422的全双工通信。

选用HCPL0631和HCPL063L芯片,对通讯信号与FPGA进行隔离。这两款光电耦合器具有良好的抗共模干扰能力,并支持高频的信号传输。采用光耦隔离的设计既能保护设备的控制电路,又不影响数据传输,增加了系统安全性和稳定性。

4.2 1553B接口电路设计

1553B接口电路采用如图5中的FPGA+驱动芯片的设计,这种设计在FPGA内实现1553B的协议处理器、曼彻斯特编码器和接口逻辑等,配合驱动芯片完成1553B的接口功能。较使用专用的协议芯片实现1553B接口功能,这种方法成本更低,而且系统灵活性更强。1553B接口和总线电缆的连接方式有两种,直接连接和隔离连接,相比之下,采用隔离变压器和耦合变压器的隔离连接的方式比直接匹配的方式更有利于阻抗匹配和故障隔离,因此选择隔离连接方式。驱动芯片选择HOLT公司的HI-1573,这款芯片功耗低,支持1Mbs通信码率,满足标准1553B总线协议规定,是符合1553B特定要求的双路收发器。1553B采用双冗余模拟收发通道设计,这种设计保证1553B接口通信时具备良好的容错性,因此有模拟通道A和模拟通道B,每个模拟通道通过隔离变压器B_3067和66针连接器相连。

图5 1553B接口电路硬件连接图Fig 5 Hardware connection for 1553B

4.3 ARINC429接口电路设计

ARINC429也采用FPGA逻辑实现协议编解码和收发控制,其接口电路设计如图6所示。ARINC429协议传输采用双极型归零的三态码方式,用双绞屏蔽线的两数据线间的差分电平来表示数字信号的‘高’、‘零’和‘低’,两线电平为+5V和-5V时表示‘高’,‘低’时正好相反。数据线上的±5V电平和FPGA所采用的3.3V TTL电平不兼容,因此ARINC429接口电路也需要使用电平转换芯片。电平转换芯片选择HI-8444和HI-8585。HI-8444是接收芯片,提供4路接收通道,将接收到的ARINC429的±5V电平转换为3.3V TTL电平。HI-8585是发送芯片,将FPGA发送的3.3V TTL电平转换为±5V电平,使用2片HI-8585。为了保护电路和避免共模干扰,ARINC429接口设计中也采用HCPL0631和HCPL063L芯片进行光耦隔离。

图6 ARINC429接口电路硬件连接图Fig 6 Hardware connection for ARINC429

4.4 CAN总线接口电路设计

CAN总线的电路设计和前面的RS422/485、1553B和ARINC429电路不一样,使用专门的协议芯片实现CAN协议,协议模块不在FPGA内部实现,因此FPGA的逻辑模块比较简单,只需要有控制部分逻辑。CAN总线接口电路的设计如图7所示。

图7 CAN总线接口电路硬件连接图Fig 7 Hardware connection for CAN bus

协议芯片选择独立的CAN控制器SJA1000,这款芯片在内部实现了CAN协议的物理层和链路层,配合CAN收发器接口芯片82C250,能实现完整的CAN2.0B协议。82C250通过两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,接收数据传输给SJA1000,SJA1000根据指令,将数据按照CAN协议格式编解码,FPGA通过地址数据复用线和控制线对SJA1000进行指令控制和数据收发。因为SJA1000工作电压为5V,和FPGA的3.3V TTL电平不兼容,所以FPGA和SJA1000之间的地址数据信号和控制信号需经过转换器IDT74FCT164245进行电平转换。CAN接口设计中也采用HCPL0631和HCPL063L芯片进行光耦隔离,保护电路避免共模干扰。

4.5 DSP网络接口电路设计

和试验系统连接的网络接口电路采用了DSP+以太网PHY芯片的设计,具体电路连接如图8所示。板卡上所采用的高速DM642 DSP芯片内部有一个符合IEEE 802.3标准的10/100Mbs以太网接口EMAC,它实现以太网通信的数据链路层,而物理层采用专门的PHY芯片实现。EMAC接口和PHY芯片之间则通过介质无关接口MII进行连接,MII接口包括数据接口和管理接口,数据接口是用于发送器和接收器的两条独立信道,管理接口用于监视和控制PHY芯片。因为MII接口的通信速率为25Mbs,所以DP83640接入25MHz无源晶振作为参考时钟。PHY芯片和网口插座之间采用两对差分信号线进行数据交互。为了实现设备通用化,PHY芯片选用National Semiconductor公司的DP83640,它支持最高100Mbs的以太网通信。网络的物理接口选用E型网口插座HR911105A,它内部集成了网络变压器和RJ45接口和状态指示灯,方便观察接口工作状态和调试。

4.6 FPGA网络接口电路设计

因为DM642提供的EMAC接口只能用于实现一个网络接口,因此和实物资源的网络接口采用FPGA+以太网PHY芯片的设计,具体电路连接如图9所示。这个设计中以太网通信的数据链路层在FPGA内实现,物理层还是由专门的以太网PHY芯片实现。FPGA和PHY芯片之间采用比MII接口速率更高的GMII接口,它的工作时钟为125MHz,时钟的每个上下沿跳变都发送4比特的数据,因此能实现最大1000Mbs的传输速率。GMII也分为数据接口和管理接口,能兼容MII的工作方式,在以GMII模式工作时,PHY芯片由FPGA提供125MHz时钟,以MII模式工作时,PHY芯片需要自己提供25MHz时钟,因此接入25MHz无源晶振作为参考时钟。PHY芯片和网络物理接口之间通过4对差分信号线连接,传输效率远高于两对信号线。该方案中选用的FPGA芯片EP5CFC7C6F23I7内部能实现Altera公司的三速以太网IP核MAC Function,这个模块提供符合IEEE 802.3标准的三速以太网数据链路层接口,支持最高达1000Mbs的以太网通信速率。PHY芯片的选择上,选择Marvell公司的千兆以太网PHY芯片88E1111。网络的物理接口选用HFJ11-1G02E,它内部集成了网络变压器模块和RJ45接口。

图9 FPGA网络接口电路硬件连接图Fig 9 Hardware connection forFPGA network interface

5 小 结

硬件实装代理采用DSP+FPGA架构,实现了1553B、ARICN429、RS422/485、CAN以及网络的物理接口;通过FPGA内部逻辑设计实现了通讯数据帧自动识别;利用DSP内部嵌入式软件实现了通讯协议的自动编解码,实现了中间件的标准化接口。

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许文腾 男(1986-),山东荣成人,工程师,研究方向为导弹武器系统仿真。

柳中华 男(1978-),湖北武汉人,工程师/主任,研究方向为导弹武器系统仿真。

Hardware Design for Hardware Agent of Real WeaponryBased on Complex Protocols

XUWenteng,LIUZhonghua,YUANGang

(Unit of 92941,Huludao 125000,China)

The characteristic of modern war is system-of-system.A single weapon performance inspection test is not conforming to the trend.Inspection equipment system against ability becomes the key to test,in order to better complete the naval weapon and equipment test task,naval range needs to give full play to existing resources to complete the task.Naval range owns a great variety of real object resources according to each kind of communication protocol.For making full use of various existing resources and mutual operation between virtual resources and actual resources,technology of software or automation should be employed to make the actual resource interface according with the standard of infield and airfield joint test.Therefore,these actual resources are converted to test resources based on the test architecture used by range.Outline design for hardware agent of real weaponry based on complex protocols is introduced,the design for each kind of interface is stated in detail.

complex protocols; hardware agent; joint test; simulation

TP 391.9

A