1553B总线全仿真平台的研究与实现

徐 进，王静玲，王 礁

(西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048)

1553B总线全仿真平台的研究与实现

徐 进，王静玲，王 礁

(西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048)

为有效掌握1553B总线技术，培养总线系统和SoC芯片开发应用能力。介绍了一种基于HKS1553BCRT芯片的1553B总线全仿真平台的解决方案、硬件架构、软件设计，并进行了大量验证和结果分析。分析结果表明，该1553B总线全仿真平台功能完备、性能良好，可以满足全仿真平台的应用需求。1553B全仿真平台研究对推广1553B总线技术，以及SoC芯片的一些基本使用技巧具有良好的工程应用价值。

1553B总线；SoC芯片；全仿真平台

1553B总线标准是一种满足实时性、数据完整性和系统高可靠性要求的通用串行多路总线标准，每条消息最多包含32 Byte，采用合理的差错控制措施，即反馈重传方法，故障容错为典型的双冗余方式[1-2]。目前，1553B总线在航空、航天、舰船及车载系统综合电子系统中也得到了应用[3-4]。当前，在航空电子系统发展过程中，1553B总线技术方面的人才需求量越来越大，进而对培养1553B总线技术人才提出了新的挑战[5-7]。为了解决上述问题，采用先进的SoC技术，ARM嵌入式系统和1553总线技术来满足各种应用对1553B总线的需求[8-9]。通过研究HKS1553BCRT芯片的基本接口电路和1553B总线功能接口，根据SoC(System on Chip)芯片的体系架构特点以及1553B总线的技术特点，分别介绍了1553B总线全仿真平台的硬件、软件的设计与实现，并对其进行验证和测试分析，验证其可行性[10-11]。

1 全仿真平台硬件研究与实现

1553B总线全仿真平台实现了1553B总线BC/RT通信功能、UART通信功能、Flash存储电路功能、中断功能以及GPIO扩展等功能，满足实验仿真需求。其中主机接口电路采用FPGA芯片将PCI总线接口转化为USB接口，更便于应用[12]。1553B总线全仿真平台功能框图如图1所示。

1.1 电源电路

1553B总线全仿真平台采用电源适配器供电，供电电压为5 V，电流为3 A。1553B总线全仿真平台电源电路将外部电源引入的5 V电压进行电压转换，来满足不同电路对电压的不同需求。电源适配器分别经过电源芯片进行变化将5 V的电源转化为不同的电压需求：TPS75733芯片将5 V的电压转换为3.3 V的电压为整板主要工作电压；TPS75725芯片将5 V电压转换为2.5 V电压，为FPGA工作的辅助电压；TPS75718芯片将5 V电压转换为1.8 V的电压，为HKS1553BCRT芯片的内核电压；TPS74401芯片将5 V电压转换为1.2 V电压，为FPGA内核电压。

图1 1553B总线全仿真平台功能架构图

1.2 时钟电路

1553B总线全仿真平台的设计有4个晶振提供时钟源，时钟频率分别为33 MHz、12 MHz、3.686 4 MHz和50 MHz。其中 33 MHz为HKS1553BCRT芯片系统时钟，12 MHz为HKS1553BCRT芯片内部1553协议处理器工作时钟，3.686 4 MHz为HKS1553BCRT芯片内部UART控制器工作时钟。时钟频率为50 MHz的晶振为FPGA提供时钟源，为FPGA芯片内部逻辑工作需要。

1.3 1553B通信电路

1553B总线通信功能是1553B总线全仿真平台的主要功能。此功能的实现主要是HKS1553BCRT芯片高性能的1553B总线协议处理器功能。采用SoC芯片进行1553B总线驱动电路设计可以保证系统更加稳定、可靠，同时也大幅降低了功耗。1553B总线通信采用双冗余设计，电路包括1553B总线收发器，1553B总线信号耦合器以及1553总线线缆连接器。

1.4 UART通讯电路

HKS1553BCRT芯片支持两路UART接口，一般情况下一路用来通信，另一路用来调试。1553B总线全仿真平台将HKS1553BCRT芯片两路串口完全引出，为了满足不同通信方式的需求，设计将两路UART接口进行扩展为1路RS232、1路为RS422和RS485。RS232总线接口通过UART0引出，RS422和RS485通过UART1接口引出，为了避免RS422和RS485冲突，在外部用开关进行隔离控制。RS485是半双工通信，在收发器芯片配置有收发使能控制信号，由于HKS1553BCRT芯片UART控制器没有专门的控制引脚，所以需要借助1个GPIO端口来实现RS485的使能控制。

1.5 GPIO扩展

HKS1553BCRT芯片提供8路GPIO端口，每个GPIO端口可单独编程为输入、输出、三态。为了增加开发设计的丰富性，1553B总线全仿真平台设计时依托HKS1553BCRT芯片 GPIO功能进行多项扩展设计，包括LED灯控制、8段数码管控制、蜂鸣器控制和4×4键盘输入控制等扩展项。

1.6 USB扩展主机接口

接口转换通过一片FPGA处理器来实现，HKS1553BCRT芯片的主机接口连接至FPGA的IO管脚，FPGA通过内部逻辑来访问HKS1553BCRT芯片的主机接口。FPGA处理器与USB驱动芯片FT232H相连接，FPGA通过读写FT232H端口FIFO来与之交换数据。FT232H驱动USB接口通过USB传输线与PC机进行通信。PC机利用上位机软件通过USB接口与全仿真平台通信，实现全仿真平台的控制与上层开发。FPGA的作用就是通过内部逻辑，将通信数据分别转换为通信可以识别的编码形式。

2 软件实现

1553B总线全仿真平台软件分为3个部分：上层应用软件(MBI_APP)、驱动软件(MBI_DRV)、底层传输软件(MBI_IRAN)。其中MBI_APP作为上层应用软件安装在子系统主机上，提供给用户，并作为主机与用户之间的交互界面[15]。MBI_TRAN软件适驻留在MBI模块的Flash上，系统上电后SoC芯片会自动从Flash芯片加载MBI_TRAN软件并运行。MBI_TRAN软件主要实现响应系统应用发送的控制命令和和正常数据传输功能。MBI_TRAN软件包括MBI模块启动程序、主机命令响应模块、中断处理模块，传输软件组织结构如图2所示。

图2 传输软件组织结构

MBI_DRV作为应用软件和系统硬件资源的中间层，为应用软件提供访问系统硬件资源接口函数，为系统提供控制MBI模块接口和数据收发接口，其主要接口功能有：MBI控制接口、RTC控制接口、消息控制接口、系统控制接口、模块控制接口及终端服务程序，驱动软件组织结构如图3所示。子系统主机软件根据任务的需求通过调用标准程序实现1553B总线通信。子系统主机应用软件与MBI软件调用关系如图4所示。

图3 驱动软件组织结构

图4 子系统主机应用软件与MBI软件调用关系

3 验证及测试分析

首先需要对硬件部分进行验证，主要是对输入输出信号的电气特性进行验证。验证方法如下：设置1553B全仿真平台为BC工作方式，编程不断让其对外发送命令字。通过观察1553B总线全仿真平台经过变压器输出的信号与标准信号进行对比，得到如下验证结果：在变压器耦合方式下的峰峰之间的电压在18～27 V之间，上升下降时间(电平由峰峰值10%～90%的时间)，上下电噪声(上下电瞬间的输出)，过零点稳定性验证，终端验证数据的正负是否在500 ns、100 ns、1 500 ns、2 000 ns、2 500 ns、3 000 ns，输出波形畸变应<900 mV。验证结果均能满足1553B总线指标，说明硬件部分满足要求。

协议符合性验证，主要包含的验证项：指令的响应要求终端对所有的合法指令做出正确的响应；消息间隔要求最小间隔为 2.0 μs，有效指令字的间隔时间为2.0～6.0 μs，时间超过7.0 μs时，应作无响应超时处理； 传输速率应是 1.0 Mbit·s-1，用来发送编码数据的各个内部时钟的长期稳定性为 0.1%(即 500 Hz)；奇校验验证采用字的最后一位应用作前16位的奇偶校验，字长应为16位有效位加同步头加奇偶校验位，总共 20位；验证曼彻斯特型双相电平码的编码码间错误；验证同步头编码出现错误的检测能力；验证消息中数据字各种错误检测能力、验证方式指令错误检测能力。经验证明，1553B总线全仿真平台的协议符合性满足要求。设计完成的1553B总线全仿真平台能否成功通信是设计方案是否正确的关键。选取合适的两台PC机和设计完成的1553B总线全仿真平台组建了简易的测试平台，在PC机上安装ADS1.2和VC++6.0集成开发环境及Multi-ICE软件，和其他测试硬件包括ARM仿真器，1553B总线耦合器，终止器，1553B总线线缆及连接器等器件。设计测试典型的BC与RT通信，其他功能不在此赘述。在已有的测试平台上将待测试的1553B全仿真平台一端设置为BC(RT)工作模式；另一端设置为RT(BC)工作模式[16]。其中设置BC向RT发送的指令字为0x0821，数据字为0x0840，设置RT在规定的时间内响应的状态字为0x0800，通过测试可以观察其测试结果如图5所示。

图5 BC→RT发送的消息

结果分析，根据曼彻斯特II型码的编码方式把测试的波形图译码，分别为命令字0x0821，数据字0x0840和状态字0x0840，证实了BC数据发送成功，1553B总线全仿真平台返回状态字正确，数据传输正确。经过验证，总线的的所有终端均可完成独立RT、BC、BBC及MT功能设置，总线能完成所有消息传输机制的通信功能，如BC→RT、RT→BC、RT→RT等均能正常通信。

4 结束语

1553B总线全仿真平台采用先进的SoC技术和1553B总线技术，基于HKS1553BCRT芯片研究了1553B总线全仿真平台，对其硬件及软件进行了研究与实现，并对其进行了验证和初步的测试，验证了1553B总线全仿真平台的功能和性能满足要求，证明了1553B总线全仿真平台设计方案合理可行，具有进一步开发完善的潜力。1553B全仿真平台的研究能够促进技术工程人员使用ARM集成开发环境ADS1.2和VC++6.0环境开发实例，培养技术工程人员开发应用能力，其对1553B总线技术及SoC技术面应用发展提供了较好的平台，具有良好的应用前景。

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Research on and Realization of the 1553B Bus Whole Simulation Platform

XU Jin, WANG Jingling, WANG Jiao

(School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

A solution of 1553B bus full simulation platform based on HKS1553BCRT chip is introduced. The hardware architecture, 1553B bus simulation platform, and the software design are described in detail. The verification results show that the simulation platform offers comprehensive functions and good performance, meeting the requirements of the application of the simulation platform. The proposed platform has a good engineering application value in the promotion of 1553B bus technology and some of the basic skills of the SoC chip.

1553B bus; SoC chip; whole simulation platform

2016- 05- 09

国家自然科学基金资助项目(61401347)

徐进(1957-)，男，教授。研究方向：信号检测等。王静玲(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：信号检测等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.043

TN336

A

1007-7820(2017)03-157-04