基于FPGA的MIL-STD-1553B信号发生器设计与实现

刘良勇 王纬国

摘 要：为满足航空装备维修保障单位地面MIL-STD-1553B信号传输电缆检测需要，本研究设计一种手持式MIL-STD-1553B信号发生器。系统采用现场可编程门阵列（FPGA）芯片作为主控制芯片，对外部输入信号进行曼彻斯特编码，利用MIL-STD-1553B信号收发芯片HI-1573将编码结果转换成差分信号，经过变压器耦合成标准的MIL-STD-1553B总线信号。其中，外部输入信号为自产生信号、RS485接口输入信号和WiFi接口输入信号的一路。为满足便携式需求，本系统采用电池供电，并提供充电电路和电量显示电路，满足用户電量补充和电量监控需求。经验证，此系统作为总线控制器（BC）向远程终端（RT）发送信号，通过总线监控器（BM）监控，数据发送稳定可靠。最后，通过示波器对此系统产生的信号进行物理特性测量。测试结果表明，信号符合MIL-STD-1553B总线信号标准，满足电缆测试信号源要求，具有良好的应用前景。

关键词：信号发生器;曼彻斯特编码;现场可编程门阵列;HI-1573芯片

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0016-05

Design and Implementation of MIL-STD-1553B Signal

Generator Based on FPGA

LIU Liangyong WANG Weiguo

（State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu Anhui 247001）

Abstract： In order to meet the requirements of ground MIL-STD-1553B signal transmission cable testing for aviation equipment maintenance and support units， this research designs a handheld MIL-STD-1553B signal generator. The system uses a field programmable gate array （FPGA） chip as the main control chip to perform Manchester encoding on external input signals， and uses the MIL-STD-1553B signal transceiver chip HI-1573 to convert the encoding result into a differential signal， which is coupled to a standard MIL-STD-1553B bus signal through a transformer. Among them， the external input signal is one of self-generated signal， RS485 interface input signal and WiFi interface input signal. In order to meet the needs of portable， this system adopts battery power supply， and provides a charging circuit and a power display circuit to meet the user's power supplement and power monitoring needs. It has been verified that this system is used as a bus controller （BC） to send a signal to a remote terminal （RT）， monitored by a bus monitor （BM）， and the data transmission is stable and reliable. Finally， the physical characteristics of the signal generated by this system are measured by an oscilloscope. The test results show that the signal conforms to the MIL-STD-1553B bus signal standard， meets the requirements of the cable test signal source， and has a good application prospect.

Keywords： signal generator;Manchester code;FPGA;HI-1573 chip

MIL-STD-1553B总线是飞机内部时分制命令/响应式多路复用数据总线，它是20世纪70年代由美国公布的一种串行多路数据总线标准，被广泛地应用于飞机综合航电系统、外挂物管理与集成系统，并逐步扩展到飞机控制等系统及坦克、舰船、航天等领域[1]。

在航空装备保障单位地面MIL-STD-1553电缆检测过程中，为提高测试的覆盖率，要添加MIL-STD-1553信号源满足测试需求。目前，MIL-STD-1553信号发生器均采用知识产权（IP）核来实现，成本高且连接方式单一，由于不内置电池，需要外接电源才能工作，不便于携带。针对上述问题，本研究提出一种基于FPGA的MIL-STD-1553信号发生器，内置电池并可无线连接，方便外场使用。

1 系统总体概述

1.1 系统组成

本系统由充电电源管理部分、信号输入部分、FPGA最小系统和MIL-STD-1553B信号转换部分组成，系统整体框图如图1所示。其中，充电电源管理部分负责系统的充电管理和电源供应，FPGA最小系统为系统的处理中心，解析输入信号和曼彻斯特编码，MII-STD-1553B信号转换部分负责将曼彻斯特编码转换为标准的MII-STD-1553B信号[2]。

1.2 系统功能

本系统由4个按键组成，分别为电源按键、自发模式按键、串口模式按键和无线模式按键。电源按键轻触一下，系统电源启动，轻触两下，系统电源关闭;轻触自发模式按键，系统进入自发模式，同时自发模式指示灯亮起;轻触串口模式按键，进入串口收发模式，同时串口模式指示灯亮起，在数据收发过程中，数据传输指示灯闪烁;轻触无线模式按键，进入无线模式，同时无线模式指示灯亮起。

1.2.1 自发模式。在自发模式下，FPGA将自定的数据转换成曼特斯特码发送给MIL-STD-1553B收发器模块，MIL-STD-1553B收发器模块将曼特斯特码转换成低电压的MIL-STD-1553B信号，变压器将低电压的MIL-STD-1553信号放大成标准的MIL-STD-1553B信号给MIL-STD-1553B接口，实现产生MIL-STD-1553B信号的目的。

1.2.2 串口模式。在串口模式下，RS485接口接收计算机传输过来的RS485信号，RS485接口将RS485信号转换成晶体管-晶体管逻辑（TTL）电平并给FPGA芯片，FPGA芯片将反馈信号反方向传输给计算机，并将接收的数据转换成曼彻斯特码发送给MIL-STD-1553B收发器模块，MIL-STD-1553B收发器模块将曼彻斯特码转换成低电压的MIL-STD-1553B信号，变压器将低电压的MIL-STD-1553B信号放大成标准的MIL-STD-1553B信号给MIL-STD-1553B接口，实现产生MIL-STD-1553B信号的目的。

1.2.3 无线模式。在无线模式下，计算机和WiFi转WART模块进行连接，WiFi转WART模块接收计算机传输过来的网络信号，WiFi转WART模块将网络信号转换成UART信号并传输给FPGA，FPGA将反馈信号反方向传输给计算机，FPGA将接收的数据转换成曼彻斯特码发送给MIL-STD-1553B收发器模块，MIL-STD-1553B收发器模块将曼彻斯特码转换成低电压的MIL-STD-1553B信号，变压器将低电压的MIL-STD-1553B信号放大成标准的MIL-STD-1553B信号给MIL-STD-1553B接口，实现产生MIL-STD-1553B信号的目的。

2 系统硬件设计

系统的硬件由FPGA及其外围电路、充电和升压电路、DC-DC电路、WiFi转UART电路和MIL-STD-1553B转换电路等部分组成，硬件设计框图如图2所示。

2.1 FPGA及其外围电路设计

FPGA采用英特尔（INTEL）公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C5E144I7芯片，该芯片采用65纳米技术制造，具有94个I/O端口、22对差分对端口。FPGA最小系统及外围电路如图3所示。

2.2 充电和升压电路

充电和升压电路采用国产的英集芯的IP5207芯片，它是一款集成升压转换器、锂电池充电管理、电池电量指示的多功能电源管理系统芯片，只需要一个电感就能实现降压与升压功能，可以支持低成本电感和电容。IP5207芯片的同步升压系统提供1.2 A输出电流，转换效率高达93%。空载时，自动进入休眠状态，静态电流降至100 μA。IP5207芯片采用开关充电技术，提供1 A电流，充电效率高达92%。其内置集成电路（IC）温度和输入电压检测模块，自动调节充电电流[3]。充电和升压电路如图4所示。

2.3 DC-DC电路

DC-DC电路采用德州仪器（TI）公司的TPS82085SILR开关电源芯片，TPS82085芯片是经优化的3 A降压转换器模块，兼具小型解决方案尺寸和高效率优势。该模块集成有同步降压转换器和电感，可简化设计，减少外部元件并节省印刷电路板（PCB）面积。为了最大限度地提高效率，该转换器以2.4 MHz的标称开关频率工作于脉宽调制（PWM）模式，并且会在轻负载电流时自动进入节能工作模式。在节能模式下，器件的工作静态电流典型值为17 [μA]。TPS82085SILR芯片应用流程如图5所示。

2.4 WiFi转UART电路

该模块选用广州有人科技有限公司的超小尺寸WiFi模块USR-C215，实现TTL串口与WiFi的双向透明传输。C215是一款小尺寸、插针式WiFi模块，可以实现UART转WiFi双向透传功能;主频为166 MHz，尺寸小，便于嵌入开发;支持无线接入点（AP）、站点（STA）、AP+STA配网;支持有线等效加密（WEP）、WiFi访问保护（WPA）/WiFi访问保护Ⅱ（WPA2）安全加密传输;支持Httpd Client功能;支持简单AT指令集配置;支持注册包、心跳包机制。

2.5 MIL-STD-1553B转换电路

MIL-STD-1553B轉换电路采用HI-1573收发器，HI-1573是低功耗CMOS（互补金属氧化物半导体）双收发器设计，满足MIL-STD-1553B规范要求。每条总线的接收器部分转换MIL-STD-1553B总线双相差分数据到适合输入曼彻斯特解码器的互补CMOS/TTL数据中。每条总线的发射器部分取互补的CMOS/TTL曼彻斯特双相数据并将其转换为适用于驱动总线隔离的差分电压变压器的MIL-STD-1553B总线双相差分数据[4]。

3 系统软件设计

模块是在研究MIL-STD-1553B信号编码方式的基础上，通过FPGA芯片接受串口数据并解码，将解码的数据按照MIL-STD-1553B的BC编码特性进行编码，发送至上位机的1553B板卡。

3.1 软件总体设计

系统接收三个串口通道（WiFi转串口、RS485和自产生信号）发送过来的数据，并根据按键确定的接收通道进行接收，将接收的数据进行解析，将解析的数据按照MIL-STD-1553B总线的编码格式发送，从而实现信号发生器的作用。软件设计的总体框图如图6所示。

3.2 串口数据接收模块设计

串口数据接收模块的功能为接收3个输入通道的一路数据，按照事先设计的协议格式进行解析，提取出需要转码的MIL-STD-1553B数据。串口接收模块的设计原理为通过串口接收数据放入FIFO存储器，再从FIFO存储器中读取数据，通过FIFO存储器的数据数量判断一帧数据是否结束，从而计算出一帧数据的字节数，然后利用状态机解析出一帧数据里需要转码的数据。接受状态机如图7所示。

3.3 MIL-STD-1553B总线信号产生模块软件设计

MIL-STD-1553B数据总线采用曼彻斯特编码解码协议，以异步、命令/响应方式执行数据传输，采用半双工方式，其传输速率为1 Mb/s，曼彻斯特码与常用的不归零码（NRZ）的编码不同，在电路中，NRZ码的“0”用低电平表示;曼彻斯特码的“0”用由低到高的电平跳变表示。同理，NRZ码的“1”用高电平表示;曼彻斯特码的“1”用由高到低的电平跳变表示[5]。差分曼彻斯特码与不归零（NRZ）的波形对照如图8所示。

MIL-STD-1553B总线信号产生模块实现的功能为对从串口接收解析后的数据进行曼彻斯特编码，并按MIL-STD-1553B总线的BC端编码特性进行组合后串行输出。实现的原理是将解析后的串口数据按位进行编码，编码方式如下：当数据位为0时，编码为0与1，产生上升沿;当数据为1时，编码为1与0，产生下降沿，将20位的数据转换为40位数据待串行输出。串行输出的实现方式如下：按照MIL-STD-1553B总线的1 MHz速率计算，1位为1 μs，先通过锁相环（PLL）产生4 MHz频率的时钟，设计一个计数器，按照MIL-STD-1553B的BC发送周期和时间间隔在规定的计数时间段将编码的并行数据转换为串行数据[6]。数据发送流程如图9所示。

4 系统调试

本设计实现了基于FPGA的MIL-STD-1553B信号发生器，可实现三路输入信号的切换，将一路信号接收后进行解析和编码，通过1573芯片转换成MIL-STD-1553B信号。将信号发生器与北京石竹科技股份有限公司生产的1553B板卡进行连接，将1553B板卡作为RT端，上位机按照规定格式发送数据至信号发生器，1553B板卡接收的数据与上位机发送的数据一致，同时用示波器测量信号发生器输出信号的物理特性，波形满足MIL-STD-1553B信号标准[7]。MIL-STD-1553B信号图如图10所示。

5 结语

本文介绍了一种以FPGA为控制核心的MIL-STD-1553B信号发生器设计，该设计稳定可靠，内置电池，有自发、RS485和WiFi模式输入，使用场景灵活。此设计创新性地实现了MIL-STD-1553B总线的BC发送功能，便于接收端对MIL-STD-1553B信号物理特性和协议特性的验证。该设计最终利用1553B板卡和示波器进行了验证，信号稳定可靠，满足作为MIL-STD-1553B总线电缆检测的信号源要求[8]。本文提出的基于FPGA的MIL-STD-1553B信号产生器的设计方法通过了实际验證，为MIL-STD-1553B总线研究提供了有效的参考。

参考文献：

[1]江志东，霍立平，张弟，等.基于SoC芯片的1553B总线仿真平台设计与实现[J].电子设计工程，2020（24）：152-157.

[2]周勇军，郑永龙，张小辉.基于HI-1573的1553B总线通信模块的研制[J].测控技术，2018（1）：96-100.

[3]张子明，罗运虎，肖前贵，等.基于C8051F040单片机+BU61580架构的1555B总线通信接口模块的设计[J].测控技术，2013（12）：110-113.

[4]周勇军，周涛，罗运虎，等.关于反求1553B总线数据接口定义问题的评述[J].测控技术，2013（3）：70-73.

[5]罗运虎，吴传贵，王玮国，等.1553B总线监视器中数据存储规律的仿真与验证[J].测控技术，2012（11）：31-36.

[6]张吉康.基于FPGA的1553B总线远程终端设计研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院光电技术研究所），2019：9-16.

[7]潘亮，司斌，张从霞，等.基于FPGA的1553B总线曼彻斯特编解码器设计与实现[J].航空兵器，2018（2）：83-88.

[8]方晨.1553B总线协议控制器设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009：43-44.