（控制理论与控制工程专业论文）车载系统中milstd1553b总线接口的设计.pdf

南未挫丁，、学圳h 2k 摘要 现代汽车由于装备了大量的电子设备来满足排放，安全等要求，若采用常规4 7 , ；j j 点 的方式，势必造成导线数量不断增加。为了减少车身线束，使用基于系统，e 2 , 线方式可以 有效地将各个控制系统连接成为一个综合的系统，可以使汽车性能得到大幅度提高。 m i l - s t d 1 5 5 3 b 作为国际广泛采用的多路数据，e 2 , 线标准，具有可靠性高、速度快、双冗 余等特点。m i l - s t d 一1 5 5 3 b 在航空等许多军事领域被广泛使用并己逐渐进入非军事应用 领域，将m r l ，一s t d 15 5 3 b 网络融合到车电、车通系统中成为该综合系统的一部分，可 以使汽车系统性能进一步提高。 针对此背景，本文在研究m i l s t d 1 5 5 3 b 总线协议的基础上，提出了 m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线接口控制器的，e 2 , 体设计方案。根据项目要求，本文完成了以下工作： f 1 ) 阐述m i l ，s t d 一1 5 5 3 b 总体设计与组成。 f 2 ) 利用f p g a 和q - i d l 语言实现曼彻斯特码编码、解码技术以及m i l s t d - 1 5 5 3 b 基本逻辑接口。 f 3 ) 根据m i i 。一s 1 1 d 一15 5 3 b 网络协议，利用a r m 控制器编程，实现数据存储和总线 协议，并满足远程终端、总线控制器、总线监视器的接口要求。 关键阏：m i ，一s t i ) 一1 5 5 3 b ，f p g a ，v b i d l ，曼彻斯特码，a r m 、ab s t r a c t 顺h 象迂 t h e1 1 1 0 d e l l l la u t o m o b i l ea q u i p cag r e a td e a lo i e l e c t r o n i c se q u i p m e n t st os a t i s f yt i l e i e q u e s t n l e l l o f 、e x h a u s a n ds a f b l y 、w ca d o p ti l o i t l l a r e g u l a t i o n so f o r d e r t oo l d ez ；i tw i l tl e a d t ot i l eq u a n t i t yo fl i n e sj n c l c a s ec o n s t a n t l yi l lc , r d e rt or e d u c et h el i n e sw h i c hj 1 1t h ea u t o l n o b i l c ， a d o p t i n gb u sm e t h o dt oc o n j u n c le a c hc o n t r o ls y s t e mt oas 3 a l t h e s i z e ds y s t e m t h i sm e t h o dc a l l r i s et h ef u n c t i o no t t h ea u t o m o b i l e m i i 。一s 1 1 1 d 一1 5 5 3 3i sa l li n t e m a t i o n a l w i d e l y u s e d m t d t i c h a n n e ld a t ab u ss l m 1 d a r d ，i th a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l yc r e d i b i l i t y , h i g h l ys p e e d a n dd o u b l er e d u n d a n c ym i i ，- s 1d 一1 5 5 3 bh a sb e e nu s e di na v i a l i o nf i e l da n dg r a d u a l l ye n t e r e d i n t on o n l n i l i t a r ya p p l i c a t i o n m a k i n gt h em i i ，一s7 i 、i ) 一i5 5 3 1 3n e t w o r kl ot h ec a re l e c t r o n i c s s y s t e ma n dt r a h i cs y s t e ml o b e c o l l l co l l cp a r to ft h i ss y n t h e s i z e ds y s t e mc a l lp l o n l o t ct h e f u l l c l i o no f t h ea u t o m o b j j ef u t h e l ： 3 a s e do i lt h es t a t u sl i k et h i s ，a f t e rs t u d y i n gt h em i i ，- s i 、d 一15 5 3 1 3p r o t o c o l ，t h i sp a p e l 。p l d f o r w a r dap 叫e c to fd e s i g n i n gt h ew h o l ei n t e r p a c ec o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h e p l - e l e e l ，l h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n e ： 1 ) d i s c u s s e di j l ew h o l ed e s i g na n dc o m p o s i n go fm ll 。一s 一1d 一15 5 3 1 3 ( 2 ) u s e dt h ei 巾g aa n dv h d ll a n glu a g et ol 。e a l i z ec o d i n ga n dd e c o d i n g0 1 m a n e h e s e t e r c o d ea n dp t i m a r yi n t ez f a c el o g i co f15 5 3 bb u s ( 3 ja c c o r d i n gt ot h en e tp r o t o c o l so f m l l - s i d 一1 5 5 3 b ，1u s ea r mp r o g r a n m l et or e a l i z e d a t as t o r a g en l a n a g e m e n la n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，w h i c hr e a l i z e st h er e m o t e 【 t i l l l i l l a lf j 【1 s ( 、o i l r o l l c ra 1 1 i jbl i sm o n i t 0 1 k e y w o r d ：m i i ，s ，1 1 i ) 一15 5 3 b ，f p g a ，v 1 1 i ) i 。，m a n c h e s c t e rc o d e ，a r m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名年月日 堕皇型! 叁堂堡! ：丝兰 。! 茎墨竺! 塑! 生! ! 旦：! ! 塑! 璺垡堡坚箜丝生 1 绪论 1 1 研究背景 现代汽车出于装备了大量的电子设备来满足排放、安全、在线诊断等要求，若采用 ，常规点到点的方式，直接把1 2 v 2 4 v 电源连接到负载设备上。势必造成导线数量不断增 - 加。此外，这些电控单元不仅与负载设备简单连接，更多的是进行一些复杂的控制决策 运算，需要不同的电控单元之间能进行信息交流，彼此影响，这些不是通过简单的连接 所能实现的。为进一步减少车身线束，方便故障诊断，满足主要电子单元或系统之问大 量数据信息实时交换的需要，使汽车各方面性能趋于最佳状，奁，基于系统总线的方式可 以有效地将各个控制系统连接成为一个综合控制系统，使汽车性能得到大幅度提高。 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司8 0 年代初 为解决现代汽车中众多的控制器与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行通讯协 议，其通信速率可达1 m b p s ，作为一种可靠性高、功能完善、成本合理的网络通信控制 ”方式。c a n 总线逐步被广泛应用到各种控制领域i t 。 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 又称1 5 5 3 b ，该总线标准是为数据总线定义的军方标准。这种数据 总线为各种系统之| h j 数据和信息的交换提供媒介。m i l - s t d - 1 5 5 3 b 数据总线系统具有运 行的可检澳0 性、较高的综合性能和可靠性等优势因而得到美国三军的普遍承认，成为一 种国际性的航空航天总线标准，被广泛运用在许多军事平台上并逐渐进入非军事上的一 些应用领域1 2 l 。将m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线运用于现代车辆电子系统中可以更好地发挥其高 可靠性、稳定性并能和c a n 总线形成互补。 1 2m i l - s t d - 15 5 3 b 总线国内外的研究现状 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，航空电子系统由一些简单的相互独立的分系统组成，导航、 通信、飞行控制和显示等分系统都是模拟系统，它们之间的联系是点对点的配线连接， 信号主要为模拟电压、同步信号和开关信号。随着分系统不断增加，驾驶舱越来越棚挤 配线变得越束越复杂，航空器越来越重。从2 0 世纪6 0 年代后期丌始，共享信息，减少 设备数量显得非常必要。一个传感器信号需要提供给导航系统、武器系统、飞行控制系 统和驾驶员显示系统。然丽，航空电子设备仍然是模拟的，共享传感器虽然减少了设备 数量，但是连线和连接器还是很复杂，该时期的系统连接如图1 2 1 所示。7 0 年代后期， 航空电子系统采用了数字计算机技术。出于技术的进步和微处理器的出现，数字设备之 日j 使用了数据传输，所以较大程度提高了传感器信息的共享程度。数字信号的双向传输、 i 绪论倾f 。论义 串行传输，使得设备之间、系统之阿的互相联络变得简单。但是这种“简单”并不那么 完备，由此显示出了共享数据传输介质( 数据总线) 的必要性，这个时问系统的连接如 图1 ，2 2 所示。总线上的设备和系统需要按一定的规则使用总线，刁；同设备之矧的通信应 当占用不同的总线时j b j ，m 1 1 ，s t d 一1 5 5 3 b 定义了1 5 5 3 b 总线时分多路复用( t d m ) 舰 则。 一s 一m n ，s n ) 一1 5 5 3 b 标准的出现使得m i l - s ，l d 1 5 5 3 b 总线可以广泛用于卫星、航天飞 机，国际空间站、大型运输机、空中加油机、直升机等等。除此之外，海军把 m i l s l r i ) - i5 5 3 b 总线应用于水上舰艇和水下潜艇；陆军除直升飞机外，m i i ，s t i r ) 一1 5 5 3 1 3 总线还用在坦克和其他战车上。目前，m i l s t d - 1 5 5 3 t 3 总线由于其高稳定性、双冗余等 特点，讵逐渐运用于非军事领域凡 i 茎i1 2 i 简单系统配置幽 幽1 2 2 共事传输介质系统配置圈 m i i ，s t d 一1 5 5 3 b 总线接口板是实现航空电子综合化系统的关键部件。主要完成总线 的信息综合，资源共享，任务协调和容错重构。早期的m 1 1 ，s t d 一1 5 5 3 b 总线接口板主 要是以美固的s c m 公司的c o m t 5 5 3 b ，u t 公司的u t l 5 5 3 b 协议为主，进行接口板的 设计。这样设计的接口板要加许多硬件电路。故集成化程度还不是太高，电路复杂、工 作效率低、功能少，不易实现小型化给系统带来许多不便。支持该标准的协议芯片有一 糸罗u ：b i j 6 5 1 7 1 ，b u - 6 1 5 8 5 ，b u 一6 1 5 9 0 和b u - 6 5 6 2 0 等。上个世纪9 0 年代仞，美国的 d d c 公司推出了新型高级仂议处理芯片b u 一6 1 5 8 0 协议芯片，吹协议芯片不仅完全满足 南京理t 人学颇i 论文 中载系统中m i l - s t d - i5 5 3 b 总线接l j 的设计 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 标准，而且可以作为b c ，r t ，m t 实现完成航空电子综合化系统的功 能，使用方便灵活、可靠性高，可与计算机接口适用于个人计算机和兼容机。 目前，m i ls q ) - 1 5 5 3 b 已经被我国多种军用飞机选为通信总线标准，由于其性能优 异，航天系统卫星等越来越多采用m i l - s 7 f d - 1 5 5 3 b 作为通信标准。我国对 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线接口也有一定的研究和应用。例如：1 5 5 3 b 仿真系统总线控制软件 设计；1 5 5 3 b 数据总线设计；基于1 5 5 3 b 多路传输数据总线的分布式多机系统：1 5 5 3 bp c i 卡和1 5 5 3 b 总线的v x i 模块设计，但它们基本都是采用美国的专用接口芯片。国内研制 的接口葛片，体积较大，通信协议支持不完全，不能同时具备b c r t m i 多个功能，实 际应用受到限制。 1 3 论文研究的意义和内容 m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线和c a n 总线都是传输率高、实时性能较好的总线。c a n 总线 相对于m m s 1 1 ) - 1 5 5 3 b 总线的优点在于：m i l - s t d 一1 5 5 3 b 为指令，响应型总线，网络上 任一次数掘传输都是由主结点发出命令开始，从节点接到命令后以相应的方式传给主节 点，这使得网络数据传输率降低。然而，c a n 总线仍然存在不少不足，例如它无法和 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线一样给出一个比较确定的响应时间，而且没有双冗余或多冗余结构 设计，这使得它可靠性不如m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线。在车电、车通系统中加入 m i l - s 1 1 ) - 1 5 5 3 b 总线可以和c a n 总线形成互补，使系统更加稳定、更加可靠。然而， m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线接口技术长期以来一直是国外占领先地位，目前国内使用的 m i l - s 1 7 3 1 5 5 3 b 协议处理器的专用芯片均是从国外厂商购买的，如s m c 公司的 c o m l 5 5 3 b 、i n t e l 公司的m 8 2 5 5 3 、d d c 公司的a c e 系列总线通讯终端接口控制器。 在以往国际形势紧张的时候，这些芯片还被禁运。由于关键技术掌握在国外少数公司手 中，所以设计具有自主知识产权的控制器对于国防建设有着非常重要的意义。另一方面 运用f p g a 实现m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线的硬件部分，a r m 控制嚣实现m ，s t d 一1 5 5 3 b 总线的协议部分也可以有效的降低生产成本和缩短设计周期。 本文根据对m i l - s t d 一1 5 5 3 b 协议的深入研究，设计了基于f p g a 和a r m 控制器的 m i l - s t d ，1 5 5 3 b 总线接口电路。研究了用f p g a 和v i t d l 硬件描述语言解决曼彻斯特 编码，解码的技术方法，运用p l g a 技术实现m i d s t d 1 5 5 3 b 总线接口的基本接口逻 辑的技术。根据m i l s t d - 1 5 5 3 b 褶关协议，利用a r m 软件编程，实现数据存储管理和 通信协议。实现总线控制器、远程终端、总线监视器的接口要求。在总线驱动电路部分， 采用i l l - 1 7 5 0 s p l 作为m 1 1 ，s t d - 1 5 5 3 a b 总线收发器。完全满足变压器耦合方式的总线 驱动要求。 4 绪论形 i + 论史 1 4 本章小结 本章先介绍了论文的研究的背景、m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线国内外的发展，然后又介绍 了论文的研究意义以及论文研究的主要内容。 南京理t 人学烦f ：论文 乍载系统中m i l ，s 1 d - 1 5 5 3 b 总线接u 的i ； 汁 2 - i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线简介 i 、。” 2 1m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线概述 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 是一个关于数据总线电器特性和协议规范的军事标准它的全称为 “飞机内部时分制指令响应型多路传输数据总线”，这个标准规定了飞机内部数字式的 命令响应时分制多路数据总线的技术要求，也规定了多路数据总线的操作方式和总线上 的信息流的格式以及电气要求。其作用是提供一个在不同系统之问的传输数据和信息的 媒介。山于m r ，s t d 1 5 5 3 b 传输速率高，设备之问连接简单灵活，噪声容限高，通信 效率高而且可靠性高，为美军所采用。美军方将其作为机载设备相互通信的总线标准。 在b 5 2 a 1 0 ，f 1 6 等各种型号的飞机上使用，后来还应用到舰船和坦克上。而且出于其 显著的优越性被多个国家采用。我国也参照m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线协议制定了航空总线 标准。从推出到现在，m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线技术在不断改进。目前m i l s t d - 1 5 5 3 b 总 线已经成为在航空航天领域占统治地位的总线标准田。 、 m i i ，s t d ，1 5 5 3 b 数据总线传输速度为l m b p s ，字的长度为2 0 b i t ，数掘有效长度为 1 6 b i t ，信息量最大长度为3 2 个字，传输为半双工方式，传输协议为命令响应方式，故 障容错为典型的双冗余方式，第二条总线处于热备份状念；信息格式有b c 到r t 、r t 到b c 、r t 到r t 、广播方式和系统控制方式：能挂31 个远程终端，终端类型有总线控 制器( b c ) 、远程终端( r ：r ) 和总线监视器( m t ) ；传输介质为屏蔽双绞线，m i l 广s 1 d 1 5 5 3 b 总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合。在信号传输方面，m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线传输的 是曼彻斯特n 型调制信号 7 j 。 2 2 典型m i l - s t d 1 5 5 3 b 系统组成 ； m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线由四种基本硬件组成：传输介质即总线和短截线、总线控制器 ( b c ) 、总线监视器( 仃) 、远程终端( r t ) 。下面主要介绍总线控制器( b c ) ，总线监 视器( m t ) 、远程终端( r t ) 的功能和用途吼 n一 总线控制器负责数据总线上数据流动的方向。当几个终端都可以当傲总线控制器使 用时，某个时刻只允许一个被激活。总线控制器向总线上送出数据传送命令、总线控制 和管理命令。总线控制器的功能通常由指控计算机、显示处理机、或者火控计算机来完 成。总线控制器的结构有三种类型：字控制器、消息控制器和帧控制器。标准仅规定了 送到总线上的命令，而没有对总线控制器内部如何工作做出规定。帧控制器是总线控制 器的最新概念，随着微处理器和专用集成电路的出现，这类控制器发展很快，它能够处 5 2m i l - s t i ) 1 5 5 3 b 总线简介 硕士论文 理的信息帧内容较多，帧结束或错误发生时可中断计算机，有效地减轻了予系统的负担。 总线监视器是一个监视数据总线上信息变化的终端。总线监视器可以收集总线上所 有数据，也可以有选择的收集。总线监视器分成两类：一类仅有监视、记录功能，另一 类除监视、记录功能外，还是一个备份的总线控制器。总线监视器在收集数据的同时， 还必须像r t 一样完成信息的确认。如果检测到错误，应通知有错的子系统。 ，远程终端在i v f l i _ , - s t d - 1 5 5 3 b 标准里面被规定为：“所有的终端不完成总线控制器或 总线监视器的功能”。远程终端包含一个接口模块，负责总线和子系统之间的数据传输。 子系统是信息的发送者和信息的接收使用者。m i l - s t d - 1 5 5 3 b 在早期应用中，r t 主要 被用来进行模傲、数膜转换。由于数字化的迅速发展，当今有的r t 已经嵌入子系统之 中。图2 2 1 表示了不同情况( 嵌入、非嵌入) r t 。一般由收发送器、编码，译码器、协 议控制器、缓冲存储器或存储器、以及子系统接口组成。在双冗余系统中要有两个收发 器、编码译码器。应该指出，r t 可以寻址存储器，实现存储器共享。r t 除了必须进行 数据传输以外，还必须能够缓冲有用的数据、检测传输错误、确认有效数据和报告信息 传输的状态。r t 必须遵循标准规定的协议，只能接收来自总线控制器的命令。 可选 的冗 余总 线 圈2 2 1 典型m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线系统组成图 m l - s t d - 1 5 5 3 b 是种面向消息的通信协议，是一个比较完善的标准。其基本特点 如- - f m ： ( 1 ) 强调了整个系统的实时性：即传输了一个固定不变的消息所需的时间要短。 m i l - s t d 1 5 5 3 b 中规定了码率为i m 研, s ，虽然与高速数据总线的速度相比较 低，但较一般的通讯网高。 ( 2 ) 由于是以总线形式为其拓扑，因此对于总线效率的要求比较高，为此规定了设 计总线效率指标的某些强制性要求，即指令响应时间，消息间隔时间以及每次 6 南京理t 人学颂i ：论文 乍载系统中m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线接u 的i 5 计 消息传输的最大和最小数据块长度等。 ( 3 ) 为保证数据传输的完整性，在兼顾实时性的条件下，采用了合理的差错控制措 施，即反馈重传纠错( a r q ) 方法。从一般的概念上讲，反馈重传纠错的方法 是指发送端发出能够使接收端发现( 检测出) 错误的码，接收端根据该码的编 7 码规则及相应的判误特性，能判别出传输过程中有无错误，并通过信息反馈把 判决结果告诉发送端。发送端再根据这些判决反馈特性确认它上次传输是否有 效，如接收端反馈的信息说明上次传输有错，则发送端就把认为出错的消息再 重新传送( 称之为重试) ，直到接收端认为乖确接收为止。在m i i ，s ，n ) - 1 5 5 3 b 一通信协议中，系统的主控端( 总线控制器) 向执行端( 终端) 颁发一个命令或 者发送一个消息时，终端在给定的响应时间范围内应发回个状态字，如果传 输的消息有错，终端就拒绝发回状态字。由此报告上次传输无效。 ( 4 ) 通信协议中还反映了支持航空电子系统中同步异步通讯的特性。同步通讯即保 证总线控制器能够以“广播”的方式向其余的全部终端发送一个时问同步信息， 很显然在这种广播方式的通讯中，是个用户对多个用户的同时通讯，因而应 排除a r q 方式，即在广播通讯中不应发回状念字。异步通讯是指在通讯过程 中主控端应能通过对状态的判别，而识别出是否存在任何随机发生的异步服务 请求，并有进行异步服务的能力。因此，在通讯过程中反馈信号状态字中应明 确标明存在一个异步服务请求的服务位，并且主控制端能够进而调查异步请求 的具体要求以便进行针对性的服务。 ( 5 ) 为了使航空电子综合系统不仅能完成总线控制器到终端，终端向主控端，以及 终端到终端的数据通讯的控制任务，而且还具有目的在于调查故障情况以及进 行容错管理的功能，因此还专门规定了一些用于系统工作管理的命令，这些命 令称之为方式指令。 2 4m i l - s t d - 1 5 5 3 b 和c a n 的比较 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线是一种架构丌放、广播式的网络通信协议，称 为控制器局域网现场总线，它是一种串行通信总线，高达l m b p s 的数据传输速率并具4 有高性能、高可靠性、灵活性的特点。c a n 网络是用来取代原本昂贵的汽车配线。c a n 主要使用在要求实时处理场合，例如汽车刹车、防琐死系统、安全气囊等。本文的研究 背景是在车载、车通系统的协议转换器中加入m i l - s t d ，1 5 5 3 b 总线，由此将 m i i ，s t d 一1 5 5 3 b 与c a n 总线做个比较。我们具体在两个方面对这两种总线做个比较： ( 1 ) 可靠性 在硬件结构上，m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线为单主机工作方式支持多余度的总线结构， 7 2m i l - s t d 1 5 5 3 8 总线简介 坝i 论殳 对故障敏感的b c 采用冗余备份的方式，使得系统具备一定的容错能力。c a n 总线为多 主机工作方式，可以方便的构成多机冗余备份系统以提高系统的可靠性。另外， m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线在兼顾实时性的条件下，采用了合理的差错控制措施( 反馈重传纠 错) 方法来保证数据传输的可靠性。c a n 总线采用c r c 差错检验并提供错误处理功能 来保证数据传输的可靠性。但是，由于c a n 总线的数据传输采用的是无连接的数据报 方式，这本身就不能保证系统有很高的可靠性。 ( 2 ) 响应时| 日j 由于m i i ，s t d 一1 5 5 3 b 是一种查询网络。它的响应时间较大，并随着节点数的增加 而显著增加，c a n 总线的网络拓扑结构为总线型，采用带仲裁的c s m a c d ，较好的解 决了总线冲突的问题，因此它的响应是小，并随着节点数的增加变化不大。 经过以上分析，m i i ，s i d 1 5 5 3 b 总线具有很高的可靠性和较好的实时性，对于网络 节点较少的系统，m i l - s t d 1 5 5 3 b 较c a n 总线具有更好的性能优势。如果将 m i i ，s t d 一1 5 5 3 b 融合至0 车载系统中，可以和c a n 总线形成互补，可以得到更好的实时 性和高可靠性。 2 5 本章小结 本章主要是对m i i ，s t d - 1 5 5 3 b 做详细的介绍。先是对m i l s t d 1 5 5 3 b 做了概述。 然后详细介绍了m l - s i d 一1 5 5 3 b 的系统组成和特点。最后结合c a n 总线，将 m i l s q d - 1 5 5 3 b 和c a n 总线在性能方面做了比较。 。 。r 南京理t 人学倾i 。论史 卞载东统中m i l - s i d 一1 5 5 3 b 总线接u 的改计 3b i i l - s t d 一1 5 5 3 b 接口总体硬件设计 3 1m i l s t d - 1 5 5 3 b 设计构架 ， m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线接口部分主要完成各系统之间数据的传输。数据在总线和接口 板之间的流程如图3 1 1 所示f 4 i 】。；? 一 教 据 总 线 ， 幽3 1 1 数据处理流程 圭 处 理 器 接 u 可以看出，m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线接口板的主要任务就是要实现数掘字的萨确接收， 发送和处理。作为m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线通用接口应该具有可以工作在b c ( 总线控制器) ， m t ( 总线监视器) 和r t ( 远程终端) 三种模式的特性。具体应完成以下的功能【4 1 】： ( 1 ) 将总线上的串行信息转换成处理器可以处理的并行信息或将并行信息转换成 总线上的串行信息； ( 2 ) 接收或发送信息时，能够识别或生成标准的m i l - s t d 1 5 5 3 b 信息字和消息( 进 行曼彻斯特型的编码、解码) ； 一 ( 3 ) 完成与处理机之脚的信息交换。包括m i l - s t d 一1 5 5 3 b 信息地址分配，命令字 ( 或状，奈字) 的译码或返回状态字、发送数据等。 本设计采用高性能的f p g a 器件解决曼彻斯特的编码、解码阅题。用协议转换器的 主控制器l p c 2 1 1 9 来实现通信协议和存储管理。总线驱动部分采用h o l t 公司的 h “7 5 0 s p i 收发器和p m - d b 2 7 2 5 e x 隔离变压器来实现。m i l - s t d 一1 5 5 3 b 总线信号进入 接口板后，首先通过隔离变压器进行电平转化，使之与收发器的工作电压匹配。收发器 再把m i l - s t i ) 1 5 5 3 b 差分信号转化为可识别的兀乙电平。此时信号仍然是曼彻斯特 型码，使用f p g a 对数据进行解码和串并转换，完成数据字的同步、曼彻斯特码错误的 检测等处理。最后将数据送入l p c 2 11 9 处理器处理，处理后的数据送入双口r a m ，传 送给子系统。子系统将要发送的数据通过双口r a m 传送给c p u 进行处理再将数据传送 给f p g a 进行并串转换及编码发送给其他m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线上的设备。总体的设讹 结构图如图3 1 2 所示。一， 9 3m i l s t d 15 5 3 b 接l i 总体五史件设计 倾j + 论史 5 5 3 b 总线 0 障 一， 用f p g a 实 a b 现双冗余 儿 用a l u m a b 书曩f 收_ - 曼彻斯特 、r 17 、 实现存 、r v u 发 _ - i i 型码编储管理 r 罔“1 器 解码及串 d b 和a 并转换、 八 1 5 5 3 b d bm w 刊誊f a b 奇偶校 协议处 1 卜 厂 + 验、错误 理 检测 b ab 3 2 耦合变压器 酗3 1 2 总体设计结构幽 m i ，s t d 一1 5 5 3 b 总线标准要求，可屏蔽双绞线被用做主总线和短截线的电缆，模拟 收发器则可采用变压器耦合( 如图3 2 1 所示) 或直接耦合方式。变压器耦合的短截线 长度不超过6 m ，直接耦合的截断线长度不超过o 3 m 。变压器耦合相比较直接耦合具有 以下优点【2 j ： 具备电气隔离功能，防止故障的传播。 通过隔离电阻r ，主电缆可以短路。 增加了总线抽头的阻抗，防止了由于反射而引起双绞线上信号畸变。 山于直接耦合不利于终端故障隔离，往往由一个终端故障会造成整个总线系统的完 全瘫痪，所以本文采用变压器耦合方式。在使用变压器耦合短截线时，应注意如下几点： 耦合变压器：较高匝数在短截线的隔离电阻一侧，耦合变压器的波形应具有完整性。 故障隔离：故障隔离电阻与r t 串联放置，并连接到数据总线电缆，从而实现了失 效隔离。具体提供了在短截线或终端短路情况下，对主总线的保护， 电缆耦合：所有耦合变压器和隔离电阻，应具有连续的可提供最小为7 5 覆盖的屏 蔽。该隔离电阻和耦合变压器应尽可能短的和短截线连到干线上。 0 南京理工大学硕士论文 车载系统中m i l - $ t d 1 5 5 3 b 总线接口的设计 3 , 3 收发器刖b 图3 2 1 变压嚣耦合方式下收发器连接图 m 匝广s m l 5 5 3 b 收发器的作用是将双电平曼彻斯特码转化为单电平曼彻斯特码，或 将单电平曼彻斯特码转化为双电平曼彻斯特码。 本设计采用的收发器是h i - 1 5 7 0 5 p i 总线收发器。原理图如图3 3 1 所示。该总线收 发器有以下特点嘲： 完全满足m ，s 1 i ) - 1 5 5 3 b 总线要求； 很低的功耗； 、 灵活的电压提供范围。v c c ：+ 5 v + 1 2 v ，+ 5 v 1 2 v ： 完全满足军用操作温度范围：- 5 5 + 1 2 5 。 。 图3 3 1h i - 1 5 7 0 s p i 总线收发器原理图 3m i l - s t d 1 5 5 3 b 接u 总体础件蹬汁彤! i ：论文 h i 。1 5 7 0 的接收部分从m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线接收曼彻斯特i i 型码的双极性调相码， 在它的输出端产生丁r l 电平信号；r x a j b 和r x a b 信号。这两个信号表示了在一个固 定的门限电平下，输入的信号的话负值。同时，一个外部输入r x e n a b 控制这两个输 出信号有效或无效。 r 发送部分从它的t x a b 和i x a b 两根输入线上接收双极性的t 1 l 电平信号，在 b u s a b 和b u s a b 两根线上输出双极性的调相数据，通过直接耦合或变压器耦合到 m i l s t d 一1 5 5 3 b 数据总线上。一个外部输入t x l n h a b 信号控制这两个输出信号有效 或者无效，当为电平l 时，使得发送器无效阴。 t h o l t 公司的h i - 1 7 5 0 收发器和p m d b 2 7 2 5 e x 隔离交压器共同组成 m i l s l r i ) - 1 5 5 3 b 接口的调制解调部分。m i l - s t d 1 5 5 3 b 接口的调制解调部分的电路图 如图3 3 2 所示。 l j i3 3 2m i 卜s t n l 5 5 3 b 接口的调制解调部分的电路原理幽 3 , 4f p g a 芯片选型及其特点 3 4 1f p g a 与c p l d 的比较 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是最主要的可编程逻辑 器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等来相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。 这样的f p g a c p l d 实际上就是一个予系统部件。 南京理下人学倾i ：论义乍载系统中m i l - $ t d 1 5 5 3 b 总线接u 的i 5 计 尽管f p g a 和c p l d 都是可编程逻辑器件，有很多共同的特点，但由于c p l d 和 f p g a 结构上的差异，c p l d 和f p g a 有各自的特点。f p g a 和c p l d 的差异主要表现 在； ， * ( 1 ) 集成度不同 f p g a 可以达到比c p l d 更高的集成度，同时也具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 f p g a 颗粒较细，即以一个d 触发器为核心的逻辑宏单元为一个颗粒；c p l d 颗粒较粗， 它是以多个宏单元构成的逻辑宏块的形式存在 ( 2 ) 灵活程度不同 f p g a 主要通过改变内部的御线来编程，而c p l d 通过修改其具有固定内连电路的 逻辑功能来编程：f p g a 可在逻辑门下编程，而c p l d 是在逻辑块下编程，因此，在编 程上f p g a 比c p l d 更灵活。 ， ( 3 ) 速度和延迟可预测性不同 从速度上看，f p g a 器件的内部逻辑单元是阵列式结构，金属线是分段式的。在编 程过程中，幽于余属线的连通路径是随机可变的，这使信号传输路径随机性很大，因此， 信号延迟不固定，不可预测；而c p l d 器件采用了命属互连线连续式结构，消除了分段 式定时不准的缺点，并在单元之间提供快速、具有固定延迟的通路，信号延迟可预测可 计算。 ( 4 ) 触发器的个数不同 f p g a 适合于完成时序逻辑，而c p l d 适合完成各种算法和组合逻辑。也可以说， f p g a 适合于触发器丰富的结构，而c p u ) 适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 i ( 5 ) 编程方式不同 目前，f p g a 大部分采用c m o ss r a m 工艺，其缺点是编程数据信息在系统断电之 后会丢失，每次上电时，需从器件的外部存储器或计算机中将编程数据写入s r , , l m 中； 其优点是可进行多次编程，并可在工作中快速编程，实现板级和系统级的动态配置，因 此将其称为在线重配制的p l d 或可重配制硬件；而c p l d 器件是采用e e r o m 或b t a s h 工艺进行编程，编程次数可达1 力次，其优点是在系统断点后，信息不丢失。 。f p g a 和c p l d 的特点不同，所以他们在应用也有所区别。f p g a 主要应用在时序j 电路的设计，而c p l d 主要应用在组合电路的设计中。由于本设计中要使用可编程逻辑 器件实现曼彻斯特型码的编码和解码，涉及到较多时序电路，所以本设计采用f p g a 来实现曼彻斯特型码的编码和解码。 3 4 2e p l c l 2 型f p g a 器件 可编程逻辑器件受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了 3 3m i l s t d 1 5 5 3 b 接u 总体础件i 5 计 颅- | j 论史 十几年的发展，许多公司都丌发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司 和a l t e r a 公司，它们丌发较早，占用了较大的f p g a 市场。通常柬浇，在欧洲用x i l i n x 的人多，在闩本和亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则是平分秋色。全球p l d f p g a 产 品6 0 以上是由a l t e r a 和x i l i n x 提供的。 a l t e r a 公司的主要产品有：m a x 3 0 0 0 7 0 0 0 、e l i x 1 0 k 、a p e x 2 0 k 、a c e x l k 、 s t r a t i x 1 1 g x 、c y c l o n e i 、h a r d c o p y 1 等。丌发软件也为现在e d a 设计的主流产品 m a x + r i l u s l i 和q u a r t u s l l 。在a l t e r a 公司的近几年产品系列中，高端高密度f p g a 有a p e x 系列和s t r a t i x 系列；低成本的有a c e x 和c y c l o n e 。本设计选用a l t e r a 公司的e p i c l 2 器件。陔芯片属于c y c l o n e 系列芯片，具有成本低、尚效率、低功耗等工作特点。 c y c l o n ef p g a 是基于s t r a t i x 的工艺构架，a l t e r a 经过市场调研、重新定义了它的特性 和规格。使其从设计初期就定位为一款低成本的f p g a 。 c y c l o n ef p g a 器件设计时选择了较小的封装形式，以提供给用户足够的i o 管脚和 良好的功耗特性。在此基础上，根据封装的物理尺寸定义裸片连接点的最大尺寸，装入 尽可能多的逻辑结构和存储器块，而保证每种封装都装入最多的逻辑资源。 e p i c l 2 是c y c l o n ef p g a 器件的典型器件，e p i c l 2 基本构架如图3 4 2 1 所示。垂 直结构的逻辑单元( l e ) 、嵌入式存储块和锁相环( p l l ) 周围环绕着i ( 9 单元( i o e ) ， 高效的内部连线和低延时的时钟网络保证了每个结构单元之间的时钟和数据信号的连通 性。器件周围分区工作的i o 单元被划分为不同的o 块。这些i o 块支持一系列单端和 差分i o 电平标准，包括s s t l - 2 、s s t l - 3 以及最高3 1 1 m b p s 的l v d s 接口标准。每个 i o 单元包含有3 个寄存器，以实现双倍数据速率( d d r ) 的应用，另外还包含其他的 i o 特性相关电路，如总线驱动能力可编程、总线保持以及电平摆率可编程等。哟块配 备了专门的外部存储器接口电路。该接口电路大大简化了与外部存储器( 包括d d r s d r a m 和f c r a m 器件) 的数据交换过程，可以达到2 6 6 m b p s ( 1 3 3 m h z 时钟频率) 的最大数据交换速率。 幽3 4 2 1e p l c l 2 构架幽 南京理t 人学坝i j 论直=下裁系统中m i l - s t d 1 5 5 3 b 总线接u 的设计 e p l c l 2 器件由最多8 个全局时钟线组成的全局时钟网络驱动。全局时钟网络结构 如图3 4 2 2 所示。从器件的任何位置都可以访闯这些时钟线，它们的驱动源可以是输入 引脚、锁相环的输出时钟、d d r p c i 接口的输入信号以及内部逻辑生成的输出信号等【l o l 。 t mra