（电力电子与电力传动专业论文）1553b总线接口技术研究及fpga实现.pdf

州北i 、【kk 学颐+ 学位论文 a b s l r a t a b s t r a c t m i l - s t d 一1 5 5 3 b ，t h ea m e r i c am i l i t a r yd a t ab u ss t a n d a r d ，i sa na i r c r a f ti n t e r n a l t i m ed i v i s i o nc o m m a n d r e s p o n s em u l t i p l e xs e r i a ld a t aa v i o n i cb u ss t a n d a r d w i t ht h e h i 曲r e l i a b i l i t ya n da g i l i t y ，t h em u l t i p l e xt r a n s m i s s i o nb u si sw i d e l ya p p l i e di nt h e a i r p l a n e ，w a r s h i pa n dt a n k t h ek e y t ot h e1 5 5 3 bb u ss y s t e mi st od e s i g n1 5 5 3 bd a t a b u si n t e r f a c ec h i p a f t e rs t u d y i n gt h em i l - s t d 一1 5 5 3 bp r o t o c o la n dd e s i g no ff o r e i g nc h i pp r o d u c t c o m b i n i n gt h ep r e s e n t l yr i s i n ge d at e c h n o l o g ya n dt h et r a i to fl a r g ep r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e t h ep a p e rp u t sf o r w a r dap r o j e c to fd e s i g n i n gt h ei n t e r f a c eb a s e df p g a a c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e df u n c t i o no fi n t e r f a c ec h i p ，t h i sp a p e r a p p l yt h et o p d o w nd e s i g n i n gm e t h o dt op u tf o r w a r dt h et o t a ld e s i g ns c h e m e1 5 5 3 bb u si n t e r f a c e t h e nw i t ht h ed e t a i l e di m p l e m e n to fc u r c u i td i v i d et h es t r u c t u r e a f t e rt h ei n t r o d u c e t h ec i r c u i td e s i g no fa n a l o gr e c e i v e & t r a n s m i t t e r ，p r i m a r yi n t r o d u c et h ed e s i g no f b c r t m tt e r m i n a l ，t h e nm a k es u r et h eu n i v e r s a li n t e r f a c eb yas e l e c ts i g n a l ，a n d a l s og i v e st h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n dt e s to ft h ei m p o r t a n tm o d u l e s i nt h ec o u r s eo f t h ed e s i g n ，c r i t i c a lt e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e d ，s u c ha st h et o p d o w nd e s i g n i n gm e t h o d ； d 酒t a lp h a s e l o c k e dl o o pi nc o d ec o n v e r s i o n ；u a r ti ns e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h e d e s i g nd e s c r i b et h ed e s i g nb yv h d i 。s y n t h e s i sb ys y n p l i f ya n dr e a l i z ei t i nf p g a t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni m p l e m e n tt h r e ek i n d so ft e r m i n a lf u n c t i o n s ，a n di t c a np r o c e s sav a r i e t yo fm e s s a g ec o m m u n i c a t i o n si nm u l t i p l ef o r m a t s ，a n dh a v eg r e a t f u n c t i o no fd e t e c te r f 0 1 a tl a s t ，d e s i g nt h et e s ts y s t e mo fb u si n t e r f a c ec h i p ，a n ds e l e c tt h et m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 a st h ep r i m a r yc p u t h et e s tc o n t a i nt h es e l f - r e c e i v e r & s e l f - t r a n s m i t t e ro ft h ec p u ， a n dt h er s 2 3 2s e r i a ld e b u gt oh e n c et h ei n t u i t i o no ft e s td a t a ，t h er e s u l to fv a l i d a t e i n d i c a t e st h a tt h ed e s i g ni nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l ea n df i g h t k e yw o r d s ： m i l - s t d 一15 5 3 bd a t ab u s ，b u si n t e r f a c e ， f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ， v h d l ( v e r y - h i g h - p e e d 一1 ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r & t r a n s m i t t e r ) i i 两北r 业人学顷一 ? 学位论文 第章蟛沧 第一章绪论 1 1mil s t d _ 15 5 3 b 总线技术的发展及现状 随着时代的发展，对于增加飞机推力、改善气动性能等技术的成熟，航空系 统设计任务的熏点，逐渐集中在飞机内部的电子设计上。与此同时，信息工程、 计算机技术、控制技术、电子技术都有了长足的进步。航空电子综合化技术就是 在这样的背景下产生的。该技术的核心问题是实现信息采集、处理、分配、存储 的一个系统。m i l - s t d 1 5 5 3 b 多路总线是综合化航空电子系统设备闯的数据交 换纽带，它将所有的综合化航空电子子系统连接在一起，共同构成具有特殊性的 分布式计算机网络，从而实现综合系统内部的信息共享和系统综台化控制i “。 1 1 11 5 5 3 b 数据总线的发展 1 9 6 9 年出现了数据总线概念，b 1 a 采用双绞数字信号线，传输率为1 m b p s ， 最大消息长度5 1 2 字。从此数据总线作为现代航空电子系统的骨架进入发展黄会 时代。1 9 7 3 年，美国制定了第一个军用数据总线标准m i l - s t d - 1 5 5 3 时分制指令 响应式多路传输数据总线，极大地推动了数据总线在航空电子系统、舰载作战 系统的应用。1 5 5 3 数据总线的传输速率为1 m b p s ，采用冗余的总线型拓扑结构 具有非常好的时钟同步和高可靠数据传输能力。7 0 年代末和8 0 年代，美国军方义 提出m i l - s t d 1 5 5 3 b 数据总线标准并多次进行改进。自此，国内有关科研机构就 开始1 5 5 3 数据总线技术研究，八十年代初，1 5 5 3 b 数据总线用于某型飞机作为飞 控系统数据总线。此后，1 5 5 3 b 数据总线被广泛应用n - 些新研制和改装的飞机 上，已经成为我国现役空中力量最主要的先进航空电子系统数据总线。并且，在 舰载和车载领域，为提高我军坦克和军舰等武器的技术水平发挥了重要作用并逐 渐应用到民用领域。 1 1 21 5 5 3 b 数据总线技术的现状 近年来，由于科学技术的不断发展，使得航空电子综合化系统也不断发展、 提高。m i l - s t d 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黼什，置 要完成总线的信息综合，资源共亨，任务狲调和容错重构。作为其中核心部分的 总线接口电路成为了总线应用的 ：要制约因素，所以对于m i l - s t d ，1 5 5 3 b 总线 接口板的设计就垃得尤为重要，如果接 i 设计不好，将成为制约航空f 乜了综合化 蹦北i 业人+ 二颈 j 学位论文第一章绪论 性能的瓶颈。设计性能良好的总线接口在航空电f 综合化快速发展的今火变得十 分必要且意义深远。早期m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线接【l 板都是以s m c 公司的c o m t 5 5 3 b ，u t 公司的u t l 5 5 3 b 协议芯片为主，进行接口板的设汁。这样设汁的接 口板要加许多硬件电路，故集成化的程度还不是太高，电路复杂、 ：作效率低、 呵靠性差、功能少，不易实现小型化给系统带来许多的不便。支持该标准的协议 芯片有系列：b u 6 5 1 7 0 b u ，6 1 5 8 0 ，b u 一6 5 1 7 1 b u 6 1 5 8 1 ，b u 一6 1 5 8 5 6 ， b u 6 1 5 9 0 和b u 6 5 6 2 0 等，它们在硬件特性上育些区别。9 0 年代初，d d c 公 司推出了新型高级协议处理芯片b u 6 1 5 8 0 协议芯片，用于设计m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线接口板，该总线接口板不仅完全满足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、町靠性商， 可与计算机接口适用于各种个人计算机和兼容机1 1 3 i 。 1 2 数字集成电路技术的发展 2 0 世纪末2 1 世纪初，电子工业经历了巨大的飞跃，数字集成电路技术l c 发展迅速，在促进了计算机和信息技术产业的进化同时已经成为现代赣兴工业的 主流，由早期的电子管、晶体管、发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几力- 门以 上) 以及许多具有特定功能的专用集成电路。f p g a ( 现场可编程门阵列) 的出现 使得现代电子系统的设计方法发生了很大的变化。它是一种离密度的可编程逻辑 器件，其有速度快、可靠性高、开发周期短等优点，并可根据用户需要进行现场 反复编程，使用方便。随着现代：【艺的发展，f p g a 芯片的成本、体积和功耗都 大幅度降低，而集成度和工作频率得到提高，目前器件的集成度达到了5 0 0 ， 丁门， 工作频率也可达2 0 0 m h z 以上。 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全出半导体f 商来独立承担。系统设计工程师们更愿意自己设计专用集成电路( a s l c ) 芯片 而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中。大规模可编程逻辑器件和硬件描述语南等电 子设计自动化( e d a ) 技术的发展满足了电子技术应用的这种需求。其中硬件描 述语舀- ( h d l , h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 采用形式化的方法，可以邕观准确 地描述数字电路，应用于模拟试验、设计综合等设计过程中。 综l ，可以毫不夸张地说，以f p g a 技术为基础的e d a 设计已成为! 代电 子、通信和信息处理技术不可或缺的重要手段”“。 j k h 世人学硕十学怯硷文 第舄绪沦 1 3 论文研究意义 m i l - s t d - 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，任务协调和容错薰构。所以对于m i d s t d 。1 5 5 3 b 总线接口板的设计就显得尤为熏要。我国从8 0 年代开始对1 5 5 3 b 总线接 j 进行 研究至今，早期用硬件来实现接 ，由于当时集成工艺的限制，接口全部或犬部 分用中小型集成芯片来完成的，这使得接口的体积、功耗都很大，且可靠性水赢； 8 0 年代后，采用高性能的通照微型计算机与大规模集成电路相配合，完成接1 的功能，其主导恩想是用软件来代替硬件进行设计。然而目阿国内使用的1 5 5 3 b 协议处理器的专用芯片均从国外厂商购买，如s m c 公司的c o m l 5 5 3 b 、荚陶 u t m c 公司推出的u t l 5 5 3 b 、i n t e l 公司的m 8 2 5 5 3 以及a c t e l 公司的 1 5 5 3 b b c 虽然也能完成其协议功能，但这样设计的接口板要加许多硬件电路， 集成化度还不是太高。9 0 年代初d d c 公司推出的a c e ( a d v a n c ec o m m u n i c a t i o n e n g i n e ) 系列总线通讯终端接口控制器b u 6 1 5 8 0 ，b u 6 1 5 9 0 和b u 6 5 6 2 0 较适合 在小体积m b i 扳中应用。但是国内并无生产这种专用芯片的技术，在以往豳际 形势紧张的时候，这些专用芯片还被禁运，即使能够购买到这种专用芯片，也从 某种程度上向别的国家透露了我国的国防情况。所以独立研发其有自主知议产权 的1 5 5 3 b 协议处理器对于我国国防建设和国民经济的发展具有重大的意义 2 sj 【，呻。 电予设计领域可编程器件的广泛应用为数字系统的设计带来极大的灵活性， 一片f p g c p l d 芯片可替代上百个l c 电路。同时，m a x + p l u s 儿和q u a r t u s i l 软 件平台，是完全集成化的可编程逻辑设计环境；s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f v 是专 门用于f p g a c p l d 的一种优秀逻辑综合工具。而且v h d l 更是一种功能强大 的硬件设计语言，可用简洁的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计。这使得硬件 的设计如同软件那样方便，极大的方便了数字电路的设计。这些条件都为在实验 室开发实现1 5 5 3 b 协议接口提供了有剥条件。本文研究的内容就是采用大规模 可编程逻辑器件f p g a 设计实现1 5 5 3 b 总线接口芯片，采用商性能的通用微型 计算机与大规模集成电路相配合，完成接口的各项功能，其主导思想是用软件来 代替硬件进行设计。这不仅提高了接口芯片的通用灵活性，还极大地缩短了设训 周期。 1 4 论文的研究工作及内容安排 在详细研究m 1 l s t d 1 5 5 3 b 数据总线协议的基础 ：，参考幽外公司的接协 与北i 业人学硕十学俺论文第一草绪蹬 殴芯片，从接口实现的具体功能出发，采用自顶向。f 的设计思想，结合人型”】编 程逻辑器件的特点，提出了一种基卜f p g a 的1 5 5 3 b 总线接【j 系统的设计方法。 对系统进行了总体分析及结构设讲，使用硬件描述语言v h d l 对设计进行丁描 述，在此基础之上采用专门的综合软件s y n p l i f y 对设计进行了综合优化，并目最 后在f p g a 上进行了实现。这神设计方法实现了微处理器和1 5 5 3 b 协议处理接 曰的无缝连接，提高了系统的可靠性和稳定性，降低了功耗，使用户使用起来更 加方便。设计的1 5 5 3 b 接口为通用类型的接口，可以实现三种类型的终端功能， 以及能处理多种格式的消息传输，并且具有较强的检错能力；还对部分方式命令 进行了处理；此外给出了系统模块的设计、仿真和测试。本设计在完成了1 5 5 3 b 总线接口芯片设计及f p g a 实现后，构建了硬件样机系统装置，对其进行联渊， 发现问题再解决问题完善系统，以保证系统性能得到满足，对总线接口的整体功 能及性能做进一步的改善，完成预期的设计任务。 本文内容安排如下： 第一章：主要阐述t 1 5 5 3 b 总线技术和数字集成电路的发展，并对总线接口研究 的意义和本文研究的内容作简单论述。 第二章：简单介绍了m i l - s i d 1 5 5 3 b 数据总线协议，对1 5 5 3 b 总线的特点以及初 步设计思路也进行了说明。 第三章：结合e d a 技术和设计方法对1 5 5 3 b 总线接口进行功能分析，并提出接明 设计总体方案。 第四章：1 5 5 3 b 总线接口的具体设计与f p g a 实现，对其中每个小模块的设讲作 详细的阐述，给出了其设计框图、算法流程图等。 第五章：1 5 5 3 b 总线接口试验分析，主要介绍总线接口芯片测试系统设计及其测 试的结果分析以及系统性能分析。 第六章：总结了本文的研究设计工作，并对将来进一步的工作做了展望。 西北i 业人学硕中学位论文 旃章1 5 5 3 b 数据总线 ，j 议简介 第二章1 5 5 3 b 数据总线协议简介 2 1m i l - s i d 一1 5 5 3 b 总线协议标准州 1 9 7 3 年8 月美国军方制定时分制指令响应式多路传输数据总线军用标准 m 1 l - s t d 一1 5 5 3 ，以后逐步完善，推出的m i l - s t d 1 5 5 3 a 、m i l s t d 1 5 5 3 b 是迄 今最成功、应用最广泛的数据总线。 在详细地介绍总线接口芯片设计中各个模块的设计之前有必要将1 5 5 3 b 数 据总线通信协议作一个简要的介绍。本章将简要的介绍1 5 5 3 b 总线的特点优势以 及通信协议所采用的编码方式、字格式和消息健输格式，以便理解第四章中对 m i l - s t d 1 5 5 3 b 协议处理芯片的详细介绍。 2 1 。1 1 5 5 3 b 在航空电子系统中的应用嘲珊” 航空电子系统中，不仅需要不同的硬件接口来应付不同的航空设备，而且航 空设备内部接口连线也十分复杂和混乱，可靠性能也不高。为了解决这个状况， 提出了在航空电子系统中使用数据总线，使得不同的航空电子设备之间能够互丰h 通信。美国军方在提出的m i l - s t d 1 5 5 3 b 数据总线协议就是在航空电予综合化技 术发展过程中形成的现代航空机载系统设备互联的网络接口标准。1 5 5 3 b 数据总 线协议的总线型拓扑结构的优良特性使它在航空电子系统中得到了广泛的应用。 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 数据总线具有双向传输特性，实时性和可靠性高，广泛应 用在军用飞机上。1 5 5 3 b 多路数据总线系统的主要部件配置如图2 1 所乃j 。 可选 余度 山缆 图2 - 1 典型的双冗余总线形拓扑结构的1 5 5 3 b 总线系统 它按指令响应方式异步操作，工作频率是1 m b s 。采用曼彻新特i i 犁码，并以半 议工方式进行传输。总线上信息传输的唯控制权属于总线控制器，总线控制器 咙房动所有的传输。数据总线l ：的信息流应山消息组成，而消息刚由所规定蚋 种字( 指令字、数据字和状态字) 构成。 阳北l 。业人学硕士学位论文 第一蒂1 5 5 3 b 数据总线协汉简介 m i l - s t d 1 5 5 3 b 数据总线用的是指令晌成型通信汝议。主要的硬什部分为 总线控制器( b c ) 、远程终端( r t ) 和可选用的总线龉控器( m t ) ： ( 1 ) 总线控制器( b c ) ：它是在总线上唯一被安排为执行建立和启动数挤：传输任 务的终端。被指派启动数据总线：信息传输任务的终端。 ( 2 ) 远程终端( r t ) ：所有不作为总线控制器或总线监控器操作的终端它是辟j 户 子系统到数据总线上的接口，它在b c 的控制下提取数据或吸收数据。 ( 3 ) 总线监控器( m t ) ：被指派接收总线通信任务并在以后提取要使用的选择信 患的终端它“监控”总线上的信息传输，以完成对总线上的数据源进行记录和分 析，但它本身不参与总线的通信。 2 1 21 5 5 3 b 总线的特点 1 5 5 3 b 是个具有强大生命力和比较完善的标准。其基本特点如下： 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。 1 5 5 3 b 中规定了码速率为1 m b i t s e c ，虽然与高速数据总线的速度相比较低， 但较一般的通讯网为高。 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 涉及总线效率指标的某些强制性要求一郎指令响应时问，消息闯隔时间以及 每次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 措施一即反馈重传绷错( a r q ) 方法。从一般的概念上讲，反馈重传纠错盼方 法是指发送端发出能够使接收端发现( 检测出) 错瀑的码，接收端根据该码的 编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 i 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) ，宜到接收端认为正确接收为l 匕。存1 5 5 3 b 通讯协议中，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，终端在给定的响虚时闯范围内应发回个状态字，如粜传 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 、通讯协议中还反映了支持航空电子系统中| i ：习步肄步通讯的特性：。旧步通m 即是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删 步信息( 即后面提刊的大小周期的刻度时闻) ，很最然在这种j 。播疗式的馗 玳中，是一个用户对多个用，的同时通砒、倒而心排除a r q 力式1 1 | _ | 钨：j “i | ； 通讯中不应发回状态字。异步通讯链指在通讯过程中 控端忠能邋过对状恕 两北i 业人学硕十学位论文 第1 二章1 5 5 3 b 散据总线枷议简介 字的判决而识别出是否存在任何随机发生的异步服务请求，并有进彳r 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个辟 步服务请求的服务位，并且主控端能够进而调套异步请求的具体要求( 奁洵到 异步要求的矢量) 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( b c - - r t ) ，终端向手 控端( r t - - b c ) ，以及终端到终端( r t - - r t ) 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彳亍容错管理的功能，因此还专门 ! i ! 定r 些用于系统工作管理的命令，这些命令称之为方式指令。 2 1 31 5 5 3 b 总线的码型 1 5 5 3 b 总线用的是双相码中的曼彻斯特码，曼彻斯特码是一种广泛应用f 航 空电子综合系统中的总线数据传输的双极性码。该码在每个码位中点处存在个 跳变，“1 ”信号是由1 到0 的负跳，而“o “信号则是由o 到1 的正跳。如图2 2 所 示。所谓双相，是指双极性，本身包含了自定时的信息，因此它不需要独立的信 道来传输位定时信息，它可以直接从数据中分离出定时时钟，同时它能与变压器 l 删z( + ) 时钟( o ) 不归零( + ) 数据 ( 0 ) 曼彻额特i i! + ! 双相电平 o 一； 图2 2数据编码 耦合协调。1 5 5 3 b 标准规定了两种耦合方式，一种为直接耦合短截方式，另种 为变压器耦合短截方式。由于直接耦合不利终端故障的隔离，因一个终端故障将 造成整个总线系统的完全瘫痪，所以应该尽量避免在空中直接耦合短截线的耦食 方式，而是采用变压器鹈合的方式，变压器耦合的短截线长度理论上不超过6 m 。 2 ，1 41 5 5 3 b 总线的字格式 m i l - s t d - 1 5 5 3 b 用可屏蔽双绞线进行数掘传输，信号是以串行数字脉冲的 形式进行传输。1 _ 5 5 3 b 规定每次传输一个消息的完整过程应包括命令 ，数据# ( 或指令字和状态字) 几个部分。每种字的一个字字长为2 0 位，有效信息位是1 6 纯，每个字的前三位为单字的同步字头，丽最后一一位是奇偶位。山发送端羽1 6 囱效位进行补奇，丽在接收端进行奇校验。有效信息( 1 6 位) 及奇偶化存总线。 7 ：玛北i 业人。7 硕十学 奇沦文 第一二章1 5 5 3 b 数据总线协。z 简介 是以曼彻斯特码的形式进行传输，每位【! i 的时间为l u s ( e 【l 码速率为1 m h z s e c ) 。 | 司步芦头占三位，或先正后负( 命令字状态字) 或先负：( 数据字) ，f 负电f 备占1 5 u s ，即占同位场的一半。1 5 5 3 b 总线传输的字格式如图2 3 所示： t 收位制 接 收 图2 31 5 5 3 b 总线命令字t 数据字状态字格式结构图 1 、命令字 其格式见图2 3 所示，命令字由同步波形、远程终端地址字段，发送接收 ( t r ) 位，子地址方式字段、字计数方式码字段和奇偶位组成。命令字只能 现行激活的总线控制器发送，它的内容规定了陔次传输消息的具体要求：其中捌 步头宽度为：二个位时，头一个半位时为正，后一个半位时为负；其前五位是终端 寻址场，指明总线控制器要与哪个终端对话；t r 位鲥表明命令该终端是发送信 息还足接收信息即问( 存取) ；分地址方式字段( s a ) 指明这批要传输的信息来 自终端哪个数据通讯缓存区；而宁计数方式码指明了指令字所规定的这次数 据传输所连续传输的数据字块长度一数据字字数，以及方式指令下的方式码。，分 地址场有五位。应该特别指出的是：在1 5 5 3 b 中规定了分地址场为全0 或伞l 时，不再是一般的数据通讯区数据通讯的含义，两是表明此命令字是个篱理系 统的方式指令，即表明命令字命令个终端去完成某种特定的助能。1 5 5 3 bt p i 规定的力_ 式指令功能将在后面介鲟 。 8 位时愈令书位时数据字位时状态字 陌【! = i 、大学硕士学位论文 第_ 亭1 5 5 3 b 数据总线协议简介 2 、数据字 数掘字既“f 以由总线控制器传输到某终端，也可以从终端输午总线擦制器， 或者从某终端输往另一终端。这则由命令字和相应的消息格式决定。数据字格式 见图2 - 3 所示，数据字组成仍然是以占有三位位宽的同步字头标志开始，与指令 字不同的是同步字头的特征为先负后j 下( 一1 5 b i t 、十1 5 b i t ) 。后面是1 6 位数捌 字，以最高位在前，最低位在尾的顺序排列。最后一位是补奇链，它对1 6 位数 据的信息补成共奇数个l 的状态。 3 、状态字 它只能由终端发出，是一个对总线控制器发出的有效命令的应证性信号，其 格式如图2 3 所示，头三位时仍然是同步字头，其特点与命令字相同。b c 与r t 的分工自然决定了状态字与命令字的区别，因此二者的同步字头相同并不会影响 系统的辨识和正常工作。如果系统中由第三者监视器来辨识仅仅由同步字头就不 能区别到底是命令字或者是状态字了。在这种情况下，还需要同步字头以外的位 特征来区别命令字和状态字。状态字仅仅对指令字响应，被寻址的远程终端发出， 并包括5 位本r t 地址场和8 位指示了通信状态和本r t 及子系统状态的信息位。 其中前五位终端地址位反映了响应命令字数终端地址；总线信息错误位簧成 1 表明这次通讯以前，即上次通讯信道上存在传输错误；测试手段位用于总线上 挂接有总线监视器时，供监视器区别命令字和状态字之用；服务请求位用于通知 总线控制器，与之通信的终端请求异步服务；广搔指令接收位在之前有效命令字 是广播指令时r t 地址为3 1 ，要使此位置成“1 ，：忙位嚣“1 ”是向总线控制器表明 该终端不能按照总线控制器的命令向分系统送数或者从分系统取数；分系统特征 位置1 ，表明了存在着嵌入子系统的故障情况：动态总线控制接收位是为系统 控制之中控制器权力转让时而设簧的；终端特征位置1 ，终端内部存在故障。 上述三种字都是2 0 位，字长度2 0 u s ，每位位长l u s 。码速率为1 m b s 。前王位 都为同步头，虽然字指令和状态字都是先正后负，但由于他们分别由b c 和r t 判 断，是可以区别的。但如果总线监控器m t 要对之加以区别时，这就增加了个 要求，即指令中豹分地址中的最高位置为o ，而状态字中的测试手段位置为1 这 当然也就通信的寻址地址由原来5 位的3 2 个分地址降为4 位定义的1 6 个分地琏。对 于何r 何1 5 5 3 b 来说，一个字中任何未用的位均置位为逻辑0 。 2 ，1 51 5 5 3 b 总线的方式指令 “之前介绍的命令字，当命令字巾分地址场为o 或3 l f 时( 即0 0 0 0 0 或1 1 1 1 1 ) ， 此指令不再是一般的数据通讯，而是方式指令一即对系统进 j 诊断故障或系统瓮 9 幅北。、他人学硕十学位论文 第幸1 5 5 3 b 数据总线协议简介 理的指令。方式指令专门用于b c 通信过程或终端( 或子系统) 错误故障的监控， 渗断和控制管理。当总线控制器发出的 令字中的分地址全为of o o o o o ) i 戈伞为 l ( 1 1 1 1 1 ) 时，此指令即是方式命令，而具体是俺种方式命令，则由数据字字数场 中的5 位码数具体表现出，方式指令的方式码主要有以下几种： ( 1 ) 动态总线控制( 方式码o o o o o ) ；( 2 ) 同步( 方式码0 1 3 0 0 1 ) ；( 3 ) 发送| _ 一状态 孚( 方式码o o o l o ) ；( 4 ) 启动自测试( 方式码o o o l l ) ：( 5 ) 发送器关闭( 方式码 f ) 0 1 0 0 ) ；( 6 ) 取消发送器关闭( 方式码0 0 1 0 1 ) ；( 7 ) 禁止终端标志位( 方式码0 0 1 1 0 ) ； ( 8 ) 取消禁止远程终端标志位( 方式码0 0 1i1 ) ；( 9 ) 复位远程终端( 方式码0 1 0 0 0 ) ： ( 1 0 ) 发送矢量字( 方式码1 0 0 0 0 ) ；( 1 1 ) 带数据字的同步( 方式码1 0 0 0 1 ) ；( 1 2 ) 带数 据字的同步( 方式码1 0 0 1 0 ) ：( 1 3 ) 发送字检测字( 方式码1 0 0 1 1 ) ；( 1 4 ) 选定的发送 器关闭( 方式码1 0 1 0 0 ) ；( 1 5 ) 取消选定的发送器关闭( 方式码1 0 1 0 1 ) 。其余为备用 方式码。 2 1 8m i l - s t d - 1 5 5 3 b 的消息格式 在1 5 5 3 b 中，共定义了十种可能的消息传输格式。如图2 - 4 和图2 - 5 所示。 消息格式中代表了响应时间，规定了范围是4 - - 1 2 u s ，酸示消息间隔时间，规 定它大于4 u s 。 下一消息 b c - - 盯区亚匝巫圈丑墅圈 下消息 f 一消息 r t r tl 接收据令i 发送指令l 丰阜i 状态字l 数据字i i 数据字l l 状态字l 肆l 指令字l ii,ii!,iiiii i i 磊箬糕区巫墨亚描 獾，匹巫翔丑堕巫五巫盈 鬻爹匝巫巫巫描 方式指令l 接收方式指令字l 数据字i l 状态字l # i 命令字l ， f j _ _ - _ o _ _ - 。o - - 。_ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ 。_ - _ _ - 。一 l o 阳北i 业人学硕 _ 学位沦文 第二章1 5 5 3 b 数据总线m 议简介 广播b c - - 传输r t 区巫亚匿 匿丑圈 广r t 播- - 传r 输t 亘至亘至至】至圣至至至了三二工至至至 ! 亘至l 二e 至基至工三圈 不带数据字。l = 塑垒。 的广播 i 发送方式指令字l # i 命令字l 方式命令l _ - l 一 篡匝亟巫羽登勰嬲 图2 51 5 5 3 b 广播消息传输格式 1 、一般消息传输格式 ( 1 ) 总线控制器向远程终端的传输：总线控制器应发出一个接收指令，紧躐着规 定数目的数据字。r t 在确定消息之后，发送状态字返回到总线控制器。指令 字和数据字以没有字闻隔的连接形式传输。 ( 2 ) 远程终端向总线控制器的传输：总线控制器应向r t 发出一发送指令。该r t 在确认指令字之后，发送一状态字返回到总线控制器，紧跟着规定数目的数据字。 状态字和数据字以没有字间隔的连接形式传输。 ( 3 ) 远程终端向远程终端的传输：总线控制器向r t a 发出接收指令，紧跟着 向r t b 发出一发送指令。r t b 在确认指令之后，发送一状态字紧跟着规定数目 的数据字。状态字和数据字以没有字间隔的连接形式传输。r t b 结束数据传输 时，r t b 应在规定时间内发送一状态字。 ( 4 ) 不带数据字的方式指令：总线控铡器使用标准中规定的方式码向r t 发出 发送指令。r t 在确认指令之后，发送状态字。 ( 5 ) 带数据字的方式指令( 发送) ：总线控制器使用标准中规定的方式码向r t 发 出一发送指令。r t 在确认指令之后，发送一状态字，紧跟着一数据字。状态字 和数据字以没有字间隔的连接形式传输。 ( 6 ) 带数据字的方式指令( 接收) ：总线控制器使用标准中规定的方式码向r t 发 出以接收指令，紧跟着一数据字，指令字和数据字以没有字间隔的连接形式传输。 r t 在确认指令和数据字之后，发送一状念字返回总线控制器。 2 、任选广播指令 ( 1 ) 总线控制器向各远程终端的传输( 广播) ：总线控制嚣使用r t 地址守段。 的 1 1 1 1 1 发出4 接收指令字，紧跟着规定数 = | 的数据字，指令亨和数揉1 以没有：；： 阳j 隔的连接形式传输。使用广播选择的各r t 庄确认消息之后，按照字格式r jr 溉 j 垣北i ：业人。学颂十学位论文 第一母t 5 5 3 b 数据总线协议简肾 定的使状态字的广播指令接收位置位，且不发送状态。 ( 2 ) 远程终端向各远程终端的传输( 广播) ：总线控制器使用r t 地址字段r 。j 1 1 1 1 1 发出一发送指令字，紧跟着用r t 地址向r t a 发出发送指令字。r t a1 7 f 确认之后，发送一状态字。紧跟着规定数目的数据字。状态字和数据字以没有宁 问隔的连接形式传输。除了r t a 外使用广播选择的各r t 在确认消息之后，按照 字格式中规定的使状态字中的，。播指令接收位置位，且不发送状态字。 ( 3 ) 不带数据字的方式指令( 广播) ：总线控制器使用r t 地址字段中的1 1 1 1 1 发 出发送指令字，使用广播选择的各r t 在确认指令字之后，按照字格式中规定 的使状态字中的广播指令接收位置位，且不发送状态字。 ( 4 ) 带数据字的方式指令( 广播) ：总线控制器使用r t 地址字段中的1 l1 1 1 发h 一接收指令字，紧跟着一数据字，指令字和数据字以没有字问隔的连接形式传输。 使用广播选择的各r t 在确认指令字之后，按照字格式中规定的使状态字中的广 播指令接收位置位，且不发送状念字。 3 、消息之间间隔 总线控制器在消息之间提供4 u s 的最小时间间隔。这个时间间隔如图2 - 6 所 示的t ，从前一消息最后一位的中间位过零点到下一指令字同步的中间过零点。 4 、响应时间 r t 按消息结构规定，在4 1 2 u s 时间间隔内响应有效指令，这个时间n q 隔 如图2 - 6 所示的t ，它按规定是最后一个字的中点位过零点到状态字阔步的中问 过零点为止。 位时 + v 奇偶位 臣囹 指令状态同步头 口 = 工口 图2 6 消息间隔和响应时间 5 、最小不响应已过时间 在认为没有按照消息结构规定响应之前，终端等待的最小时f n y - j1 4 u s 。这个时 间从最后一个字的最后一位的中间位过零点到期攀的状态字同步的中州过零j _ ， 2 2 航空数据总线标准比较 航卒数据总线经过几十年的发展， 自u 应用最f “泛的标准有以_ 卜儿种 曲北i 业人学颀十学位论文 第一章1 5 5 3 b 数据总线协议简介 ( 1 ) a r i n c 一4 2 9 总线，机载数据总线a r i n c 4 2 9 在当代的运输机和相当数量的 民航客机以及军用飞机中都得到广泛的应用： ( 2 ) m l l s t d 一1 5 5 3 b 总线，该总线最初是存七 年代求为适应飞机的发展由美 国提出的飞机内部电予系统联网标准。其后由于它的高可靠性，实时性和灵活性 高，广泛地应用在军用飞机上； ( 3 ) a r i n c - 6 2 9 总线，它是一种适用于民用毪帆的总线，速率较高，r 些性能 不利于实时性要求较高的军用飞机。目前仅在波音7 7 7 飞机上采用r 这种总线， 它上面有11 条这样的a r 矾c 6 2 9 通路； ( 4 ) m 1 l s t d 一1 7 7 3 总线，它是一种以光为信号传输载体的新型数据总线录用 该标准的优点是传输距离长、重量轻、损耗低、带宽宽、电气隔离性好。 ( 5 ) 高速数据总线( h s d b ) ，它是一种线性令牌总线，所谓线性，是指使用一种线 性( 广播) 介质，另外，还有一些其它总线，这里不做介绍。 在此通过列表的形式对这五种总线进行对比，结果如下表2 - 1 所示： u 翁 a r d i c 4 2 9a r d q c 6 2 9m l 【广s t dm l i ，s t dh s d b 壁磁 1 5 5 3 b 一1 7 7 3 传输速率1 0 1 0 0 k b i l s2 m b i t l s1 m b i t s1 m b i t s 2 0 m b j t s 传输介质屏蔽电缆同轴电缆屏蔽电缆光纤电缆或光纤 通信方式单向双向双向单向双向 消息字数 2 5 63 2 3 24 0 9 6 表2 1数据总线的对比 在以上介绍的几种数据总线中，m i l - s t d 1 5 5 3 b 数据总线出于其町靠性离 速率较高，技术成熟和易于扩展等优点而得到了广泛的应用。 2 。31 5 5 3 b 和c a n 的性能比较 c a n 是英文c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 的缩写，即为控制器局域网络。它延 种串行通信总线，高达1 m b p s 的数据传输速率，并具有高性能、高可靠性、灵 活性的特点。以下就两者进行比较： i 、可靠性 ( d 在硬件结构j ：，1 5 5 3 b 总线为单主机工作疗式，支持多余度的总线结构对 放障敏感的b c 采用冗余备份的方式，使系统具有一定的容错能力。c a n 总线 为多：e 机：【作方式，可以方便地构成多机冗余备份系统以提高系统的町锘忭 i , t | - i ll 业大学硕十学位论文 筇牵1 5 5 3 b 数据总线协议耐h ( 2 ) 1 5 5 3 b 总线在兼顾实时性的条件卜采用了合理的差错控制措旌即反馈重f 纠错( a r o ) 方法来保证数据传输的可靠性。c a n 总线采月lc r c 差错检验洋提供 错误处理上匀能来保证数据传输的可靠性。但是，由于c a n 总线的数掘传输采刷 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司靠性。 2 、实时性 ( 1 ) 1 5 5 3 b 总线采用的是主从控制方式的总线控制。这种总线控制方式小会引起 总线碰撞冲突，数据传输响应时间是确定的。c a n 总线采用的是争用传送的访 问控制方式即基于优先缴的c s m a c d 方式，采用这种控制协议的网络数据传输 最大延迟时间是不确定的。 ( 2 ) 1 5 5 3 b 的数据传输速率为1 m b p s ，按照协议规定，传输条消息的最大响应 时闻为7 5 2 u s 。c a n 总线的最大数据传输速率为l m b p s ，按照协议规定，优先 级最高的节点其数据等待时间小于1 3 4 u s 。在传送同样有效数据位的情况下( 假 设6 4 位有效数据) ，c a n 总线的传输时闽2 4 2 u s 大于1 5 5 3 b 总线数据传输时f n j 。 3 、传输特性 1 5 5 3 b 总线采用