基于NiosⅡ的1553B总线通讯模块设计与开发

　　自2005年9月LXI总线推出以来，已经显示出其组建测试系统的众多优点。基于LXI总线组建测试系统具有易于使用、灵活性高、模块化和可扩缩性、实现更快的系统吞吐率、可分布式应用、长寿命、低成本、通过IEEE1588时钟同步、机架空间小、合成仪器等诸多优点。
　　1553B总线的全名为“时分制指令/响应式多路传输数据总线”，国内多型战斗机、军舰等武器平台都采用其作为传输总线。因此研制基于LXI总线的1553B通讯模块，不仅能满足多型武器装备对1553B总线的测试需求，也对LXI总线在国内的研究和应用有推动作用。
　　1 模块总体方案
　　模块基本设计指标为：满足LXI规范C类仪器标准;支持DHCP、自动配置IP地址和手动配置IP地址;支持ICMP协议、TCP/IP协议和UDP协议;同步采用网络命令方式;能完成1553B在BC模式下的所有功能。
　　根据指标要求采用基于SOPC的32位处理器+实时多任务操作系统(Real Time Operation System，RTOS)总体方案，在一块FPGA芯片上集成了控制器和逻辑单元，既降低了开发的难度、减少了模块体积，也易于以后的升级。32位处理器有足够的资源可以扩充利用，RAM和ROM可以做的足够大，整个TCP/IP协议族可以做到系统里面去，甚至可以嵌入一个带TCP/IP协议族的操作系统。
　　2 基于SOPC的硬件设计与开发
　　片上可编程系统(System on a Programmable Chip，SOPC)将处理器、存储器、I/O口、LVDS和CDR等系统设计需要的功能模块集成到一个PLD器件上构建成一个可编程的片上系统，是一种灵活高效的SOC解决方案。SOPC结合了SOC和可编程逻辑器件各自的优点，具有灵活的设计方式、可剪裁、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，成为SOC设计的新趋势。
　　2.1 模块硬件架构
　　模块硬件主要由NiosII软核处理器、以太网组件、1553B总线组件、存储器、片内RAM、通用I/O接口和调试配置模块7部分组成，架构示意如图1所示。
　　


　　1)NiosII软核处理器：模块的CPU，负责系统工作调度。在其内部移植了μC/OSII实时操作系统和LwIP协议;它接受客户端通过以太网发送过来的请求，经解析后回复Web界面或控制1553B功能接口;2)以太网组件(DM9000A)：完成对以太网控制器的操作，将网络上的数据经以太网控制器送到网际层，由NioslI软核处理器内的LwIP协议处理;或者将网际层送来的数据经以太网接口发送出去：3)1553B总线组件(BU-61580)：受NiosllI软核处理器控制，完成在BC模式下各类消息和命令的发送及状态的读取;4)Flash存储器：主要用来存储模块的一些固定参数和静态Web界面;5)片内RAM：RAM是在FPGA剩余逻辑中用Quartusll内所带的MegaWizard管理器生成的，这样就不需要外加RAM芯片。片内RAM主要是用来存储程序运行过程中所接收和产生的一些数据;6)通用I/O接口：用来完成对LED或按键的控制;7)JTAG调试模块和EPCS配置模块：J1TAG模块用来完成对程序的调试工作。配置是对FPGA的内容进行编程的过程，每次上电后都需要配置，EPCS配置模块允许NioslI访问EPCS串行配置器件。
　　具体开发主要有3部分工作：1)NiosII软核处理器及其外设的设计。2)自定义宏功能模块RAM的开发，这部分工作在QuartuslI软件中完成;3)应用软件程序的编写，在NiosIIIDE软件开发环境中完成。
　　2.2 模块硬件设计
　　SOPC Builder是Altera公司为用户自定义系统而开发的工具。用户使用SOPC Builder可以将IP核、存储器、接口、微处理器和自定义组件等复杂系统组件简单又快速的集成到Ahera高密度FPGA芯片上。按照模块硬件系统的要求，借助SOPC Builder生成的模块硬件结构，包括：32位标准NiosII软核处理器：cpu;JTAG调试接口：jtag-debug-module;外部SDRAM存储器接口：sdram;Avalon三态桥：tri_state_brid ge;EPCS串行闪存控制器：EPCS_controller;外部FLASH存储器接口：cfi_flash;定时/计数器：time0/timel;以太网接口：dm9000a;1553B接口：bu61580;LED接口：led;64KRAM接口：RAM;按键接口：key;系统识别模块：sysid。
　　


　　2.3 宏功能模块RAM生成
　　CycloneII器件内部的RAM块只有M4K一种，可用来实现真正的双端口、简单双端口和单端口的RAM，可以支持移位寄存器和ROM方式。用QuartusII内所带的MegaWizard管理器来生成RAM，首先运行MegaWizard管理器选择“创建一个新的宏功能”，在出现的对话框内选择Insta lled Plug-Ins下的memory compiler下的RAM：1-PORT，如图3所示。
　　


　　在接下来的各页中选择如下参数：数据线宽度16位;存储64个字;自动单时钟驱动;选择生成*.v，*.bsf，*_inst.v，*_bb.v，*_waveforms.html 5个文件。其他参数默认即可。
                                
                　　2.4 以太网接口设计
　　以太网控制器选用DM9000A，芯片为48管脚的LQFP封装，支持处理器接口以字节/字模式的I/O命令操作内部存储器数据，集成10/100M带有AUTO-MDIX的接收器，支持用于全双工流控制的IEEE802.3x标准，提供IP/TCP/UDP校验和生成以及校验过程，可选的EEPROM配置。
　　DM9000A与控制器和RJ45连接器的连接如图4所示。DM9000A与控制器有两种数据总线宽度的连接方式，即8位/16位模式，论文选用16位操作模式。DM9000A通过TX+、TX-、RX+和RX- 4条线与自带隔离变压器的RJ45转换器相连。RESET引脚为DM9000A的复位引脚，低电平有效;X1外接25 Hz时钟频率。
　　


　　2.5 1553B接口设计
　　BU-61580与控制器的接口形式非常灵活，本文根据需求和资源情况选择16位缓冲连接方式。为了提高本模块的抗干扰性，论文采用变压器耦合方式。BU-61580的外围电路连接图如图5所示。