基于μC/OS-Ⅱ的1553B和ARINC429总线实时协议转换系统的设计

近年来,ГOCT18977、1553B和ARINC429已成为我军机载设备间、飞机与导弹间数据通信所广泛采用的总线标准。这种多种总线标准并存的情况带来一系列问题:一是在地面维护过程中,需要测试不同总线标准的数据;二是不同总线标准之间的协议转换。因此如何实现地面检测设备与多种不同总线标准机载设备之间的通信以及不同总线标准之间的协议转换成为必须解决的问题。本文针对某型飞机加挂某型导弹的实际应用,设计了一个基于μC/OS-Ⅱ的1553B和ARINC429总线实时协议转换系统。

1 协议转换系统的需求分析和设计原则

1553B和ARINC429总线实时协议转换系统是某型飞机发射架的一部分,主要完成以下功能:(1)完成对导弹加温、准备和发射三个阶段的实时控制;(2)在导弹准备和发射阶段,把1553B格式的飞行任务转换成ARINC429格式,并发送给导弹; (3)在导弹准备和发射阶段,控制电源模块输出4路直流给导引头;(4)完成对导弹故障的实时检测,并上报给飞机。

显然,该系统是一个典型的航空电子设备,因此,实时性和可靠性将是系统设计的基本要求。同样,简单化、模块化也是设计中要遵循的思想。具体来说,设计时应遵循下列几个原则:(1)实时性强;(2)可靠性高;(3)具有一定的扩展性;(4)维修性好;(5)通用性好。

2 1553B和ARINC429协议分析

2.1 1553B总线协议[1-3]

1553B总线的正式名称为"时分制指令/响应式多路传输数据总线"(Time Division Command/ Response Multiplex Data Bus),是目前世界军用飞机中应用最广泛的数据传输系统。1553B高度的可靠性和灵活性使它在机载、舰载以及地面武器设备中得到了广泛的应用,并逐渐应用到民用领域。

1553B总线的基本操作要求是:总线系统信息传输的控制权唯一归总线控制器所有;总线系统的操作应是指令/响应型的异步操作;数据总线上的信息传输应以半双工方式进行;数据总线上的信息流应由消息组成;总线系统应具有方式控制的能力。

1553B总线上只有3种字格式,分别是指令字、数据字和状态字,如图1所示。一个字的结构为"同步头+16位数据位+奇偶校验位",总共20个位时。

1553B总线上的消息格式数量有限,可以分为非广播消息和广播消息两大类。非广播消息有6种消息格式,广播消息有4种格式,除了这10种消息格式之外,不应使用任何别的消息格式。

2.2 ARINC429总线协议[4-6]

ARINC429总线是ARINC为航空电子系统之间进行数据传输而定义的航空工业标准,其正式名称为MARK33数字式信息传输系统DITS(Digital Information Transfer System)技术标准,信号形式同ГОСТ18977。ARINC429 在国内被称为HB6096-86 数字信息传输系统。

ARINC429总线的一个数据字有32位,它们被分为5段,采用2的补码小数记法编码(BNR)或ISO5 号字母表数字子集编码(BCD),其数据格式如表1所示。

ARINC429的传输协议十分简单,是点对点的传输协议,解决了原来419 规范的许多矛盾和冲突。根据规范,其数字信息通过一对单向、差分耦合、双绞屏蔽线传输,属于串行通信,实现32比特字传输格式。

3 协议转换系统的硬件设计

3.1 总体设计方案和结构框图

综合协议转换系统的功能需求及1553B和ARINC429的协议分析,提出如下设计方案:(1)硬件环境:采用"MCU+FPGA+外围芯片"方案构建硬件系统,MCU采用TI 公司的DSP TMS320LF2407实现;FPGA采用Altera公司的Stratix FPGA军用温度级产品EP1S60F1020I6实现;外围芯片主要包括1553B协议芯片BU61580等。(2)软件环境:将嵌入式实时内核μC/OS-II移植到DSP控制器TMS320LF2407上从而构建一个低成本的通用嵌入式实时软件平台;基于DSP集成化软件开发环境CCS,用C语言和汇编语言进行软件开发。

1553B和ARINC429总线实时协议转换系统实际上是一个嵌入式微型计算机应用系统,由控制器模块、接口电路模块和电源模块三部分组成,其总体结构如图2所示。

控制器模块是协议转换系统的核心,用于完成对导弹的实时控制、逻辑判断、总线转换以及串口通信等功能;接口电路模块是协议转换系统的外部接口(飞机、导弹接口)与控制器模块之间的桥梁,其功能是信号隔离、电平转换和功率信号时序控制等;电源模块包括两个部分,一部分用于产生协议转换系统本身工作所需电源,另一部分用于产生导引头工作所需电源。

3.2 控制器模块的设计

控制器模块的结构原理图如图3所示。整个控制器模块主要由控制器、422总线通信电路、1553B协议转换电路、隔离变压器电路、FPGA控制逻辑及ARINC429电平转换电路等组成。

FPGA控制逻辑用Verilog HDL在QuartusII环境下编程实现,主要完成以下功能:(1)产生对1553B协议芯片BU61580操作的所有控制信号;(2)产生对ARINC429接收模块和ARINC429发送模块操作的所有控制信号; (3)为1553B协议芯片BU61580、ARINC429接收模块和ARINC429发送模块产生各自的工作时钟,其中分频数N可通过软件进行赋值,实现可编程时钟模块;(4)建立FIFO模块,在数据传输中缓冲和存储数据;(5)实现ARINC429信号接收和发送,包括同步处理、字头检验、奇偶校验、串并转换和并串转换等。