文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.010
中文引用格式： 茹偉，張軍才,，趙臘才. 基于單片機(jī)的機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2015，41(9)：39-41.
英文引用格式： Ru Wei,，Zhang Juncai,，Zhao Lacai. Design and implementation of airborne gigabit switch system based on micro control unit[J].Application of Electronic Technique，2015,，41(9)：39-41.
0 引言
隨著A380,、B787等大型民用飛機(jī)的出現(xiàn)，為滿足乘客旅途及舒適度要求而逐步提供了機(jī)上休閑及娛樂功能,，當(dāng)乘客娛樂功能及數(shù)據(jù)迅速發(fā)展而帶來大量數(shù)據(jù)傳輸,，傳統(tǒng)的AFDX網(wǎng)絡(luò)100 Mb/s傳輸帶寬已不適應(yīng)大量數(shù)據(jù)傳輸，基于IEEE802．3ah協(xié)議的EPON技術(shù)及基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的TTE技術(shù)都具有更高的傳輸速率[1],。
目前,，嵌入式技術(shù)已在機(jī)載軟件[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]等方面廣泛應(yīng)用,，傳統(tǒng)的面向過程開發(fā)方法已不適應(yīng)當(dāng)前嵌入式軟件的大規(guī)模,、高復(fù)雜的需求，面向?qū)ο?/a>設(shè)計技術(shù)采用封裝,、繼承等抽象機(jī)制降低了系統(tǒng)復(fù)雜性,，在嵌入式軟件的開發(fā)過程過中用來提高軟件的可重用性、可擴(kuò)展性[4],。本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的嵌入式千兆交換機(jī)系統(tǒng),，實現(xiàn)對交換機(jī)進(jìn)行配置以及自測試,，從而實現(xiàn)飛機(jī)娛樂系統(tǒng)對大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。采用面向?qū)ο蟮腢ML開發(fā)技術(shù)[5],，使嵌入式開發(fā)后軟件具有可移植性及良好擴(kuò)展性。
1 機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計
機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)需根據(jù)外部ID1~ID3離散量的不同配置,，實現(xiàn)交換機(jī)的不同工作模式配置,，并通過CPCI對外提供20路千兆以太網(wǎng)；同時需周期性對交換機(jī)進(jìn)行自測試,，將測試結(jié)果通過串口輸出,。
根據(jù)交換機(jī)系統(tǒng)需求，本文設(shè)計了一種機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng),。通過單片機(jī)實現(xiàn)交換機(jī)不同工作模式的配置和自測試（BIT）,，實現(xiàn)對外提供20路千兆以太網(wǎng)。交換機(jī)選用Broadcom公司的一款二層9 口千兆以太網(wǎng)交換芯片BCM53118[6],，芯片符合IEEE 802.3規(guī)范,，8路10/100/1 000 Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)口，對交換機(jī)進(jìn)行讀寫操作可通過SPI總線,；同時此交換機(jī)有下電控制寄存器,，可實現(xiàn)異常狀態(tài)下低功耗工作要求。
根據(jù)系統(tǒng)需求及嵌入式軟件存儲要求,，單片機(jī)程序存儲空間應(yīng)不低于128 KB的Flash,，輸出測試結(jié)果的串口不少于1路，對交換機(jī)讀寫操作的SPI不少于1路,，BIT測試觸發(fā)的定時器不少于1個,，GPIO不少于3個，同時單片機(jī)應(yīng)有支持調(diào)試接口的JTAG,。
根據(jù)上述要求,，單片機(jī)采用TI的TM4C1231H6PGE[7]（簡稱TM4C）。TM4C是一款基于Cortex-M4F的處理器,、具有256 KB的Flash,、32 KB的SRAM、8路串口UART,、4路SPI,、多個定時器、1個JTAG口,。機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示,。
圖1中，根據(jù)ID1~ID3離散量的不同值,，實現(xiàn)交換機(jī)3種不同工作模式,，即：(1)3個交換機(jī)獨立工作，此時SW2的Port5與SW1的Port5,、SW2的Port6與SW3的Port6斷開,；(2)3個交換機(jī)級聯(lián)工作,，此時SW2的Port5與SW1的Port5、SW2的Port6與SW3的Port6連接,；(3)3個交換機(jī)靜默工作,，即3個交換機(jī)下電。
2 機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)軟件總體設(shè)計
2.1 軟件靜態(tài)模型
按照機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)要求,，軟件功能劃分為初始化,、交換機(jī)配置、BIT測試,、總線接口,。為實現(xiàn)嵌入式交換機(jī)系統(tǒng)軟件的移植性、擴(kuò)展性,，本文采用基于UML的面向?qū)ο笤O(shè)計方法,。交換機(jī)系統(tǒng)的靜態(tài)模型如圖2。類Sw_Config實現(xiàn)交換機(jī)配置功能,；類BIT實現(xiàn)對交換機(jī)硬件檢測,、交換機(jī)狀態(tài)的檢測結(jié)果輸出；類Timer實現(xiàn)整個軟件中精確定時事件觸發(fā),；類UART實現(xiàn)通過串口收發(fā)數(shù)據(jù),；類SPI實現(xiàn)單片機(jī)對交換機(jī)的讀寫操作；類Initialization實現(xiàn)對定時器,、SPI,、UART的初始化配置。
2.2 軟件流程圖
機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)軟件的運行流程如圖3,。首先對所需要使用的資源進(jìn)行初始化,，包括定時器、串口,、SPI,，當(dāng)初始化成功后讀取ID1~ID3離散量，根據(jù)不同離散量值完成對交換機(jī)的配置,；周期執(zhí)行BIT測試,，在BIT檢測結(jié)果無故障后通過串口將測試結(jié)果輸出。在初始化失敗或者周期執(zhí)行BIT測試時交換機(jī)有故障,，則立即停止運行,。
2.3 軟件設(shè)計
2.3.1 Initialization
初始化是交換機(jī)系統(tǒng)軟件的入口，其主要功能如下：(1)完成UART的初始化,，包括波特率,、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位,；(2)完成SPI的初始化,；(3)完成Timer初始化，包括定時器工作模式,、定時器分辨率等。
2.3.2 Sw_Config
Sw_Config主要功能為：(1)ID1,、ID2,、ID3離散量值的獲取,；(2)實現(xiàn)對交換機(jī)不同工作模式的配置,。
系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先讀取外部ID1~ID3的離散量值,，然后根據(jù)離散量值對交換機(jī)進(jìn)行工作模式配置,，即當(dāng)離散量ID1、1D2,、ID3的取值為001b時,，交換機(jī)配置為獨立工作模式；當(dāng)離散量ID1,、DI2,、ID3的取值為010b時，交換機(jī)配置為級聯(lián)工作模式,；當(dāng)ID1,、DI2、ID3的取值為其他時,，交換機(jī)配置模式為下電模式,。
2.3.3 BIT
機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)周期性BIT測試交換機(jī)硬件、交換機(jī)端口連接狀態(tài),。交換機(jī)硬件的檢測內(nèi)容是交換機(jī)是否有故障,，交換機(jī)端口連接狀態(tài)內(nèi)容包含端口狀態(tài)(Up/Down)、端口速度（10 Mb/s,、100 Mb/s,、1 000 Mb/s）、傳輸方式（Full-Duplex/Half-Duplex）,。在進(jìn)行周期性BIT時,，檢測到任一交換機(jī)故障，則軟件終止運行,。
2.3.4 UART/SPI/TIMER
UART類實現(xiàn)串口收發(fā)數(shù)據(jù),，周期性BIT測試結(jié)果無故障后輸出測試結(jié)果。
SPI類實現(xiàn)單片機(jī)對交換機(jī)的讀寫操作,，SPI類包含SPI的讀寫操作,。
Timer實現(xiàn)整個交換機(jī)系統(tǒng)的精確定時,，當(dāng)定時周期到時，完成周期性BIT測試,。
3 機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)
根據(jù)上述基于單片機(jī)嵌入式千兆交換機(jī)系統(tǒng)硬件平臺及軟件設(shè)計,，軟件在Keil 4.5.3開發(fā)環(huán)境上完成開發(fā)，并通過J-LINK仿真器將程序下載到單片機(jī)上,。通過串口調(diào)試助手,，對以下3種情形的實現(xiàn)進(jìn)行驗證。
(1)BIT測試結(jié)果無故障,，離散量ID1,、1D2、ID3的取值為001b時,，交換機(jī)配置為獨立工作模式——模式1,。當(dāng)SW1/SW2/SW3的Port7分別連接到PC上，實現(xiàn)驗證結(jié)果如圖4所示,。
(2)BIT測試結(jié)果無故障,，散量ID1、DI2,、ID3的取值為010b時,，交換機(jī)配置為級聯(lián)工作模式——模式2。當(dāng)SW1的Port7連接到PC時,，實現(xiàn)驗證結(jié)果如圖5所示,。
(3)BIT測試結(jié)果無故障，離散量ID1,、1D2,、ID3的取值為非001b/010b時，交換機(jī)配置為靜默工作模式——模式3,，此時所有的交換機(jī)任何時候均處于down(非連接)狀態(tài),。實現(xiàn)驗證結(jié)果如圖6所示。
(4)BIT測試結(jié)果有故障,，SW1/SW2/SW3實現(xiàn)驗證結(jié)果與圖6一致,，即任何時候均處于down(非連接)狀態(tài)。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的嵌入式千兆交換機(jī)系統(tǒng)硬件平臺及軟件,，根據(jù)外部離散量實現(xiàn)交換機(jī)不同工作模式的配置,，實現(xiàn)了交換機(jī)的BIT測試功能。
采用基于UML的面向?qū)ο笤O(shè)計方法,，使得低層驅(qū)動獨立而不依賴硬件平臺,，上層應(yīng)用具有良好的移植性。機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)軟件已在不同的單片機(jī)平臺上測試運行，均表明功能正常,，滿足移植性,、擴(kuò)展性要求。本文對機(jī)載交換機(jī)進(jìn)行自測試,，可以有效地實現(xiàn)交換機(jī)健康管理,，為故障診斷、維護(hù)測試的研究進(jìn)行了一些探索,。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐科華,，陳謀，徐揚,，等.民用飛機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)分布式體系架構(gòu)研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,，2012,，19(6)：494-498.
[2] 黃志球,，徐丙鳳，闞雙龍,，等.嵌入式機(jī)載軟件安全性分析標(biāo)準(zhǔn),、方法及工具研究綜述[J].軟件學(xué)報，2012,，25(2)：200-218.
[3] 張鋒,，劉美.基于嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市綠化在線監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,，40(7)：13-16,，20.
[4] 王道乾，張楊.基于UML的嵌入式系統(tǒng)模型設(shè)計[J].計算機(jī)科學(xué),，2006,，33(11)：293-295.
[5] 車葵，程保中,，牛曉太,，等.UML在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的研究與應(yīng)用[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2009,，30(15)：3559-3564.
[6] Broadcom Corporation.BCM53118 datasheet[Z].2009.
[7] Texas Instruments Incorporated. Stellaris TM4C1231H6PGE,，Microcontroller datasheet[Z].2011.