王文萱，翟正軍

　?。ㄎ鞅惫I(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院,，陜西 西安 710129）

　　摘要：1553B總線在航空、航天、艦船等嵌入式高可靠實時通信領(lǐng)域占有重要地位,。分析了1553B總線終端的組成,，歸納比較了DDC公司研制的多款1553B總線處理器的發(fā)展變化的特征，應(yīng)用該公司集成度最高的1553B總線處理器,，設(shè)計了小型化的1553B總線終端,，與采用集成度較低的1553B處理器完成的設(shè)計方案進行了比較。結(jié)果表明,，所設(shè)計的終端在體積,、功耗、重量方面降幅均超過60%,。

　　關(guān)鍵詞： 1553B總線,；總線終端；通信處理器

0引言

　　數(shù)字式時分制指令響應(yīng)型多路傳輸總線1553B標準最初是由美國為研制聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)制定的通信標準,。由于1553B總線在航電系統(tǒng)上的應(yīng)用大大提高了飛機的性能,，因而逐步擴展到艦船、航天等高可靠通信領(lǐng)域,。雖然1553B總線已發(fā)展應(yīng)用了30年,，但由于1553B總線具有集中控制簡單、實時響應(yīng),、容錯可靠,、便于維護、技術(shù)成熟等優(yōu)勢,，因此在航空,、航天、艦船等嵌入式高可靠實時領(lǐng)域1553B總線依然占有重要的地位,。以最新型的歐洲寬體客機A350XWB為例,，在機載局域網(wǎng)中采用了1553B總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信。

　　嵌入式高可靠實時系統(tǒng)功能與性能發(fā)展的同時,，對系統(tǒng)的體積,、功耗、重量等要求也愈來愈高,，在基于1553B總線互聯(lián)的系統(tǒng)中,，每個設(shè)備都需要1553B終端才能接入到總線中，因此1553B總線終端在系統(tǒng)中占有相當?shù)谋戎?。在滿足系統(tǒng)通信要求下,，降低1553B總線終端的設(shè)計復(fù)雜度，減少體積,、功耗,、重量,，成為1553B終端設(shè)計人員的一項重要的追求目標。

　　美國數(shù)字設(shè)備公司（DDC）［1］在1553B總線器件研發(fā),、制造及應(yīng)用方面占有重要的地位,，本文以其不斷推新發(fā)展的1553B總線處理器芯片為研究對象，分析歸納了DDC公司將原來與1553B終端實現(xiàn)相關(guān)的外圍器件不斷集成到1553B總線通信處理器中,，而且不斷擴展1553B總線通信處理器內(nèi)部可編程能力的趨勢,，使讀者了解1553B總線通信處理器功能不斷增強、集成度不斷提高的特點,，為設(shè)計人員選擇合適的1553B總線通信處理器提供參考,，以滿足系統(tǒng)1553B總線功能要求的同時，也能滿足對1553B總線終端的體積,、功耗,、重量的指標約束條件。

11553B總線終端構(gòu)成

　　1553B總線傳輸速率為1 Mb/s,，傳輸媒介為屏蔽雙絞線,，可接入32個終端，終端共有三種類型：總線控制器（Bus Controller,，BC）,、遠程終端（Remote Terminal，RT）和總線監(jiān)視器（Bus Monitor,，BM）,。BC是總線上唯一能組織數(shù)據(jù)消息傳輸?shù)慕K端；RT是接受總線上BC控制,，完成消息發(fā)送或接收的終端,；BM是接收總線上消息并能有選擇記錄的終端，其僅“監(jiān)控”總線上信息傳輸?shù)粎⑴c總線的通信,。在嵌入式高可靠實時系統(tǒng)中,，1553B總線為雙余度拓撲結(jié)構(gòu)，所有1553B總線終端設(shè)備通過變壓器耦合方式掛接在總線網(wǎng)絡(luò)上［2］,。

　　采用變壓器耦合方式的1553B總線終端硬件包括：主機接口電路,、消息存儲器、1553B協(xié)議處理器,、雙余度總線收發(fā)器和隔離變壓器。通用的1553B總線終端硬件構(gòu)成如圖1所示,。

　　主機接口電路,、實現(xiàn)主機地址、數(shù)據(jù)及控制總線到終端內(nèi)部總線的緩沖隔離及控制,。消息存儲器支持主機與終端內(nèi)部1553B協(xié)議處理器對1553B總線消息數(shù)據(jù)的存儲,、讀寫訪問，需要設(shè)計消息存儲器共享互斥訪問控制電路，以達到兩者可正確訪問,。

　　1553B協(xié)議處理器按照1553B協(xié)議要求,，首先完成1553B的ManchesterⅡ碼編譯碼、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換與并串轉(zhuǎn)換,、數(shù)據(jù)字同步頭的產(chǎn)生與檢測,、奇校驗；其次根據(jù)主機規(guī)定,，作為BC,、RT或BM完成總線傳輸中的任務(wù)。作為BC,，組織消息的發(fā)送與正確性判斷,；作為RT，完成對指令字的識別,、狀態(tài)字的自動響應(yīng),；作為BM，完成對所有或部分要求監(jiān)控的消息監(jiān)控并記錄,。1553B協(xié)議處理器是終端的控制核心,，不僅要訪問消息存儲器完成1553B消息數(shù)據(jù)的收發(fā)及相應(yīng)狀態(tài)的修改，而且要與雙余度1553B總線收發(fā)器連接,，將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送器或從接收器接收串行數(shù)據(jù),，還要提供主機可編程接口能力，由主機控制終端的角色,、運行或讀取終端的實時狀態(tài),，在主機通信軟件管理下完成1553B總線傳輸任務(wù)。雙余度1553B總線收發(fā)器能夠?qū)TL電平的串行Manchester碼與雙極性的Manchester碼相互轉(zhuǎn)化,。兩路隔離變壓器,，源端與雙余度1553B總線收發(fā)器連接，次端與1553B總線的兩條主電纜耦合器分別相連,。

21553B通信處理器的變化分析與比較

　　從上面1553B總線終端構(gòu)成可見,，為完成1553B總線通信任務(wù)，需要至少五部分功能單元電路,。

　　在2000年前,，1553B總線生產(chǎn)廠家如UTMC、NHI等公司的1553B協(xié)議處理器,、總線收發(fā)器,、變壓器等均是獨立的器件，因此設(shè)計1553B總線終端需要十多個元器件,，硬件模塊體積大,、重量重,、功耗大。

　　DDC公司首先認識到集成的必要性和發(fā)展趨勢,，于1995年推出了集成度大幅度提高的1553B先進通信引擎（ACE）器件［3］,，是高集成度的1553B總線通信處理器。 ACE單一器件包含了子系統(tǒng)（設(shè)備）主機接口隔離電路,、消息存儲器,、1553B協(xié)議處理器、雙余度總線收發(fā)器,，實現(xiàn)的主要功能包括：

　?。?）BC/RT/BM協(xié)議一體化設(shè)計，由軟件配置工作角色,；

　?。?）主處理器接口，靈活多樣,，支持8/16 bit模式,，可零等待或插入等待；

　?。?）消息存儲器,，64 KB RAM，包含主機與內(nèi)部協(xié)議訪問的互斥訪問控制,；

　?。?）內(nèi)置雙余度總線收發(fā)器，單5 V供電,；

　?。?）增強BC功能的特征：支持自動重試、可編程間隔時間,、幀自動重復(fù),、可編程響應(yīng)超時時間；

　?。?）增強RT功能的特征：可編程命令非法化表,，可選擇單消息緩沖、雙緩沖,、環(huán)形緩沖和全局環(huán)形緩沖,，獨立的方式命令中斷，可根據(jù)子地址進行忙位編程,；

　?。?）增強BM功能的特征：選擇消息監(jiān)控特征，提供可編程觸發(fā)選項,。

　　隨著半導(dǎo)體微電子工藝水平的發(fā)展和提高,，在對1553B終端設(shè)計要求不斷提高的外界需求推動下， 以ACE為基礎(chǔ),，通過集成外部器件提高集成度,、改變封裝縮小體積、增強內(nèi)部新的功能擴展通用性等措施,，DDC公司在1999年,、2004年、2011年和2013年分別推出了MiniACE,、MicroACE,、TotalACE、TotalACEXtreme四款產(chǎn)品,。下面分別說明這四款典型處理器的主要特點,。

　　（1）MiniACE將ACE的DIP封裝改為“Flat Pack”封裝,，體積壓縮為25.4 mm×25.4 mm×3.3 mm,。相比ACE僅有的CPU局部總線接口，擴展提供了一種PCI總線的接口,，為1553B終端作為PCI總線的從設(shè)備提供了無縫連接,。但需要外接兩個隔離變壓器。（2）MicroACE在MiniACE基礎(chǔ)上,，不僅增強了BC的編程能力,，包括十余種總線表判定、分支,、循環(huán)操作碼等,，方便了用戶對總線的控制，而且改為BGA封裝,，體積壓縮到20.7 mm×20.7 mm×3.3 mm,。提供CPU局部總線接口或PCI總線接口。需要外接兩個隔離變壓器,。（3）TotalACE在MicroACE之上,，內(nèi)部集成了兩個隔離變壓器，是BGA封裝,，體積為27.9 mm×15.2 mm×4.7 mm,，也提供CPU局部總線接口或PCI總線接口。不需要外接兩個隔離變壓器,。（4）TotalACEXtreme在TotalACE基礎(chǔ)上,，增強了能同時做多個RT的功能。采用更小的BGA封裝,，體積縮小為16 mm×16 mm×4.7 mm,；提供CPU局部總線接口或PCI總線接口,。不需要外接兩個隔離變壓器。

　　總結(jié)DDC公司以上五款1553B通信處理芯片的特征,，比較如表1所示,。

31553B總線終端設(shè)計

　　采用UTMC公司低集成度1553B協(xié)議處理芯片BCRTM為核心器件［45］，需要增加外部存儲器,、雙余度收發(fā)器,、兩個隔離變壓器、主機接口隔離電路,、仲裁電路,、譯碼電路、時鐘電路等,，需要至少10多個功能器件,，才能實現(xiàn)一個1553B總線終端，如圖2所示,。

　　圖2基于低集成度的BCRTM芯片的終端設(shè)計框圖

　　而采用最新的Total-ACEXtreme高集成度芯片［6］,，因其內(nèi)部集成了絕大多數(shù)電路，只需要再增加時鐘,、簡單的主機接口訪問譯碼電路即可構(gòu)建一個比UT1553B BCRTM方案功能更全（支持多個RT同時工作,、RT&BM模式等功能）的1553B總線終端，如圖3所示,。

　　圖3基于高集成度TotalACEXtreme的終端設(shè)計框圖對比采用集成度較低的UT1553B BCRTM芯片與采用集成度最高的TotalACEXtreme芯片構(gòu)建1553B總線終端的兩種設(shè)計方案,，后者占用電路板的面積節(jié)省了70％，重量減輕約60％,，功耗降低約60％,，因而大大降低了1553B總線終端的體積、功耗,、重量,，為系統(tǒng)設(shè)計節(jié)省了寶貴的資源。

4結(jié)論

　　本文介紹了1553B總線終端的功能單元構(gòu)成,，通過分析DDC公司推出的五款1553B總線處理器的技術(shù)特征和發(fā)展趨勢,，說明隨著集成電路水平的提高，1553B總線通信處理器集成的功能電路數(shù)量不斷增加,、完成的功能愈來愈強大,、體積越來越小,；同時與主設(shè)備的接口趨向簡單化,、服務(wù)趨向透明化，從而為1553B設(shè)計人員降低1553B總線終端硬件設(shè)計復(fù)雜度，減少體積,、功耗與重量的目標奠定了基礎(chǔ),。

參考文獻

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