CN102647320A - 适用于高速1553总线协议控制的集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其包括：双通道通信协议处理模块、外部接口逻辑模块、配置寄存器模块、存储管理模块、位宽选择模块、总线监控模块、总线控制模块、远程终端控制模块和时钟/复位模块。本发明的优点是：集成10Mbps1553协议处理、总线收发、数据存储及与外部通讯功能。通过端口设置进行1Mbps和10Mbps通讯速率的置换，可以进行8位/16位两种宽度的数据发送/接收。主要应用在航空、航天测控网络、工业控制等技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高速1553协议控制的系统集成电路，属于集成电路领域。
背景技术
MIL-STD-1553数据总线因其高可靠性特诸多优点被广泛应用于飞机、航空、航天等多个领域。在过去的半个多世纪，MIL-STD-1553一直被认为是当今我们俗称的网络战起源，它实现了传感器、武器等各种电子装备的信息共享与传输，从根本上改变了以美国为代表作战方式。但随着更快处理器的诞生，封装的小型化以及软件技术的革新，1553B仅仅1Mbps的数据传输速度无疑成为了信息数据传输的瓶颈，推出一种更快速度的传输方式迫在眉睫。
国外在高速1553总线的研究比较早。早在2006年，John Keller在AVIONICS magazine上发表了题为“Rebirth of the 1553 databus”的文章，介绍了由Edgewater负责开发的高速1553总线Extended 1553以及DDC公司的Hyper 1553，它们均采用类似于DSL传输载波的方式，在不改变原有线缆及接口的基础上，将高频低频信号调制为不同的通道传输，实现了在原有1553平台上传输高速信号。
此外，Andrew D.Parker在AVIONICS magazine上发表了题为“Product Focus: High-Speed 1553: Technology Advances Boost Performance”的文章，谈到了介于1M1553与100M1553之间的10M系统：增强型比特流1553，由SAE开发的。
类似于Extended 1553及Hyper1553的百兆1553的主要缺点有：1、虽然不需要改动原有的总线结构及线缆、器件等，但由于采用的是调制解调载波传输方式，收发器电路部分需要进行比较大的改动，开发周期也会大增加。
至于SAE的10Mbps 1553，根据文章介绍，其收发器电路采用的是RS485总线收发器，它同样存在一些缺点：1、RS485是一种既定的协议标准，协议已无更改的余地，且终端电阻、线长等也有明确的规定，灵活性差；2、RS485虽然能达到10Mbps的传输速度，也能传输较远的距离，但在高速传输时很难保证总线上的电压达到1553总线规范要求的28Vpp；3、采用RS485的收发器电路，其传输介质已不再是原来的1553线缆，必须换成RS485专用线缆，并且总线接口也要更换，这无疑增加了更换线缆与接口的成本，而且将花费很长的时间对已有的1553系统进行重新部署。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于高速1553总线协议控制的集成电路，将原来的1Mbps 1553B协议处理及数据传输能力提升到10Mbps，从而使得该应用领域控制系统数据传输速度会得到很大提高。
按照本发明提供的技术方案，所述适用于高速1553总线协议控制的集成电路包括：双通道通信协议处理模块、外部接口逻辑模块、配置寄存器模块、存储管理模块、位宽选择模块、总线监控模块、总线控制模块、远程终端控制模块和时钟/复位模块；所述双通道通信协议处理模块采用曼彻斯特编解码技术，实现时分命令响应式串行通讯；所述外部接口逻辑模块实现本集成电路与外部设备的接口，用来实现外部设备对本集成电路的控制；所述配置寄存器模块配置内容包括：负责数据位宽选择的数据宽度寄存器、负责总线控制模块进行数据传输的启动寄存器、负责对电路数据传输速率选择的速控寄存器、负责记录远程终端状态的远程终端状态寄存器、负责设置总线控制器工作方式的总线控制模块寄存器；所述存储管理模块实现外部设备和本集成电路之间交互数据的管理；所述位宽选择模块通过外部输入对数据宽度寄存器进行设置，实现8位/16位数据宽度接收和发送，以及内部对不同数据宽度数据处理；所述总线监控模块实时侦听总线上的数据流，将数据流记录下来，或有选择地进行数据监听；所述总线控制器模块控制通讯数据流的传输，负责数据发送和接收的发起和总线网络的管理；所述远程终端控制模块根据通信协议在规定的时间内响应总线控制器发出的命令，进行数据接收或发送；所述时钟/复位模块实现对输入时钟的管理和电路复位管理；所述双通道通信协议处理模块、配置寄存器模块、存储管理模块、位宽选择模块、总线监控模块、总线控制模块、远程终端控制模块和时钟/复位模块通过1533总线互相连接，所述双通道通信协议处理模块通过外部接口逻辑模块连接外部设备。
所述存储管理模块包括一个4K×16Bit的异步双口SRAM，两个端口都支持读写，外部设备通过第二端口访问SRAM，内部数据访问由第一端口进行。
所述配置寄存器模块对电路功能的配置，由外部信号直接配置，或通过软件来配置。
所述总线监控模块支持命令堆栈半满、全满溢出；支持数据堆栈半满、全满溢出；命令堆栈与数据堆栈独立；对每条消息有相应的属性标志。
所述总线控制模块控制外部设备将数据写入总线控制器的内部存储器，并通过设置启动寄存器来启动总线控制器进行数据传输；对于每个消息，总线控制器通过其控制字初始化总线控制器的状态从而发起数据传输，并通过其命令字通知远程终端响应数据传输；总线控制器还通过模式命令对远程终端进行控制，包括读取同步和状态字。
所述总线控制模块支持A/B双通道区域；具有自动重发功能；消息间隔时间能够编程设定；帧自动重复发送；超时响应时间能够编程设定。
所述双通道通信协议处理模块的双通道都有各自独立的编码、解码功能；编码器的功能是将并行的NRZ码转换成串行的曼彻斯特编II码，1553B总线协议中的命令字、数据字、状态字由同步头进行区分；解码器模块将互补型曼彻斯特编码转换成并行的NRZ码，同时生成相应的指示信息。
所述远程终端控制模块会对输入信号进行检测，当检测到跟该远程终端设备地址一致的命令字后，响应数据传输；对于发送命令，远程终端在发送数据之前将其状态字通过1553总线发送给总线控制模块；对于接收命令，远程终端在接收完数据后将其状态字通过1553总线发送给总线控制模块；总线控制模块通过远程终端状态字判断本次数据传输是否有效。
所述远程终端控制模块具有：可编程的远程终端地址、子地址；支持单缓冲存储器管理方式；支持循环缓冲存储器管理方式；支持双缓冲存储器管理方式；可编程的非法命令表；可编程的方式代码中断表；可编程的子地址忙表。
所述双通道通信协议处理模块的滤波方式采用的是比较滤波，同步头提取位于滤波后的环节，完成同步后对消息正文内容的前十六位作奇校验，并将校验结果与消息的第十七位比对，所述消息正文内容是指消息中除去同步头的剩余部分。
本发明的优点是：集成10Mbps 1553协议处理、总线收发、数据存储及与外部通讯功能。通过端口设置进行1Mbps和10Mbps通讯速率的置换，可以进行8位/16位两种宽度的数据发送/接收。主要应用在航空、航天测控网络、工业控制等技术领域。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是本发明BC状态下的工作流程图。
图3是本发明RT状态下的工作流程图。
图4是本发明BM状态下的工作流程图。
图5是本发明双通道通信协议处理模块处理流程图。
具体实施方式
本发明主要包括双通道通信协议处理模块、外部接口逻辑模块、配置寄存器模块、存储管理模块和时钟/复位模块等，如图1所示。其中双通道通信协议处理模块采用曼彻斯特编解码技术，实现时分命令响应式串行通讯；外部接口逻辑模块实现电路与外部设备的接口，用来实现外部设备对电路的控制；配置寄存器模块主要实现对电路功能的配置；双口存储模块管理实现外部设备和电路之间交互数据的管理，含一个4Kx16Bit的双口异步存储器；时钟/复位模块实现对输入时钟的管理和电路复位管理。
在实际应用中，本发明可以通过配置成为总线控制模块（BC）、远程终端（RT）、总线监控模块（BM）三种类型的控制器；可以通过端口信号控制能实现电路在数据传输时进行1Mbps和10Mbps的速率选择；可以通过端口信号控制实现电路8位/16位数据宽度选择，同时能调节高低字节在传送过程中的先后顺序。
外部接口逻辑:外部设备与该电路的接口，用来实现外设对电路的控制。
时钟/复位模块：该电路由外部提供一个规定的时钟信号。全局复位信号RST，低有效。
配置寄存器模块:主要实现对电路功能的配置。可以由外部信号直接配置，也可以通过软件来配置。配置内容包括数据位宽选择的数据宽度寄存器、负责总线控制模块进行数据传输的启动寄存器、负责对电路数据传输速率选择的速控寄存器、负责记录远程终端状态的远程终端状态寄存器、负责设置总线控制器工作方式的总线控制模块寄存器等等。
位宽选择模块:通过外部输入对数据宽度寄存器进行设置，实现8位/16位数据宽度接收和发送，以及内部对不同数据宽度数据处理。
总线监控模块：能实时侦听总线上的数据流，可以将所有的数据流记录下来，也可以有选择地进行数据监听；支持命令堆栈半满、全满溢出；支持数据堆栈半满、全满溢出；命令堆栈与数据堆栈独立；对每条消息有相应的属性标志；
远程终端控制模块：能根据协议在规定的时间内响应总线控制器发出的命令，进行数据接收或发送。它会对输入信号进行检测，当检测到跟该远程终端设备地址一致的命令字后，响应数据传输。对于发送命令，远程终端在发送数据之前将其状态字通过1553总线发送给总线控制模块；对于接收命令，远程终端在接收完数据后将其状态字通过1553总线发送给总线控制模块。总线控制模块通过远程终端状态字判断本次数据传输（发送/接收）是否有效。
当接收到模式命令后，远程终端需要对接收到的模式命令进行响应。可编程的远程终端地址，子地址；支持单缓冲存储器管理方式；支持循环缓冲存储器管理方式；支持双缓冲存储器管理方式；可编程的非法命令表；可编程的方式代码中断表；可编程的子地址忙表；
总线控制模块：总线控制器模块控制通讯数据流的传输，是数据发送和接收的发起者和总线网络的管理者。控制外部设备将数据写入总线控制器的内部存储器，并通过启动寄存器来启动总线控制模块总线控制器进行数据传输。对于每个消息，总线控制器通过其控制字初始化总线控制器的状态从而发起数据传输（发送或者接收），并通过其命令字通知远程终端响应数据传输（接收或者发送）。总线控制器还可以通过模式命令对远程终端进行控制，包括读取同步和状态字等内容。支持A/B双通道区域；具有自动重发功能；可编程的消息间隔时间；帧自动重复发送；可编程的超时响应时间；
双口存储器模块：存储器模块是4K*16Bit的异步双口SRAM，每一个端口都支持读写，外部设备通过端口B访问SRAM，内部数据访问由端口A进行。
中断控制器模块：接收外部中断、内部中断两种方式。
双通道通信协议处理模块：双通道都有各自独立的编码、解码功能。编码器的功能是将并行的NRZ码转换成串行的曼彻斯特编II码，1553B总线协议中有三种类型的数据字：命令字，数据字，状态字由同步头进行区分。解码器模块将互补型曼彻斯特编码转换成并行的NRZ码，同时生成相应的指示信息。所述双通道通信协议处理模块的滤波方式采用的是比较滤波，同步头提取位于滤波后的环节，完成同步后对消息正文内容（消息中除去同步头的剩余部分）的前十六位作奇校验，并将校验结果与消息的第十七位比对。
如图1所示，本发明包括：中断控制器模块、总线控制模块、远程终端控制模块、总线监控模块、配置寄存器模块、4K的双口存储器模块，以及外部接口逻辑模块、位宽选择模块。其中，总线控制器执行的是1553协议中的总线控制功能，作为缺省的工作状态；远程终端是当电路配置为远程终端模式时，实现1553协议的主要单元；总线监视器是当电路配置为总线监视设备时，实现1553协议的主要单元；中断控制器模块是电路根据1553协议，针对通信过程中的事件，产生对应的中断信号；位宽选择模块根据设置使得接口逻辑支持8位与16位的数据总线宽度；接口模块根据需求可提供两种片外异步接口与一种片上总线接口，支持的异步片外接口是Intel的CPU异步接口与Motorola的CPU异步接口，支持的片上总线接口是ARM公司的APB总线接口。
整个电路可工作于总线控制（BC状态）、远程终端（RT状态）、总线监控（BM状态）三种模式。以下分别介绍不同状态下的工作流程。
BC状态。
外部的控制计算机将数据写入总线控制模块的内部存储器，并通过所述启动寄存器来启动数据传输。对于传输的每个消息，总线控制模块通过BC控制字初始化总线控制模块的状态从而发起数据发送或接收，BC命令字通知远程终端响应数据传输接收或者发送。整个过程如图2所示。
总线控制模块一方面通过BC状态字判断接收到的数据是否正确（包括奇偶校验）、响应是否超时等，另一方面通过读回的远程终端RT状态字，判断远程终端接收的数据是否正确、响应是否超时等。BC状态字和读回的RT状态字均正常，说明数据传输正常。
如果传输过程中出现错误（BC状态字和RT状态字异常），总线控制模块通过中断通知控制计算机进行处理，如消息重发。如果总线控制模块出现灾难性故障，控制计算机（指总线控制模块的控制计算机）对总线控制模块复位。
RT状态。
远程终端能根据协议在规定的时间内响应总线控制模块发出的命令，进行数据接收或发送。
由外部处理器配置远程终端状态寄存器和维护消息链表，等待远程终端响应消息（远程终端对输入信号进行检测，当检测到跟当前该远程终端地址一致的命令字后，响应数据消息）。对于发送命令，远程终端在发送数据之前将RT状态字通过1553总线发送给总线控制模块；对于接收命令，远程终端在接收完数据后将RT状态字通过1553总线发送给总线控制模块。总线控制模块通过RT状态字判断本次数据传输（发送/接收）是否有效，整个过程如图3所示。
当接收到模式命令后，远程终端需要对接收到的模式命令进行响应。
BM状态。
总线监控模块能够实时侦听总线上的数据流，可以将所有的数据流记录下来，也可以有选择地进行数据监听。并设有命令存储区半满、全满标志和数据存储区半满、全满标志。整个过程如图4所示，由外部处理器配置总线控制模块寄存器和维护信息链表、等待总线控制模块响应消息，并记录消息。
双通道通信协议处理模块接收时要对消息作一定的处理，整个流程如图5所示。接收器在接收到收发器还原的信号后，依次对信号做以下处理：缓存输入信号、比较滤波、同步头提取、校验。
本发明支持GJB 289A-97定义的消息，支持该标准定义的全部方式代码，错误的状态定义符合GJB 5186.2-2004-5.2.2.6表1的定义。
具备两种异步总线的接口方式与一种片上线总线的接口方式可选，通过端口设置进行1Mbps和10Mbps通讯速率的置换，可以进行8位/16位两种宽度的数据发送/接收。支持的异步总线分别是Intel与motorola的CPU异步接口总线标准。支持的片上线总线是ARM的APB总线标准。
Claims (10)
1. 适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：包括双通道通信协议处理模块、外部接口逻辑模块、配置寄存器模块、存储管理模块、位宽选择模块、总线监控模块、总线控制模块、远程终端控制模块和时钟/复位模块；所述双通道通信协议处理模块采用曼彻斯特编解码技术，实现时分命令响应式串行通讯；所述外部接口逻辑模块实现本集成电路与外部设备的接口，用来实现外部设备对本集成电路的控制；所述配置寄存器模块配置内容包括：负责数据位宽选择的数据宽度寄存器、负责总线控制模块进行数据传输的启动寄存器、负责对电路数据传输速率选择的速控寄存器、负责记录远程终端状态的远程终端状态寄存器、负责设置总线控制器工作方式的总线控制模块寄存器；所述存储管理模块实现外部设备和本集成电路之间交互数据的管理；所述位宽选择模块通过外部输入对数据宽度寄存器进行设置，实现8位/16位数据宽度接收和发送，以及内部对不同数据宽度数据处理；所述总线监控模块实时侦听总线上的数据流，将数据流记录下来，或有选择地进行数据监听；所述总线控制器模块控制通讯数据流的传输，负责数据发送和接收的发起和总线网络的管理；所述远程终端控制模块根据通信协议在规定的时间内响应总线控制器发出的命令，进行数据接收或发送；所述时钟/复位模块实现对输入时钟的管理和电路复位管理；所述双通道通信协议处理模块、配置寄存器模块、存储管理模块、位宽选择模块、总线监控模块、总线控制模块、远程终端控制模块和时钟/复位模块通过1533总线互相连接，所述双通道通信协议处理模块通过外部接口逻辑模块连接外部设备。
2.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述存储管理模块包括一个4K×16Bit的异步双口SRAM，两个端口都支持读写，外部设备通过第二端口访问SRAM，内部数据访问由第一端口进行。
3.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述配置寄存器模块对电路功能的配置，由外部信号直接配置，或通过软件来配置。
4.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述总线监控模块支持命令堆栈半满、全满溢出；支持数据堆栈半满、全满溢出；命令堆栈与数据堆栈独立；对每条消息有相应的属性标志。
5.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述总线控制模块控制外部设备将数据写入总线控制器的内部存储器，并通过设置启动寄存器来启动总线控制器进行数据传输；对于每个消息，总线控制器通过其控制字初始化总线控制器的状态从而发起数据传输，并通过其命令字通知远程终端响应数据传输；总线控制器还通过模式命令对远程终端进行控制，包括读取同步和状态字。
6.如权利要求5所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述总线控制模块支持A/B双通道区域；具有自动重发功能；消息间隔时间能够编程设定；帧自动重复发送；超时响应时间能够编程设定。
7.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述双通道通信协议处理模块的双通道都有各自独立的编码、解码功能；编码器的功能是将并行的NRZ码转换成串行的曼彻斯特编II码，1553B总线协议中的命令字、数据字、状态字由同步头进行区分；解码器模块将互补型曼彻斯特编码转换成并行的NRZ码，同时生成相应的指示信息。
8.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述远程终端控制模块会对输入信号进行检测，当检测到跟该远程终端设备地址一致的命令字后，响应数据传输；对于发送命令，远程终端在发送数据之前将其状态字通过1553总线发送给总线控制模块；对于接收命令，远程终端在接收完数据后将其状态字通过1553总线发送给总线控制模块；总线控制模块通过远程终端状态字判断本次数据传输是否有效。
9.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述远程终端控制模块具有：可编程的远程终端地址、子地址；支持单缓冲存储器管理方式；支持循环缓冲存储器管理方式；支持双缓冲存储器管理方式；可编程的非法命令表；可编程的方式代码中断表；可编程的子地址忙表。
10.如权利要求1所述的适用于高速1553总线协议控制的集成电路，其特征是：所述双通道通信协议处理模块的滤波方式采用的是比较滤波，同步头提取位于滤波后的环节，完成同步后对消息正文内容的前十六位作奇校验，并将校验结果与消息的第十七位比对，所述消息正文内容是指消息中除去同步头的剩余部分。
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