CN103823784A - 一种基于fpga的fc-ae-1553总线控制器 - Google Patents

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朱浩文
魏文超
王晓平
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，包括FC-AE-1553协议处理器、用户接口模块、存储模块和电源管理模块，该FC-AE-1553协议处理器分别连接该用户接口模块、存储模块和电源管理模块，通过电源管理模块提供基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器的稳定电源，通过该用户接口模块实现用户和总线之间的信息交互，通过该FC-AE-1553协议处理器实现协议处理逻辑，并通过该存储模块存储程序和数据。该总线控制器基于FPGA技术，不仅支持总线控制器和总线终端两种模式，并支持MIL-STD-1553B总线的桥接，使该总线控制器具有更强的通用性，且提高了该总线控制器的应用灵活性和传输速率，并有效降低了设计成本和技术风险。

Description

一种基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器
技术领域
本发明涉及高速光纤总线传输技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器。
 
背景技术
随着我国航天技术的不断进步，对地观测和空间科学等遥测器的复杂度越来越高，飞行器开始向多种载荷联合观测发展，产生的数据量巨大，对数据传输总线的速率、可靠性、拓扑结构等提出了更高的要求，传统MIL-STD-1553B总线在传输性能、传输带宽、拓扑结构等方面逐渐显现出其局限性，已不能满足现代航天电子系统发展需求。因此，采用新型总线替代原有传统1553B总线已成为必然，这种总线必须适应航天器复杂环境，具有灵活的拓扑结构，能进行高速、可靠地数据传输。
FC-AE-1553总线是一种新兴的军用高可靠、高速光纤总线，其协议由美国国家标准协会（ANSI）制定，定义了MIL-STD-1553B协议到光纤通道（FC）高层协议的映射，它为光纤1553总线控制器的开发提供了协议支撑。和传统1553B总线一样，FC-AE-1553定义了一个命令/响应式的总线标准，但是在总线容量、传输速率、可靠性等方面均有很大的提高。同时，FC-AE-1553总线采用光纤传输介质和网络拓扑结构，抗干扰能力、扩展能力强，十分适合复杂航天器的电子系统组网和多终端通信。此外，FC-AE-1553一个十分重要的特性就是支持通过桥接的方式将现有传统1553B总线接入光纤1553网络，从而最大限度保留现存1553B设备，节约资源，实现传统1553B总线的平滑升级。因此，FC-AE-1553总线是航天高速、高可靠数据总线的发展方向。
因此，有必要提出一种能够实现FC-AE-1533总线传输的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，以解决现有传统1533B总线不能满足当前航天器日益增长的数据传输需求的问题。
 
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明旨在于为航天或其他高速数据系统提供一种高速、稳定、可靠并具有通用性、可移植性和可扩展性的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，用于复杂航天电子系统的FC-AE-1533总线组网，完成电子设备之间信息的交互共享，适应于航天电子系统实时控制与实时响应功能需求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，所述基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器包括FC-AE-1553协议处理器、用户接口模块、存储模块和电源管理模块，所述FC-AE-1553协议处理器分别连接所述用户接口模块、所述存储模块和所述电源管理模块，通过所述电源管理模块提供所述基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器的稳定电源，通过所述用户接口模块实现用户和总线之间的信息交互，通过所述FC-AE-1553协议处理器实现协议处理逻辑，并通过所述存储模块存储程序和数据。
较佳地，所述基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器还包括一光电转换模块和晶体振荡器，所述FC-AE-1553协议处理器分别连接所述光电转换模块和所述晶体振荡器；通过所述晶体振荡器提供频率参考源，通过所述光电转换模块对输入至所述FC-AE-1553协议处理器的输入信号进行光电转换。
较佳地，所述FC-AE-1553协议处理器为基于可编程逻辑的FC-AE-1553协议处理器。
较佳地，所述FC-AE-1553协议处理器包括一可编程的FPGA；其中，所述FC-AE-1553协议处理器符合ANSI FC-AE-1553总线协议标准，用于完成FC-AE-1553总线协议处理；所述FC-AE-1553协议处理器支持MIL-STD-1553B总线到FC-AE-1553总线的桥接，所述FC-AE-1553协议处理器支持的总线数据传输速率高且可配置。
较佳地，所述FC-AE-1553协议处理器使用缓冲到缓冲的流量控制来调节端口之间的帧发送速率，从而实时监控通信双方的缓冲区信用量。
较佳地，所述FC-AE-1553协议处理器还包括一命令寄存器和状态寄存器，用户通过所述命令寄存器和所述状态寄存器对所述FC-AE-1553协议处理器的工作模式进行配置，并实时监控所述FC-AE-1553协议处理器的工作状态；其中，所述FC-AE-1553协议处理器支持所述FC-AE-1553协议定义的总线控制器和总线终端两种工作模式。
较佳地，所述用户接口模块包括千兆以太网接口、TLK2711高速串口和LVDS接口，所述千兆以太网接口、所述TLK2711高速串口和所述LVDS接口均可自定义位宽和接口协议。
较佳地，所述存储模块包括一DDR2或DDR3高速数据缓存和程序存储器；所述DDR2或DDR3高速数据缓存用于存储所述FC-AE-1553协议处理器处理的数据信息，所述程序存储器用于存储所述FC-AE-1553协议处理器的设计程序。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，通过采用FPGA作为主处理器，对FC-AE-1553协议处理模块进行设计，实现了FC-AE-1553的总线控制，并支持总线控制器（NC）和总线终端（NT）两种工作模式，且能够支持MIL-STD-1553B总线的桥接，使该基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器具有更强的通用性。
2、本发明设计的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器为基于FPGA技术，而FPGA相对于分立元器件功耗更小、体积小、重量轻、资源丰富，使得接口速率更高、模式与数据帧格式更简单，且具有可以编程的特点，可根据需求增加配置方式、加密等功能。同时该总线控制器基于FPGA可编程的特点能够满足用户特殊需求并进行附加功能设计，提高了应用灵活性，并有效降低了设计成本和技术风险。
3、本发明设计的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器充分利用SERDES技术，将高速串行传输与FPGA并行处理有机结合，使得控制器处理速率和总线传输速率有了很大程度提升，从而有效提高了高速光纤总线的传输速度和传输效率。
 
附图说明
图1为本发明基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器的系统框图；
图2为本发明基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器的软件流程图。
符号列表：
101-电源管理模块，102-光电转换模块，103-DDR2高速数据缓存，104-程序存储器，105-晶体振荡器，106-千兆以太网接口，107-TLK2711高速串口，108-LVDS接口，109-MIL-STD-1553B总线，110-FPGA芯片。
 
具体实施方式：
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以以不同形式、规格等实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使更多的有关本技术领域的人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚可见，可能放大或缩小了相对尺寸。
现参考图1详细描述根据本发明实施的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，如图1所示，本发明提供的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，包括FC-AE-1553协议处理器、用户接口模块、存储模块、电源管理模块101、光电转换模块102和晶体振荡器105，该FC-AE-1553协议处理器分别连接该用户接口模块、存储模块、电源管理模块101、光电转换模块102和晶体振荡器105，其中，通过该电源管理模块101提供给该基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器各个模块或装置的稳定电源，通过该用户接口模块实现用户和总线之间的信息交互，通过该FC-AE-1553协议处理器实现协议处理逻辑，并通过存储模块存储程序和数据；而且，该晶体振荡器105用于提供整个设计的频率参考源，且通过该光电转换模块102对输入至该FC-AE-1553协议处理器的输入信号进行光电转换，使该FC-AE-1553协议处理器根据相应的信号进行处理。
在具体实施过程中，该FC-AE-1553协议处理器为一基于可编程逻辑的FC-AE-1553协议处理器，具体的，该FC-AE-1553协议处理器包括一个具有可编程逻辑的FPGA芯片110，通过该FPGA芯片110实现其编程逻辑，在实施过程中，该FPGA芯片110选用Xilinx公司的Virtex-5系列的FPGA芯片XC5VFX130T；具体实施过程中，该FC-AE-1553协议处理器符合ANSI FC-AE-1553总线协议标准，完成FC-AE-1553总线协议处理，支持MIL-STD-1553B总线109到FC-AE-1553总线的桥接，且该FC-AE-1553协议处理器支持的总线数据传输速率高（3Gbps以上）且可配置；而且，在具体实施过程中，该FC-AE-1553协议处理器使用缓冲到缓冲的流量控制来调节端口之间的帧发送速率，从而实时监控通信双方的缓冲区信用量，并通过合理握手和协商机制有效避免发送端过快的发送速率淹没接收较慢的接收端，造成数据丢失，从而保证总线网络中数据能够完整的交付终端。
其中，该FC-AE-1553协议处理器中还包括有命令寄存器和状态寄存器，用户可以通过该命令寄存器和状态寄存器对FC-AE-1553协议处理器工作模式进行配置，并实时监测其总的工作状态，该FC-AE-1553协议处理器支持FC-AE-1553协议定义的两种工作模式：总线控制器（NC）工作模式和总线终端（NT）工作模式。而且，该FC-AE-1553协议处理器内部还能够实现协议桥功能，并支持通过桥接的方式将现有传统的1553B总线接入光纤1553总线网络，从而最大限度保留现存1553B设备，实现传统1553B总线的平滑升级。
而且，该FC-AE-1553协议处理器还可以通过链路级端口状态机、帧级CRC校验和帧头检错和序列信息检错、交换级ABTS协议和差错重传等各层级的检错和差错恢复机制，保证总线网络数据传输的可靠性；同时，在出错时该基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器能够及时检测到错误，并保证错误信息不传递到下一级，从而有效提高整体信息吞吐效率。
在具体实施过程中，该用户接口模块包括千兆以太网接口106、TLK2711高速串口107和LVDS接口108，该千兆以太网接口106、TLK2711高速串口107和LVDS接口108均与该FC-AE-1553协议处理器连接，且该千兆以太网接口106、TLK2711高速串口107和LVDS接口108均可自定义其位宽以及接口协议，从而能够适应于各种应用场合；该存储模块主要用于实现程序存储和数据存储功能，其中，该存储模块包括一数据存储器和程序存储器104，该数据存储器为Micron公司的DDR2存储芯片103-MT47H64M16HR，也可以通过使用DDR3存储芯片替代该DDR2存储芯片103，该程序存储器104为Xilinx公司的高可靠PROM芯片XC17V16PLCC44芯片，从而分别用于该FC-AE-1553协议处理器处理过程中的数据信息存储和设计程序存储。
如图2所示，通过该FPGA协议处理器实现对该FC-AE-1553总线控制器的逻辑控制，且在具体实施过程中，其FPGA控制逻辑分为接收通道和发送通道两部分，通过接收通道和发送通道分别实现FC-AE-1553接收数据处理信息和发送数据处理信息，两个通道数据处理过程说明如下：
（1）接收通道：接收RocketIO字节数据，对光纤通道起始界定符（SOF）和结束界定符（EOF）进行识别并将数据同步后存入FIFO缓存；从FIFO中读取数据，对数据进行帧解析，根据帧管理要求完成光纤通道帧头识别和检错；帧解析后进行序列重组，根据序列管理要求提取帧头中序列信息，将相关的帧重组成序列，并存入缓存，在缓存中形成序列列队；该序列列队被取出后进行交换重组，根据交换管理需求提取帧头中交换信息，完成交换进程监测，并按照FC-AE-1553协议将命令、数据和状态写入相应缓存；最终数据通过用户接口送往用户系统。
（2）发送通道：通过用户接口（如千兆以太网接口106、TLK2711高速串口107或LVDS接口108）将用户系统相应的命令、数据和状态写入缓存，从缓存中读取数据，根据交换管理要求发起交换（包括交换ID分配、建立交换状态块等），并将序列列队写入缓存；序列发起模块将序列列队从缓存中取出，按照序列管理要求发起序列（包括序列ID分配、建立序列状态块等）；组帧模块根据帧管理要求，按照交换和序列信息将数据封装成标准的光纤通道帧，并写入缓存；最终数据从缓存读出，经同步后送往RocketIO发送。
在具体实施过程中，虽然发送通道和接收通道在逻辑上相应独立，但必须经管理模块统一调度协同工作。在发送通道发送数据后，接收通道应根据协议做好相应数据响应的准备，同时，在接收通道接收数据后，发送通道也应该根据协议做好发送相应数据响应的准备。此外，发送通道和接收通道还需协同完成流量控制、差错检测与恢复等功能。
通过各个装置的相互连接，并通过该电源管理模块101供给该基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器的稳定电源，在该FC-AE-1553总线控制器上电后，该FPGA软件执行上电初始配置，且该FC-AE-1553总线控制器进入默认工作模式，在该工作模式下，该FC-AE-1553总线控制器实现NT功能，将按照FC-AE-1553总线规范中对NT功能的定义，接受FC-AE-1553网络中NC的管理，根据NC需求发送和接收FC-AE-1553数据。若用户需要该FC-AE-1553总线控制器工作于NC模式，则在上电初始化过程中可通过向命令寄存器中写入相应指令使其切换到NC工作模式，此时FC-AE-1553总线控制器实现NC功能，将按照FC-AE-1553总线规范中对NC功能的定义，进行总线网络管理并发起网络交换。
本发明提供的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器并不仅限于本实施例为限，还可以通过对用户接口的接口类型、总线传输速率和工作模式等进行升级或重新配置，使得本发明的应用范围更加广泛。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动在内。 

Claims (8)

1.一种基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器包括FC-AE-1553协议处理器、用户接口模块、存储模块和电源管理模块，所述FC-AE-1553协议处理器分别连接所述用户接口模块、所述存储模块和所述电源管理模块，通过所述电源管理模块提供所述基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器的稳定电源，通过所述用户接口模块实现用户和总线之间的信息交互，通过所述FC-AE-1553协议处理器实现协议处理逻辑，并通过所述存储模块存储程序和数据。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器还包括一光电转换模块和晶体振荡器，所述FC-AE-1553协议处理器分别连接所述光电转换模块和所述晶体振荡器；通过所述晶体振荡器提供频率参考源，通过所述光电转换模块对输入至所述FC-AE-1553协议处理器的输入信号进行光电转换。
3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述FC-AE-1553协议处理器为基于可编程逻辑的FC-AE-1553协议处理器。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述FC-AE-1553协议处理器包括一可编程的FPGA；其中，所述FC-AE-1553协议处理器符合ANSI FC-AE-1553总线协议标准，用于完成FC-AE-1553总线协议处理；所述FC-AE-1553协议处理器支持MIL-STD-1553B总线到FC-AE-1553总线的桥接，所述FC-AE-1553协议处理器支持的总线数据传输速率高且可配置。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述FC-AE-1553协议处理器使用缓冲到缓冲的流量控制来调节端口之间的帧发送速率，从而实时监控通信双方的缓冲区信用量。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的FC-AE1533总线控制器，其特征在于，所述FC-AE-1553协议处理器还包括一命令寄存器和状态寄存器，用户通过所述命令寄存器和所述状态寄存器对所述FC-AE-1553协议处理器的工作模式进行配置，并实时监控所述FC-AE-1553协议处理器的工作状态；其中，所述FC-AE-1553协议处理器支持所述FC-AE-1553协议定义的总线控制器和总线终端两种工作模式。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述用户接口模块包括千兆以太网接口、TLK2711高速串口和LVDS接口，所述千兆以太网接口、所述TLK2711高速串口和所述LVDS接口均可自定义位宽和接口协议。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的FC-AE-1553总线控制器，其特征在于，所述存储模块包括一DDR2或DDR3高速数据缓存和程序存储器；所述DDR2或DDR3高速数据缓存用于存储所述FC-AE-1553协议处理器处理的数据信息，所述程序存储器用于存储所述FC-AE-1553协议处理器的设计程序。
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