CN115766906B - 单硬件平台的多协议融合通信检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单硬件平台的多协议融合通信检测系统，涉及通信建设技术领域，本申请通过在一块板卡上集成1553B总线接入模块和M I C总线接入模块，使得利用协议融合模块对1553B总线接入协议和M I C总线接入协议进行分别接入融合，将通过1553B总线和M I C总线得到的数据经过板卡进行接收处理后输送到PX I e端，此过程中通过集成有两种功能强大的总线，可以应用到大多数的场合中，能够替代专用芯片，利用板卡替代原有的多种专用卡，功能具有多样化，解决了不同总线协议的设备快速生产能力，同时还能够解决小批量、多品种通信检测设备的快速研制和生产问题，增强配套、保障的能力，降低售后维修保障的费用。

Description

单硬件平台的多协议融合通信检测系统

技术领域

本发明涉及通信建设技术领域，具体为单硬件平台的多协议融合通信检测系统。

背景技术

通信芯片一般是集成有通信协议，用于实现数据流传输处理的芯片，随着智能化时代的推进，通信芯片在移动通信、无线Internet和无线数据传输业的发展，稳步上升，通信芯片不仅仅是加快智能生活的进度，同时还能够带动其余相关产业的发展，例如全球半导体行业。中国通信芯片近些年也发展很快，中国通信芯片正在向着体积小、速度快、多功能和低功耗等方向发展，所以对于通信芯片的发展是尤为重要的。

目前市场上存在有多种专用协议通信芯片，均存在受制于人和价格昂贵等问题。中国专用协议通信芯片的发展时间较短，投入成本较多，就会存在价格昂贵的问题，同时还会由于技术有限，需要大批量进口外国专用芯片保证国内的使用。

市场上的通信检测系统基于上述原因，同样也会存在着国产检测设备的生产成本较高，且保障能力较低，售后维修保证的费用较高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了单硬件平台的多协议融合通信检测系统。

本发明所解决的技术问题为：现有通信芯片种类较多，且通信芯片检测时需要配备各种具有专门协议的专用芯片，种类繁多较为复杂且成本较高，解决现有的专用芯片价格昂贵受制于人的问题。

本发明可以通过以下技术方案实现：单硬件平台的多协议融合通信检测系统，包括板卡，板卡上集成设置有1553B总线接入模块和MIC总线接入模块，板卡上设置有协议融合模块，板卡上还设置有PXIe接入模块；

1553B总线接入模块用于接入1553B总线，将1553B总线接入协议经过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式；

MIC总线接入模块用于接入MIC总线，将MIC总线接入协议经过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式；

PXIe接入模块用于在1553B总线接口协议和MIC总线接口协议被融合后，将通过1553B总线和MIC总线输入的数据输出到PXIe端。

本发明的进一步技术改进在于：1553B总线接入模块包括1553B总线接口，1553B设置在板卡上，用于对1553B总线数据端进行连接，1553B总线接口连接收发器一，收发器一连接变压器一，变压器一连接1553B总线。

本发明的进一步技术改进在于：MIC总线接入模块包括MIC总线接口，MIC总线接口设置在板卡上，用于对MIC总线数据端进行连接，MIC总线接口通过连接单元连接MIC总线。

本发明的进一步技术改进在于：连接单元包括两路连接，一路连接通过收发器二连接在MIC总线上，二路连接通过收发器三和变压器二连接，变压器二输出端经过跳线连接在MIC总线上。

本发明的进一步技术改进在于：板卡上还设置有FlexRay总线接入模块，用于接入FlexRay总线后，将FlexRay总线接入协议通过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式，FlexRay总线接入模块包括总线控制器，总线控制器连接在板卡上，总线通信控制器连接收发器四，收发器四连接FlexRay总线。

本发明的进一步技术改进在于：协议融合模块包括1553B IP核、MICIP核和内部处理单元，板卡包括FPGA芯片，1553B IP核、MIC IP核和内部处理单元分别设置在FPGA芯片上，1553B IP核连接1553B总线接入模块，MIC IP核连接MIC总线接入模块。

本发明的进一步技术改进在于：PXIe接入模块上设置有PXIe端，PXIe接入模块还连接电源端，电源端输入DC12V，板卡内设置调压模块，用于将接收到的DC12V进行降压后对外设器件供电。

本发明的进一步技术改进在于：板卡上设置有SPI接口，用于支持SPI接口远程更新板卡程序，板卡上预设有监控器件，用于监控板卡工作时的状态。

本发明的进一步技术改进在于：1553B总线接口为双冗余1553B总线接口，且双冗余1553B总线接口设置有2路，MIC总线接口为双冗余MIC总线接口，且MIC总线接口设置有1路。

本发明的进一步技术改进在于：FPGA设置有模拟模块，用于MIC总线通过模拟模块进行软件配置模拟数值。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、本申请通过在一块板卡上集成1553B总线接入模块和MIC总线接入模块，使得利用协议融合模块对1553B总线接入协议和MIC总线接入协议进行分别接入融合，将通过1553B总线和MIC总线得到的数据经过板卡进行接收处理后输送到PXIe端，此过程中通过集成有两种功能强大的总线，可以应用到大多数的场合中，而且本申请中的板卡还可以根据需要定制接入模块，使其能够接入一些小众的总线，从而能够替代专用芯片，利用板卡替代原有的多种专用卡，功能具有多样化，解决了不同总线协议的设备快速生产能力，同时还能够解决小批量、多品种通信检测设备的快速研制和生产问题，增强配套、保障的能力，降低售后维修保障的费用。

2、本申请通过在板卡上设置FlexRay总线接入模块，在除1553B总线和MIC总线之外还能够接入FlexRay总线，保证功能多样性，同时本申请的板卡利用的是FPGA芯片，由于FPGA芯片是利用硬件描述语言所完成的电路设计，在经过简单的综合和布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是通信检测过程中快速测试的保障，所以能够保证多种协议进行融合。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的PXIe多协议节点卡系统框图；

图2为本发明的PXIe多协议节点卡原理框图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

请参阅图1-2所示，单硬件平台的多协议融合通信检测系统，基于FPGA为核心处理器的3U PXIe硬件架构的方式，其中FPGA是利用硬件描述语言所完成的电路设计，在经过简单的综合和布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是通信检测过程中快速测试的保障，利用FPGA作为节点卡的主控器，用于完成接口转换、总线协议解析、数据路由和模式管理的功能。

在以FPGA作为节点卡控制器时，将外部总线连接在FPGA上，包括1553B总线接口、FlexRay总线接口、MIC总线接口、x1链路PXIe接口等相关接口，其中1553B总线接口、FlexRay总线接口和MIC总线接口均为双冗余接口，实现接口功能的备份，同时1553B总线接口设置有2路，FlexRay总线接口和MIC总线接口均设置有1路，PXIe接口也设置有1路，本申请包括“道6”操作系统，同时本申请支持SPI接口实现远程更新FPGA程序等功能。

所以板卡包括1553B总线接入模块、MIC总线接入模块、协议融合模块、PXIe接入模块和FlexRay总线接入模块，分别用于接入1553B总线，将1553B总线接入协议经过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式；接入MIC总线，将MIC总线接入协议经过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式；将总线接口协议改变成可以被板卡接收的模式；接入FlexRay总线后，将FlexRay总线接入协议通过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式。

在本申请中1553B总线是美国军用标准MIL-STD-1553B总线，其多被作为军用标准和专门的舰用战术数据总线，通常1553B的传输介质有同轴电缆、屏蔽双绞线、光缆等，通过变压器耦合或者直接耦合的方式把终端耦合到总线上，1553B总线具有传输速率较快、传输距离较远、远程终端数能够满足各类中小型舰艇以及潜艇系统通信的要求；

同时由于军用车辆和各类战车作为陆军地面武器的作战平台，工作环境通常是强震动、高噪音、粉尘多、温度变化大的恶劣环境中，因为内部的电子设备间的数据通信要求需要通过严格的故障检测，达到较高的可靠性、残存性和容错能力；

在实时性方面，动力系统一体化控制要分别对发动机和变速器进行控制，二者之间的数据通信要求一条信息的最大相应时间一般极短，这样才能实现对发动机和变速器的实施控制，从而提高整个动力系统的综合性能；

而且军用场合对数据通信还有一些特殊的要求，例如协议简单型、短帧信息传输、信息交换的频繁性、网络负载的稳定性、高安全性和性价比高等。1553B总线具有较高的可靠性和良好的实时性，对于动力传送一体化控制这种数据通信种类多、数据量大、实时性要求较高、网络节点较少的系统，利用1553B总线可以轻松实现大多数数据通信的传输。

例如：1553B是数字命令/响应式时分制多路传输数据总线，MIL-STD-1553B总线具有高速、灵活的特点，通信效率高，修改、扩充和维护简便，以传输速率为1M比特/秒，足以满足第三代作战飞机的要求；字长度为20比特，数据有效长度为16比特；采用半双工传输方式，双冗余故障容错方式，传输媒介为屏蔽双绞线。

1553B总线的冗余度设计，提高了子系统和全系统的可靠性，总线本身平均无故障工作时间超过10000小时，总线本身包括总线控制器、双绞线、耦合器等，在全系统中基本可以忽略其故障率，相比于歼-8Ⅱ原有联结方式，省去复杂繁琐的点对点联结，节省空间、功耗。

数字传输方式与传统的模电方式相比，速度更快，反应时间更短，保密性更好，抗干扰能力更前，充分发挥火控设备性能。在后勤维护方面，标准的接口和插口易于拆卸，方便通过数字式工具进行测试虚拟。

针对于MIC总线，MIC总线是专门为了解决恶劣的军事环境中的电力及数据分配和管理问题而开发的一种简单可靠性时间分隔多路传输串行现场总线，主要特点如下：

单片集成电路，可以作为总线控制器或者遥控模块，独立实现串行远程控制；相对于1553B总线，具有价格便宜、简单性能高的特点，具有完备的检错体系；命令/响应协议具有完备的检错体系；远程模块工作无需微处理器；双路数据总线冗余；总线控制器和备用总线控制器易于实现冗余控制；总线最大传输速率为2.0Mb/s；总线寻址64个远程模块，每个远程模块直接寻址32个设备；信息长度为3位同步、32位数据和1位校验；可以用于环境恶劣的均是环境。

1553B总线和MIC总线用于的装备和车辆等数量庞大，对于1553B总线和MIC总线的控制器是独立设计的，且相对于1553B总线和MIC总线是专用芯片，对于控制器的芯片是国外垄断，所以1553B和MIC总线分别设计适配不同总线的传输及检测设备，芯片受制于人，价格昂贵，成本较高。

所以在将1553B总线和MIC总线连接在以FPGA为核心处理器的3UPXIe硬件架构上，此具体的可行性分析为：

1553B总线是一种集中式的时分串行总线，特点是分布处理、集中控制和实时响应，其可靠性机制包括防错功能、容错功能、错误的检测和定位、错误的隔离、错误的校正、系统监控及系统恢复功能，采用双冗余系统，有两个传输通道，保证良好的容错性和故障隔离：

首先是实时性好，1553B总线的数据传输率为1Mbps，每条消息最多包含32个字，阐述一个固定不变的消息所需要时间短，数据传输速率比一般的通讯网高；

其次是合理的差错控制措施和特有的方式命令，为确保数据传输的完整性，1553B总线采用了合理的差错控制措施，反馈重传纠错方法，当总线控制器BC向某一远程终端RT发出一个命令或发送一个消息时，终端应在给定的相应时间内发回一个状态字，如果传输的消息有误，终端就拒绝发回状态字，由此报告上次消息传输无效，而特有的方式命令不仅使系统能够完成数据通讯控制任务，还能够检查故障情况并完成容错管理功能；

继而是总线效率高，由于总线形式的拓扑结构对总线效率的要求比较高，所以1553B总线对涉及总线效率指标的某些强制性要求如命令响应时间、消息间隔时间以及消息传输的最大和最小数据块的长度都有着严格限制；

最后是命令/响应以及“广播”通讯方式，其中总线控制器BC能够以“广播”的方式向所有的远程终端RT发送一个时间同步消息，这样1553B总线上所有消息的传输都由总线控制器发送的指令来控制，相关的远程终端对指令应给与响应并执行操作，这种方式非常适合集成控制的分布式处理系统。但是1553B总线价格昂贵，限制了在工业领域的普遍性应用。

而MIC总线系统具有确定的相应时间，采用双冗余总线同时传输消息，并且每个命令和响应中均包括目标模块和设备地址，提供了充分的数据完整性和诊断能力；且通过备用总线控制器获得系统的高可靠性，用硬件实现了1553B总线的大部分软件功能，系统结构简单，易于便携控制系统的应用程序，因此，MIC总线具有非常广阔的应用前景。

本申请通过集成有2路双冗余1553B总线接口和1路双冗余的MIC总线接口，可以对原有的专用芯片进行替换，同时本申请可以通过一张芯片替换原有的多张芯片，即将1553B总线和MIC总线需要的多张专用芯片通过包括本申请中的多协议融合通信检测系统中的一张芯片进行替换，同时集成有1553B总线和MIC总线的接收功能可以实现功能的多样化，对不同协议涉及的设备通过不同的总线进行处理，通过设备的应用场合可以选择相应的总线，总线的选择可以根据环境，采用本申请中的多协议融合通信检测系统可以将不同的总线的输出端通过一定的节后连接在PXIe端，实现多协议融合通信，从而保证可以对不同协议涉及的设备具有快速生产能力；通过功能的多样化可以解决生产过程中遇到的小批量、多品种通信检测设备所需要的匹配问题，加快小批量、多种通信检测设备的研发速度和解决相应的生产问题，增强配套、保障能力，降低售后维修的保障费用。

1路双冗余FlexRay总线上两个信道的数据速率最大可以达到10Mbps，总数据速率可以达到20Mbit/秒，是CAN网络以及K-LINE分支网络最高性能的若干倍，所以本申请中在集成1553B总线接口和MIC总线接口后，还集成有FlexRay总线接口，通过集成有多组优秀的总线接口，实现对多种总线的数据进行接收处理，所以在本申请中，可以对多种大型生产框架或者大型机械设备等使用场合中涉及的数据进行统一接收处理，保证对多组不同协议的通讯进行融合，实现对数据的快速处理和响应，且由于适用场合较多，所以在针对小批量、多种通信检测设备时，也能够同样适用，适用范围较广。

除了集成各类总线接口端，本申请在架构上还集成有UART接口和JTAG接口，其中UART接口是一种串行数据总线接口，用于实现异步通信，可以实现全双工传输和接收，而JTAG接口用于芯片的内部测试，标准的JTAG接口是四线，包括TMS、TCK、TDI和TDO，分别是模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

为了兼顾设计，在本申请中选择FPGA IP核方式实现各个功能模块的要求，由于IP核是将常用但是复杂的功能块设计成仅只修改参数的模块，通过调用FPGA IP核的方式，可以避免劳动重复，加快程序的编写，减轻工程师的负担，本申请通过相应的IP核方式，可以直接将1553B总线和MIC总线分别接入到本申请中的架构中，便于直接对其进行调取使用；

在本申请中MIC总线兼容设计1553B电平和RS485电平，可以通过跳线按时设置，实现电平的适配，实现将MIC总线和1553B总线等接入到基于FPGA为核心处理器的3U PXIe硬件架构中；

最后本申请中的MIC总线通过FPGA模拟常用标准模式功能进行配置模拟数值，即在FPGA中设置有模拟模块，用于MIC总线通过模拟模块进行软件配置模拟数值，本申请中涉及的三种总线通信功能，先按照标准协议编制对顶层软件的接口，先满足功能调试需求，后期继续细化。

板卡的核心部件为一片大容量的FPGA芯片，所有的控制处理均有FPGA芯片搭配相应的编程软件实现，板卡和PXIe接口通信，通过FPGA的IP核，将PXIe端到本地端的通信协议的转换；

同时在本申请中的板卡上预留设置有温度传感器等监控器件，对FPGA芯片工作过程中的温度等进行监控。

上述多协议融合的具体实现方式包括以下方式：

首先板卡的1553B总线通过FPGA的IP核、HI1573收发器(收发器一)和变压器(变压器一)的共同作用，将PXIe端到本地端的1533B通信协议的转换，所以在板卡上设置1553BIP核，指代专门针对1553B设置的IP核，用于方便和1553B总线进行直接的连接，而收发器是信号转换的一种方式，HI1573收发器是一种针对1553B总线标准的双通道收发器；

随后板卡上的MIC总线是通过FPGA的IP核、MAX485收发器(收发器二)的共同作用实现MIC总线的接入，或者是通过HI1573收发器(收发器三)和变压器(变压器二)经过跳线实现MIC总线的接入，实现兼容式设计，在本实施例中，变压器一和变压器二是同一型号的，进而实现PXIe端到本地端的MIC总线通信协议转换，所以在板卡上设置MIC IP核，用于实现MIC总线的直接连接，为了兼容性设计，所以MIC总线兼容1553B电平和RS485电平，可以通过跳线按时设置，实现MIC总线可以接入到板卡上；

且板卡的FlexRay总线通信是通过MFR4310总线通信控制器和TJA1080收发器(收发器四)组合，实现PXIe端到本地端的FlexRay总线通信协议转换；

为了兼容板卡的电源以及外设器件等的供电，所以电源部分为PXIe提供12V系统电源输入，板卡上设置有调压模块，将DC12V降压到DC5V、DC3.3V、DC2.5V、DC1.2V等电压等级；

所以在板卡上还集成有内存模块，其中内存模块用于存放有指令和中转数据，其中内存模块的具体型号为DDR3，板卡上还集成有QSPI，其中QSPI是一种专用的通信接口，连接单条、双条或者四条数据线的SPI Flash存储介质。

综上，本申请基于国产单一通用平台、多总线协议融合、多协议通道实时监测、监测、协议、软件可定制以及可扩展协议支持，实现将原有多种专用芯片被一张板卡替代，实现功能的多样化，从而解决不同总线协议设备的快速生产能力，即使在小批量、多品种通信检测设备应用时，可以提高研制生产的能力，从而在保证问题处理的能力同时降低售后维修保障费用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.单硬件平台的多协议融合通信检测系统，其特征在于：包括板卡，所述板卡上集成设置有1553B总线接入模块和MIC总线接入模块，所述板卡上设置有协议融合模块，所述板卡上还设置有PXIe接入模块；

所述1553B总线接入模块用于接入1553B总线，将1553B总线接入协议经过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式；

所述MIC总线接入模块用于接入MIC总线，将MIC总线接入协议经过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式；

所述PXIe接入模块用于在1553B总线接口协议和MIC总线接口协议被融合后，将通过1553B总线和MIC总线输入的数据输出到PXIe端；

所述1553B总线接入模块包括1553B总线接口，所述1553B总线接口设置在板卡上，用于对1553B总线数据端进行连接，所述1553B总线接口连接收发器一，所述收发器一连接变压器一，所述变压器一连接1553B总线；

所述MIC总线接入模块包括MIC总线接口，所述MIC总线接口设置在板卡上，用于对MIC总线数据端进行连接，所述MIC总线接口通过连接单元连接MIC总线；

所述连接单元包括两路连接，一路连接通过收发器二连接在MIC总线上，二路连接通过收发器三和变压器二连接，所述变压器二输出端经过跳线连接在MIC总线上；

所述板卡上还设置有FlexRay总线接入模块，用于接入FlexRay总线后，将FlexRay总线接入协议通过协议融合模块转换成可以被PXIe端接收的形式，所述FlexRay总线接入模块包括总线控制器，所述总线控制器连接在板卡上，所述总线通信控制器连接收发器四，所述收发器四连接FlexRay总线；

所述协议融合模块包括1553B IP核、MIC IP核和内部处理单元，所述板卡包括FPGA芯片，所述1553B IP核、MIC IP核和内部处理单元分别设置在FPGA芯片上，所述1553B IP核连接1553B总线接入模块，所述MIC IP核连接MIC总线接入模块。

2.根据权利要求1所述的单硬件平台的多协议融合通信检测系统，其特征在于，所述PXIe接入模块上设置有PXIe端，所述PXIe接入模块还连接电源端，所述电源端输入DC12V，所述板卡内设置调压模块，用于将接收到的DC12V进行降压后对外设器件供电。

3.根据权利要求1所述的单硬件平台的多协议融合通信检测系统，其特征在于，所述板卡上设置有SPI接口，用于支持SPI接口远程更新板卡程序，所述板卡上预设有监控器件，用于监控板卡工作时的状态。

4.根据权利要求1所述的单硬件平台的多协议融合通信检测系统，其特征在于，所述1553B总线接口为双冗余1553B总线接口，且所述双冗余1553B总线接口设置有2路，所述MIC总线接口为双冗余MIC总线接口，且所述MIC总线接口设置有1路。

5.根据权利要求1所述的单硬件平台的多协议融合通信检测系统，其特征在于，所述FPGA设置有模拟模块，用于MIC总线通过模拟模块进行软件配置模拟数值。