文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.040
中文引用格式： 淮治華，王鑫，樓曉強(qiáng)，等. GJB289A數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)設(shè)計研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(7)：159-163.
英文引用格式： Huai Zhihua，Wang Xin，Lou Xiaoqiang，et al. Research and design of the GJB289A data bus system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(7)：159-163.
0 引言
本系統(tǒng)設(shè)計包括系統(tǒng)頂層設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計實施和系統(tǒng)驗證測試三個階段[1]。總線系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化工作主要針對系統(tǒng)的綜合化程度、可重用性、易用性、通信效率和系統(tǒng)魯棒性[2]。綜合比較分析，采用SoC設(shè)計技術(shù)能同時滿足系統(tǒng)以上要求，采用SoC芯片的系統(tǒng)級解決方案使系統(tǒng)繼承了高度集成芯片帶來的諸多優(yōu)點(如圖1所示)，最大程度提高了GJB289A數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的可靠性、集成度并顯著降低總線系統(tǒng)的重量及功耗[4-5]。總線通信處理SoC芯片為總線系統(tǒng)終端的研發(fā)及應(yīng)用提供了一種全新的解決方案。該方案提供了一種基于專用芯片的MBI模塊化應(yīng)用方案，能夠?qū)崿F(xiàn)總線終端產(chǎn)品高度集成、高可靠性以及低功耗的設(shè)計目標(biāo)[3]。
1 系統(tǒng)設(shè)計
GJB289A數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)功能包括：實現(xiàn)2 Mb/s速率的GJB289A數(shù)據(jù)總線通信，總線配置工具支持總線通信控制表的設(shè)計和優(yōu)化，總線控制器實現(xiàn)事件、周期消息處理，所有終端實現(xiàn)雙冗余通道備份，備份總線控制器實現(xiàn)主備控制器切換等功能，支持總線中繼，為遠(yuǎn)程終端遠(yuǎn)距離信號傳輸提供支持。支持總線通信數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析。本系統(tǒng)中所有節(jié)點均采用可替換單元進(jìn)行設(shè)計，除MT節(jié)點外，所有終端的物理層、傳輸層和驅(qū)動層均通用，可互相替換。
1.1 架構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計決定了系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，很大程度上決定了系統(tǒng)的效率、響應(yīng)時間、可擴(kuò)展性和系統(tǒng)容量。本系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量較少，總線通信所需帶寬低于總線帶寬，采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單明了，設(shè)備連接與維護(hù)方便，可以滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。
1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計
系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計包括終端設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)度控制設(shè)計。
本系統(tǒng)中所有終端的硬件、軟件和邏輯設(shè)計均采用總線通信處理SoC芯片進(jìn)行設(shè)計，在芯片中，所有需要重用的部分均進(jìn)行可編程處理，保證所有使用總線通信處理SoC芯片進(jìn)行設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)MBI模塊能夠滿足系統(tǒng)中所有終端的功能需求。終端使用的軟件按照通用可編程原則進(jìn)行設(shè)計，可滿足所有終端類型及所有總線系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
本系統(tǒng)通信過程中涉及到數(shù)據(jù)消息、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)調(diào)度、同步、終端狀態(tài)查詢和數(shù)據(jù)更新狀態(tài)查詢等，在系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮了總線控制消息在整個總線通信過程中所占的比例。系統(tǒng)采用50 Hz的查詢頻率，滿足了最小周期消息20 ms延遲的要求，同時因查詢帶來的負(fù)載增加只有5%，充分平衡總線延遲與總線負(fù)載間的關(guān)系，使系統(tǒng)達(dá)到最佳通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)更新狀態(tài)查詢消息頻率與總線負(fù)載的關(guān)系如圖3所示。
2 終端設(shè)計
2.1 BC設(shè)計
2.1.1 一般設(shè)計要求
BC通過發(fā)送指令字啟動總線上的通信，總線數(shù)據(jù)通信包括三種基本通信消息。
對于RT到BC的消息，BC首先向總線發(fā)送攜帶有目標(biāo)RT地址、目標(biāo)RT子地址、數(shù)據(jù)字個數(shù)和收發(fā)控制等信息的命令字，總線中所有RT均可接收到該命令，但僅當(dāng)RT地址和命令字中包含的RT地址字段匹配時，RT才會響應(yīng)該命令，并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。BC接收響應(yīng)指令字的所有數(shù)據(jù)字，并把它們傳送給子系統(tǒng)。消息通信過程如圖4所示。
對于BC到RT消息，BC首先向總線發(fā)送攜帶有目標(biāo)RT地址、目標(biāo)RT子地址、數(shù)據(jù)字個數(shù)和收發(fā)控制等信息的命令字，隨后發(fā)送從子系統(tǒng)傳遞的規(guī)定個數(shù)的數(shù)據(jù)字，總線中所有RT均可接收到該命令，但僅當(dāng)RT地址和命令字中包含的RT地址字段匹配時，RT才會響應(yīng)該命令，并接收命令字后的數(shù)據(jù)字。消息通信過程如圖5所示。
對于RT到RT消息，BC首先向總線發(fā)送攜帶有目標(biāo)RT1地址、目標(biāo)RT1子地址、數(shù)據(jù)字個數(shù)和收發(fā)控制等信息的接收命令字，然后向總線發(fā)送攜帶有目標(biāo)RT2地址、目標(biāo)RT2子地址、數(shù)據(jù)字個數(shù)和收發(fā)控制等信息的發(fā)送命令字，RT1接收到命令后等候總線數(shù)據(jù)，RT2收到命令后響應(yīng)狀態(tài)字并發(fā)送數(shù)據(jù)字，RT1接收完數(shù)據(jù)字后響應(yīng)狀態(tài)字。BC在RT-RT通信過程中，可對總線通信實施監(jiān)控。消息通信過程如圖6所示。
2.1.2 備份BC設(shè)計
總線系統(tǒng)中以RT的身份掛接在總線系統(tǒng)中，在規(guī)定的情況下，可成為總線上的BC終端，稱作備份總線控制器。默認(rèn)控制數(shù)據(jù)總線的控制器稱為主控制器，所有其他可承擔(dān)數(shù)據(jù)總線控制的終端稱為備份BC。
在圖2所示系統(tǒng)中，BC定期向BBC以帶數(shù)據(jù)字的同步方式命令發(fā)送WDT加載值，BBC接收到WDT加載數(shù)據(jù)后加載本地WDT計時器中。當(dāng)WDT中斷發(fā)生時，表示BC無法和BBC通信，BBC即啟動切換，自動換為BC功能執(zhí)行總線控制。
2.1.3 總線終端控制機(jī)制
在總線系統(tǒng)中，終端控制一般包括：終端狀態(tài)查詢、終端狀態(tài)管理、終端狀態(tài)控制。
終端狀態(tài)查詢是BC獲取整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的有效手段，一般使用單播命令后RT響應(yīng)的狀態(tài)字進(jìn)行判斷，BC可獲取整個總線系統(tǒng)中共多少個終端，有多少終端正常在線，是否需要繼續(xù)查詢等信息。終端狀態(tài)管理用于將終端分門別類，一種RT可以正常通信，一種RT需要繼續(xù)查詢，并向子系統(tǒng)提供終端狀態(tài)信息供子系統(tǒng)使用。終端狀態(tài)控制用于消息傳輸出錯過程，當(dāng)消息傳輸出錯后，BC將對出錯消息進(jìn)行重試，當(dāng)超過重試次數(shù)后，BC控制通信失敗終端下線，禁止相關(guān)通信命令，并啟動對該終端的狀態(tài)查詢。
2.2 RT設(shè)計
2.2.1 終端地址設(shè)計
在總線系統(tǒng)中，每個RT必須有一個且只有一個指定的終端地址，能夠?qū)崿F(xiàn)廣播的RT也應(yīng)識別終端地址字段為11111的指令。在總線上最多可以有31個RT，但是在GJB289A中并沒有規(guī)定如何把終端地址賦給RT。在方案設(shè)計中可通過兩種方式來實現(xiàn)。第一種方式是使用硬件方式實現(xiàn)，即可用的集成電路器件通常有5個離散輸入設(shè)定它們的終端地址，在實際使用時，這些引腳按照希望得到的終端地址被拉高或拉低；第二種方式是通過軟件方式實現(xiàn)，在設(shè)計中另一些RT沒有引腳，但是含有內(nèi)部寄存器，在軟件控制下(通常在上電時)可以通過設(shè)置寄存器來將需要的終端地址賦給RT。
2.2.2 協(xié)議控制單元設(shè)計
在設(shè)計時RT必須能夠檢測到總線上對它的指令,并且按要求響應(yīng)。當(dāng)檢測到指令時，RT在4～12 μs后必須對該指令響應(yīng)。這個時間是從BC傳送消息的最后一個字的奇偶位中間過零點算起，到響應(yīng)的第一個字同步頭波形的中間過零點結(jié)束。RT不能接收任何無效的指令，若指令字以有效的同步頭波形開始，并有16個數(shù)據(jù)位，且有指示奇校驗的奇偶位，各位都是有效的曼徹斯特碼，同時若指令字中的終端地址與RT的終端地址(若RT實現(xiàn)廣播選項，則廣播終端地址為11111)相匹配，則該命令為對應(yīng)RT的有效指令。若指令有效且在RT規(guī)定的指令集中，則該指令合法。RT不要求實現(xiàn)非法指令的檢測，但所有有效且合法的指令且必須按GJB289A要求的方式被響應(yīng)。大多數(shù)RT在總線上檢測的消息并不是發(fā)給自己的消息，而是發(fā)給另一個RT的消息。檢測了字的前五位仍為有效的字，必須被完整讀入。若命令有效，則RT必須做出正確的反應(yīng)。響應(yīng)（若被要求）必須在要求的4～12 μs內(nèi)啟動。為了能響應(yīng)快些，當(dāng)接收到字的同時，譯碼器逐位開始進(jìn)行命令有效性測試。
2.2.3 主機(jī)接口設(shè)計
通過RT傳送的數(shù)據(jù)必須被發(fā)送到子系統(tǒng)或從子系統(tǒng)中取出，這些數(shù)據(jù)必須保持完整。RT功能只是按GJB289A要求的格式組織信息(即把數(shù)據(jù)在GJB289A格式和子系統(tǒng)可讀的格式之間互相轉(zhuǎn)換)。
RT在總線上傳送的數(shù)據(jù)是由在總線上接收到的命令控制的，而不是由子系統(tǒng)控制的。依據(jù)RT的智能化程度，需要設(shè)計一種機(jī)制讓RT通知子系統(tǒng)接收到有效指令或消息，該機(jī)制一般采用中斷實現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計為中斷方式向主機(jī)通知新消息。
2.2.4 非法指令處理
系統(tǒng)中允許有非法指令，GJB289A總線協(xié)議不要求RT檢測非法指令，僅要求RT使用消息錯狀態(tài)字響應(yīng)非法指令。非法指令是規(guī)定RT不用的指令，但它是有效指令。非法指令在子系統(tǒng)級定義，而不是在RT級定義，所以不應(yīng)由RT硬件確定哪些是非法指令。如果實現(xiàn)非法指令的檢測，RT的非法指令集由子系統(tǒng)來指定，且在系統(tǒng)規(guī)范中將非法指令定義清楚。在本系統(tǒng)中使用子系統(tǒng)可訪問的寄存器對RT非法子地址進(jìn)行控制，RT接收到非法命令后僅響應(yīng)消息錯的狀態(tài)字。
2.3 1553B總線配置工具
總線配置工具應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用過程，用于按照ICD中消息的特性生成用于總線中BC節(jié)點進(jìn)行通信控制的總線配置表，其中包含1553B總線運(yùn)行過程中所需的節(jié)點數(shù)、命令塊、命令序列等各種信息。該工具支持拓?fù)?ICD圖形化配置，可簡化命令序列表構(gòu)建過程，并對命令序列進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)廣播消息配置，自動生成配置文件，并支持.h/XML等多種類型配置文件。總線配置工具解決了配置表自動編排、總線系統(tǒng)配置/仿真技術(shù)難題。該工具已成功應(yīng)用于某無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計，在應(yīng)用過程中，編排了多個版次的總線表，并成功應(yīng)用。
3 總線系統(tǒng)性能評估
數(shù)據(jù)總線負(fù)載和總線效率是衡量一個總線系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。總線負(fù)載反映了總線中數(shù)據(jù)吞吐量，總線效率反映了總線中理想數(shù)據(jù)吞吐量與實際數(shù)據(jù)吞吐量之間的比例關(guān)系，在總線命令等待響應(yīng)期間是無法進(jìn)行總線通信的，所以嚴(yán)格來講，總線響應(yīng)時間也應(yīng)計入總線負(fù)載計算中。數(shù)據(jù)總線負(fù)載的通用計算方式如式(1)所示，總線效率的通用計算方式如式(2)所示。
在系統(tǒng)中，往往將總線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將總線數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，統(tǒng)計數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字、命令字的個數(shù)和響應(yīng)時間累計值，最終得到總線負(fù)載。如：某系統(tǒng)總線監(jiān)控數(shù)據(jù)中，有命令字289 600個，狀態(tài)字289 600個，數(shù)據(jù)字5 792 000個，總線響應(yīng)時間共1 737 600 μs，總線監(jiān)控時長600 s，總線負(fù)載即為(((289600+289600+5792000)×20+1737600)/(600000000)×100%=21.527%)。
總線系統(tǒng)設(shè)計過程中必須保證一定的總線負(fù)載余量，一般要求總線負(fù)載不超過80%。若總線負(fù)載較高，超過余量要求，則需要考慮增加總線，以降低單條總線負(fù)載，滿足負(fù)載余度要求。
若總線激活時間為1 s，則總線激活時間內(nèi)最大可能信息傳輸量為1×106 bit，傳輸信息量為數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字和指令字之和，1553B數(shù)據(jù)總線中所有類型的消息字長都為20，所以傳輸信息量為數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字和指令字個數(shù)之和乘以20，總線負(fù)載即可按照式(3)進(jìn)行計算。總線上有效的數(shù)據(jù)是指總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字中數(shù)據(jù)位部分，因為每個數(shù)據(jù)字長為20，其中有效數(shù)據(jù)字長16 bit，所以總線效率計算方式如式(4)所示。
總線效率是總線通信效率的重要指標(biāo)。假設(shè)某總線每秒僅發(fā)送一次BC-RT數(shù)據(jù)，若總線中數(shù)據(jù)字長為1，則總線效率為26.7%，若總線中數(shù)據(jù)字長為32，則總線效率為75.3%。假設(shè)某總線每秒發(fā)送一次RT-RT數(shù)據(jù)，若總線中數(shù)據(jù)字長為1，則總線效率為16%；若總線中數(shù)據(jù)字長為32，則總線效率為71.1%。由此可見，單條命令字中攜帶的數(shù)據(jù)字越長，總線效率越高，RT-BC/BC-RT消息傳輸時的總線效率高于RT-RT消息。在滿足總線設(shè)計要求的前提下，盡量減少短小數(shù)據(jù)包的消息數(shù)，盡量減少RT-RT消息通信數(shù)。某機(jī)載總線系統(tǒng)中，消息數(shù)量如表1所示。
如上所述，該總線效率為：
（（（122+45+70）*50+（196+286+150）*25）+（384+396+210）*12.5+（40+10+32）*6.25）*16）/（（（5+3+4*2）*2*50+（7+11+6*2）*2*25+（24+22+7*2）*2*12.5+（2+1+4*2）*2*6.25+（（122+45+70）*50+（196+286+150）*25）+（384+396+210）*12.5+（40+10+32）*6.25））*20）*100%=73.04%。
4 系統(tǒng)驗證
系統(tǒng)驗證遵循由終端到系統(tǒng)、由功能到性能、由基礎(chǔ)到全面的原則，要求所有系統(tǒng)功能均能被驗證。
4.1 系統(tǒng)終端功能驗證
在系統(tǒng)終端功能驗證階段，設(shè)計了驗證用例對系統(tǒng)各終端功能進(jìn)行驗證，驗證用例如表2所示。
經(jīng)驗證，所有終端均可完成獨立的RT、BC、BBC功能設(shè)置；所有終端的通用功能（方式命令執(zhí)行/發(fā)送）均正常；所有終端數(shù)據(jù)處理功能（數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送）正常；所有終端主機(jī)接口功能（主機(jī)→終端的命令下發(fā)、終端→主機(jī)的數(shù)據(jù)上報和中斷上報）正常；所有終端均可對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解析。
經(jīng)驗證，所有終端均可完成獨立的RT、BC、BBC功能設(shè)置；所有終端的通用功能（方式命令執(zhí)行/發(fā)送）均正常；所有終端數(shù)據(jù)處理功能（數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送）正常；所有終端主機(jī)接口功能（主機(jī)→終端的命令下發(fā)、終端→主機(jī)的數(shù)據(jù)上報和中斷上報）正常；所有終端均可對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解析。
4.2 系統(tǒng)功能及性能驗證
當(dāng)終端功能測試完成后需要進(jìn)行系統(tǒng)功能測試，這個過程需要系統(tǒng)中的所有終端共同參與。系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)功能測試時采用的驗證項如表3所示。
經(jīng)測試，所有終端單獨存在的情況下，可正常完成數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和解析，所有數(shù)據(jù)均正確反映在應(yīng)用層界面上，所有終端的數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求；系統(tǒng)所有終端均工作的情況下，所有終端可正常完成數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和解析，所有數(shù)據(jù)均正確反映在應(yīng)用層界面上，所有終端的數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)方向、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)長度與總線ICD一致。
系統(tǒng)負(fù)載是通過Alta卡觀察和軟件分析得到的，總線負(fù)載測試結(jié)果為70%，與理論值一致。系統(tǒng)效率分析是通過自編軟件按照總線系統(tǒng)效率分析公式對Alta卡捕獲的總線數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析進(jìn)行，最終總線系統(tǒng)效率測試分析結(jié)果為60%。
4.3 系統(tǒng)的兼容性
本系統(tǒng)中的所有終端均采用同一設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計，所以系統(tǒng)集成時排除不兼容終端對系統(tǒng)的影響。若系統(tǒng)中存在不同的終端設(shè)計，則必須考慮不兼容終端對系統(tǒng)的影響，比如：系統(tǒng)中存在響應(yīng)時間為12 μs的RT，則在總線系統(tǒng)調(diào)度時，必須考慮該RT的命令延時對總線通信調(diào)度的影響。系統(tǒng)設(shè)計中，在條件允許的情況下盡量使用同一種總線標(biāo)準(zhǔn)，可減少大量的系統(tǒng)集成問題。
5 總結(jié)
GJB289A數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)具備完整的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其備份BC和雙冗余總線的設(shè)置有效地增加了總線系統(tǒng)的可靠性，完全滿足航空機(jī)載數(shù)據(jù)總線的實時性、可靠性要求。本文介紹了GJB289A數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析及研究了GJB289A數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，并通過系統(tǒng)驗證，為其在航空、航天、兵器等防務(wù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。
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