機載TM總線接口設計方案

概述：在研發(fā)第四代戰(zhàn)機過程中，TM總線成為機載航空總線的研究熱點之一。提出一種利用EDA技術的TM總線接口設計。硬件設計方面通過對TM總線協(xié)議的分析，采用可編程邏輯器件設計了主／從一體化TM總線控制器，并對TM總線控制結構和接口狀態(tài)機運行機理進行了描述。軟件部分實現(xiàn)了USB驅動開發(fā)和固件開發(fā)。

??? 航空電子系統(tǒng)是飛機上的一個重要系統(tǒng)，它決定著飛機的作戰(zhàn)性能。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，作戰(zhàn)環(huán)境的變化，技術的進步與需求的改變，使航空電子技術不斷出新，航空電子技術的進步也極大地提高了飛機的作戰(zhàn)性能。飛機功能的不斷增強，使得F-22／F-35等先進飛機航電設備的成本也直線上升。為了使飛機的造價與壽命成正比，只有提高系統(tǒng)的可維護性。當飛機具有良好的可維護性時，系統(tǒng)的維護費用、維護難度和全壽命周期費用才能得到降低，軍機戰(zhàn)斗力和快速反應能力才能得到提高。

1 TM總線概述
??? TM(Test and Maintenance，測試與維護)總線是用于電子設備的子系統(tǒng)和模塊的測試、診斷與維護的標準底板總線，是針對模塊和子系統(tǒng)而提出的一項新的檢測技術，現(xiàn)已應用于以F-22為代表的第四代飛機中。現(xiàn)提出一種TM總線的接口設計。
??? TM總線采用主從式工作方式，系統(tǒng)中存在一個TM總線主設備和多個TM總線從設備，從設備在主設備的命令下工作。本文的設計主要是從測試數(shù)據(jù)角度出發(fā)，測試數(shù)據(jù)通過主／從模塊的控制器經(jīng)USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸、采集、處理后，送入計算機。各模塊通過TM總線控制器掛接到TM總線上，圖1為總體設計。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 系統(tǒng)硬件結構設計
??? 系統(tǒng)硬件設計包括總線控制器、USB接口平臺及PC連接幾個部分，本文將介紹TIU(傳輸接口單元)通過USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，整體結構框圖如圖2所示。

??? 由圖2可知，硬件總體結構數(shù)據(jù)傳輸可分為以下兩大塊：
??? (1)在USB接口接收從TIU傳送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解析，把數(shù)據(jù)解釋成有實際意義的參數(shù)，實時顯示在PC機的顯示畫面上。
??? (2)從PC機來的數(shù)據(jù)，通過USB接口，發(fā)往TIU。

2．2 TIU設計
??? 在所設計的系統(tǒng)總體結構中，TM總線主／從模塊上都有一個TIU，其基本功能是完成TM總線協(xié)議及實現(xiàn)主從模塊間的數(shù)據(jù)通信。
2．2．1 TIU詳細設計
??? 在TM-BUS控制器的研制中，主／從TM-BUS控制器實現(xiàn)一體化設計，通過控制使TIU工作在主／從兩種模式下，主方式下的TIU發(fā)送命令，從方式下的TIU接收并執(zhí)行命令。TIU結構設計圖如圖3所示。

2．2．2 TIU的設計原理
??? 從數(shù)據(jù)信號流程方面來說：接收數(shù)據(jù)時，TM總線上的輸入信號經(jīng)過譯碼轉換進入寄存器，在這里完成數(shù)據(jù)串/并格式轉換，進行奇偶校驗檢查，檢查后如果正確，則通過地址比較邏輯，進行命令譯碼，按照所給出的命令送入所定義的不同作用的寄存器中。
??? TIU執(zhí)行控制命令的過程如下：TIU鏈路層狀態(tài)機控制命令的接收，核心狀態(tài)機執(zhí)行該命令，并把待傳送的應答傳送至移位寄存器中，再由TIU鏈路層狀態(tài)機控制應答傳送。由軟件實現(xiàn)的命令其執(zhí)行過程是核心狀態(tài)機將該命令傳送至輸入接口緩沖器并產(chǎn)生中斷信號，模塊中的CPU響應中斷，從輸入接口緩沖器中讀取命令，進行測試操作和模塊維護操作，并把結果寫入狀態(tài)寄存器或輸入緩沖器，然后TM總線主控制器取走該測試結果。
2．3 TM總線狀態(tài)機設計
??? TM總線協(xié)議規(guī)定其鏈路層狀態(tài)機分為主從兩個狀態(tài)機，由于TIU不存在同時既做主又做從的工作模式，因此可以把主／從兩個狀態(tài)機合為一個。通過控制使TIU工作在主／從兩種模式下，主方式下的TIU發(fā)送命令，從方式的TIU接收并執(zhí)行命令。圖4為主狀態(tài)機狀態(tài)轉換圖。

??? 在TM-BUS主狀態(tài)機狀態(tài)標記中，最后兩位表示在該狀態(tài)下MCTL和MMD的值，狀態(tài)轉換的條件由狀態(tài)變量M1，M2，M3表示。圖4中所標的轉換條件為[M1，M2，M3]取值。POWERUP2_00為上電后或復位后的狀態(tài)；XFERl6_1X～XFER00_1X為數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)；WAIT_00為出錯狀態(tài)，該狀態(tài)結束的條件是MCTL與MMD發(fā)生傳輸沖突消失且消息傳送結束；在PAUSE_01狀態(tài)下插入等待；EOM_00為消息傳送的起始和結束狀態(tài)。主／從兩個狀態(tài)機合為一個狀態(tài)機后，MCS和主權控制狀態(tài)機控制作何種狀態(tài)機運行[M1，M2，M3]控制主狀態(tài)機的狀態(tài)轉換，從狀態(tài)機的狀態(tài)轉換由MCTL和MMD控制。
2.4 USB接口設計
?? USB接口芯片采用了ISP1581。ISP1581是Phil-lps 公司提 不應求的高速USB接口芯片，符合USB2．0規(guī)范。它的內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、并行接口引擎(PIE)、FIFO存儲器(8 KB)、存儲管理單元(MMU)、微控制器接口和DMA(直接內(nèi)存訪問)管理器。外部電路接口簡單，因ISP1581內(nèi)部不帶有微控制器，需外接。本文的微控制器采用AT89C52單片機。USB硬件模塊主要包括ISP1581，AT89C52，總體框架結構如圖5所示。

??? ISP1581通過16位數(shù)據(jù)總線與FPGA相連，AT89C52負責控制數(shù)據(jù)的DMA傳輸。ISP1581與微控制器的通信通過一個高速(15 MB／s或15 Mword／s)的通用并行接口AD[7:O]實現(xiàn)，并具有高速DMA接口。
2．4．1 USB接收數(shù)據(jù)模塊實現(xiàn)
??? 本文采用的USB器件是帶有DMA控制器的ISP1581，為了簡化電路，采用ISP1581的DMA主控制器方式。如圖6所示，當FPGA的FIFO滿標志為1時，單片機給ISP1581發(fā)送請求有效信號、寫信號和寫周期信號，給FIFO發(fā)送讀請求信號和讀周期信號，當讀出的數(shù)據(jù)達到預定的數(shù)目時，單片機把ISP1581請求信號設置為無效，等待下一組存儲數(shù)據(jù)。

2．4．2 讀數(shù)據(jù)和并／串轉換
??? 單片機把接收的控制信號通過DMA傳輸通道把數(shù)據(jù)傳到FIFO中，其DMA傳輸過程和圖6相似，只要把DIOW改成DIOR，把rdreq改成wreq就可以了，然后通過FPGA的內(nèi)部邏輯取出16位并行數(shù)據(jù)進行并／串轉換。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 USB固件(Firmware)程序開發(fā)
??? 固件其實就是單片機的程序文件，主要完成設備初始化、USB協(xié)議標準請求處理以及其他應用程序。一般來說，固件程序的軟件結構可設計為基于中斷的分層結構，如圖7所示。

??? 在固件程序中，后臺的中斷服務例程(ISR)負責從ISP1581收集數(shù)據(jù)，當ISR收集到了足夠的數(shù)據(jù)時，通知前臺主程序循環(huán)數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，由主程序循環(huán)進行數(shù)據(jù)的處理。以的批量傳輸端點為例，當從主機收到一個數(shù)據(jù)包，就會向為控制器產(chǎn)生一個中斷請求，微控制器立即響應中斷。在中斷服務例程中，固件程序將數(shù)據(jù)包從內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)轉移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零以使該端點可以接收新的數(shù)據(jù)包，這時微控制器可以繼續(xù)執(zhí)行當前更為緊急或者還未處理完的任務，例如讀取采集數(shù)據(jù)，然后返回到主循環(huán)中檢查循環(huán)緩沖區(qū)是否有新的數(shù)據(jù)，并進行處理。
3．2 USB設備驅動程序開發(fā)
?? 驅動程序的基本功能是建立應用程序與USB接口之間的數(shù)據(jù)通訊。本設計采用Driver Works開發(fā)USB驅動程序。應用程序可以利用Win32API直接調用驅動程序。讀操作是從應用程序調用Win32API函數(shù)的ReadFile開始的。當應用程序調用ReadFile函數(shù)時，系統(tǒng)通過ntdll.dll調用ntreadfile向設備驅動程序發(fā)送一個IRP，驅動程序接收到該IRP后，開辟用以接收數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)，判斷所讀數(shù)據(jù)是否大于端點的最大信息包規(guī)格(Maxsize)，如果所讀數(shù)據(jù)大于端點的最大信息包規(guī)格，則此次只能讀取Maxsize個字節(jié)，這樣就會造成數(shù)據(jù)丟失。因此，固件程序應避免發(fā)送大于端點Maxs- ize的信息包，然后建立相應端點的URB并向下層驅動提交該URB，此時I／O管理器執(zhí)行Read，把設備傳來的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)內(nèi)。具體過程如圖8所示。

4 結 語
??? 本文對TM-BUS技術在四代機中的應用進行了分析，運用VHDL語言、FPGA、USB等技術，設計了TM-BUS接口板。在對TM-BUS控制協(xié)議分析的基礎上，基于FPGA技術實現(xiàn)了TM總線協(xié)議，利用USB芯片ISP158l實現(xiàn)接口電路與上位機的連接，實現(xiàn)與PC機的數(shù)據(jù)通信，同時編寫了USB設備端的固件程序和PC機端的USB的設備驅動程序。通過試驗得出結論：

??? (1)TM總線技術為綜合航空電子系統(tǒng)可測試性的發(fā)展提供了必要的技術途徑；
??? (2)基于FPGA技術實現(xiàn)的TM-BUS協(xié)議芯片，可有效實現(xiàn)總線各項控制功能。
??? 對于一個復雜系統(tǒng)的設計，初始階段可能會存在功能上的不足，這些會逐步得到改正，因而本設計有提高和升級的空間。