支持多种航电通信协议系统的设计

郭良帅 宗竹林

(电子科技大学 成都 611731)

1 引言

在航电系统发展中，先后出现了多种通信协议。其中，于上世纪七十年代制定的MIL-STD-1553B［1］(以下简称 1553B)是目前应用最为广泛的航电通信协议之一，现有的大量航空电子设备都是基于1553B的，在军用航电领域尤其如此。1553B总线结构简单，性能稳定，传输速率为1Mb/s。然而在近20年航电设备的发展中，出现了越来越多对通信速率有着很高要求的新应用，如视频及高清图像的实时传输等。这些新应用常常需要几百M甚至更高的带宽，1553B无法满足这些应用。为突破这一瓶颈，研究者们将已在局域网存储领域广泛应用的光纤通道(Fibre Channel，FC)技术引入到航电领域，并制定了相应的子协议FCAE(Fibre Channel— Avionics Environment)。由于光纤通道技术可以支持1G、2G、4G甚至10G的带宽，并且有极强的抗干扰能力［2］，因此可以满足未来航电设备高速互联的要求。另外为了兼容已有的1553B设备，研究者们开发了上层协议FC-AE-1553B来支持将1553B设备接入光纤通道网络。在这种背景下，对1553B、FC-AE和FC-AE-1553B三种航电通信协议进行综合研究无疑对航电系统的发展有着重要的意义。然而，目前航电协议相关的通信板卡产品中，仅1553B板卡较多，而FCAE板卡较少，FC-AE-1553B板卡几乎没有。为解决这一不便，给航电通信协议的研究和开发工作提供更好的支持，本文中设计了一种可以运行这三种协议的板卡，并详述了如何基于此板卡搭建航电网络通信系统。

2 系统架构

该系统按功能划分为两部分:协议通信和数据测试。系统将配备了相应通信接口的硬件开发板作为网络终端，并按照相应的网络拓扑将多个开发板相连，组网完成协议通信;网络上的实时通信数据由开发板通过PCIE、Ethernet接口发送给计算机并进行测试。整个系统的架构如图1所示(本文以方格纹饰的方框代表开发板)，可以看出，开发板的设计是系统实现的关键。

图1 系统架构框图

开发板采用“FPGA+外围通信接口”的结构见图2。开发板通过四条通信链路——1553B通路、FC通路、Ethernet通路、PCIE通路分别与1553B总线、光纤通道网络、计算机PCIE卡槽、计算机网口相连。

图2 硬件开发板结构框图

开发板的组成器件及选型依据如下:

a.FPGA选用的是Xilinx公司Virtex-5系列的芯片 XC5VFX70T［3］，封装为 FF1136。此 FPGA 芯片工艺先进，片内资源丰富:可配置逻辑资源达11200个Slice，36Kb的 Block RAM 共148个，Distributed RAM共820Kb。根据Xilinx的开发软件ISE的仿真结果，该芯片的逻辑资源可以满足三种协议的要求。芯片内置有3个PCIE端点模块，4个10/100/1000Mbps Ethernet MAC，1个PowerPC 440处理器，这些IP核将有助于简化开发过程。另外，该FPGA的高速串行收发器(GTX)速度可达6.5Gbps，因此可以支持1G、2G、4G的光纤通道。

b.1553B接口由 HI-1575加 DB2725组成。HI-1575是HOLT公司的一款1553B总线收发器芯片，内置有Manchester II编解码器，IO宽度16bit，它通过总线隔离变压器DB2725与1553B总线耦合起来。HI-1575仅仅是总线收发器，1553B协议处理由FPGA来完成。

c.光纤通道接口采用的是Source Photonics公司的一款速率为2.125Gbps的SFP，型号为SP-TRLX-CDFA。SFP是一种用于光纤通道的串行收发的光电转换模块。由于SFP封装的兼容性以及易插拔的特点，以后在需要时可以方便地更换为更高速率的SFP。FC协议处理由FPGA完成。由于FC有三种不同的网络拓扑结构，故FPGA中FC协议处理模块的实现要考虑所应用的具体网络结构。

d.Ethernet接口由 MAC、PHY、变压器、RJ45 依次连接组成。其中，MAC通过调用FPGA内置的MAC核实现。PHY采用Marvel的88E1111，可配置为三种速率模式:10/100/1000Mbps。变压器与RJ45用HFJ11-1G02实现，它是一种内置了变压器的RJ45。当开发板接入的是低速网络时，计算机可以通过Ethernet获取实时通信数据。例如在1553B协议下，总线上数据传输速率只有1Mb/s，Ethernet完全可以满足要求，并且简单易用。

e.PCIE接口由金手指和FPGA内置的PCIE端点组成，使用时需要在操作系统上编写相应的驱动程序。PCIE单通道最大数据带宽500Mbps［4］。当开发板接入光纤通道网络时，数据传输速率将达2G左右，此时开发板与计算机的通信必须通过PCIE接口。本开发板采用的是8通道的PCIE，即单向最大数据带宽4Gbps，这样不但可以满足现在的应用要求还为系统留下了很大的升级空间。

f.为了暂时存储通信时产生的数据，并考虑到此过程的高速性，开发板上配置了一块高速双端口静态存储器CY7C0852，它可以同时进行数据的读和写，最高时钟频率为167MHz，容量为4Mbit，数据宽度32位，可以满足系统应用。

3 系统功能

基于此开发板搭建系统，可以实现1553B网络通信、FC-AE网络通信、1553B网络与FC-AE-1553B网络的相互通信，并可以通过计算机接口完成数据测试。

3.1 基于1553B协议的通信

1553B是一种命令/响应式总线协议，其终端包括一个BC和若干个RT［5］。开发板可以用作一个1553B终端，并配置为BC或RT，两者仅在协议处理模块有所不同。如图3所示。

图3 用开发板搭建的1553B网络

数据读入过程:1553总线上的信号由DB2725耦合后发给HI-1575，经过曼彻斯特解码(如果是接收则是编码)以及串并转换(如果是接收则是并串转换)后，通过16位IO总线发送给FPGA的“1553B协议处理”模块进行相应的处理。在此过程中，FPGA中的数据可以通过Ethernet发送给计算机进行测试。数据发送过程大致相反。

3.2 基于FC-AE协议的通信

作为FC的子协议［6］，FC-AE与FC的网络拓扑结构完全相同。FC有三种拓扑:直接相连的点对点式、首尾依次相连的仲裁环式、通过交换机相连的交换式。在点对点及交换式结构中，终端被称为NPort，在仲裁环结构中终端被称为NL-Port。开发板可以配置为N-Port，也可以配置为NL-Port，两者在FPGA的“FC-AE协议处理”模块会有所不同。用开发板搭建的FC-AE网络如图4所示。

图4 用开发板搭建的FC-AE网络

数据读入过程:FC-AE网络上的信号由SFP读入并完成光电转换，然后通过GTX(高速串行收发器)接口读入FPGA并完成串并转换，接着数据被送入“FC-AE协议处理”模块。处理后的数据被写入双端口的SRAM中，等待被发送回FC-AE网络或者由“PCIE控制器”模块读出然后通过PCIE金手指接口发送给计算机进行数据测试。数据发送过程大致相反。

3.3 基于FC-AE-1553B协议的通信

为了将已有的1553B设备接入光纤通道，研究者们制定了上层协议FC-AE-1553B。与1553B一样，FC-AE-1553B也是一种命令/响应式总线，其终端包括至少一个NC，若干NT以及协议桥［7］，网络拓扑结构主要有“仲裁环式”和“交换式”两种。FCAE-1553B通过协议桥将1553B设备接入光纤通道。开发板可以配置为不同的终端，如图5所示，开发板1是1553B的终端，开发板2被配置为协议桥，开发板3、n配置为NT，开发板4配置为NC。NC和NT的结构组成仅在“协议处理模块”有所不同。协议桥具有双重身份——1553B上的 BC和 FC-AE-1553B上的NT，其“协议转换”模块负责完成1553B格式与FC-AE-1553B格式之间的数据转换。当FCAE-1553B网络自有的终端通信时，其过程与FC-AE相似;当FC-AE-1553B与1553B网络通信时，则需通过协议桥，具体过程如下:

数据从1553B网络到FC-AE-1553B网络的过程:开发板1(RT)将数据编码后以串行信号形式发送到1553总线上，开发板2(BC)将总线上的这些信号由变压器DB2725耦合至收发器芯片HI-1575，曼彻斯特解码和串并转换完成后，通过16位IO总线将数据发送给FPGA的协议转换模块进行从1553B到FC-AE-1553B的转换，在处理过程中产生的数据被暂存于双端口SRAM中，协议转换完毕后数据从SRAM读出并进行并串转换，再经GTX接口发送给SFP做电光转换，最后发送到FC-AE-1553B网络上。

数据从FC-AE-1553B网络到1553B网络的过程大致相反。在数据收发和转换的过程中，所有的RT、协议桥、NC和NT均可以通过PCIE及Ethernet将实时数据发送给计算机进行测试。

图5 1553B网络与FC-AE-1553B网络的桥接

4 结束语

航电系统的综合化发展方向，对航空总线的性能提出了很高的要求。光纤通道以其优异的性能将逐步取代1553B成为新一代航电设备互联标准。为了解决更新换代过程中产生的“兼容问题”，推动航电系统的平滑升级，研究者们在光纤通道的基础上定义了FC-AE-1553B协议来规范1553B设备接入光纤通道的方法。因此综合研究多种协议对新型航电系统的研发有着重要的意义。本文中设计的开发板可以配置成三种协议网络拓扑中的任何终端——1553B中的BC和RT，FC-AE中的N-Port和NL-Port，FC-AE-1553B 中的 NC、NT 和 Bridge(协议桥)，并可以很容易地组网完成通信。同时，开发板上的PCIE与Ethernet接口使得开发人员可以在计算机上方便地对通信数据进行实时测试。开发板上的大容量FPGA设计使得开发人员还可以开发或测试其他基于光纤接口的新型协议。这将对新型航电设备的发展起到一定的积极作用。

［1］Department of Defense，Aircraft internal time division command/response multiplex data［S］.1978.

［2］许亚军，张晓林，熊华钢.FC互联的可靠性建模［J］.北京航空航天大学学报，2005，(31)5:539-543.

［3］Xilinx.Virtex-5 Family Overview［S］.www.xilinx.com.2009，1-13.

［4］PCISIG.PCI ExpressTM Base Specification Revision 1.1［S］.www.pcisig.com.2009，1-13.

［5］ 徐丽清.1553B总线接口技术研究及FPGA实现［D］.西安:西北工业大学，2006.

［6］张伟.航空电子系统中的光纤通道技术研究［D］.西安:西北工业大学，2006，26-28.

［7］ 饶新益.FC-AE-1553B协议桥的研究［D］.成都:电子科技大学，200，9-43.