基于CPCI—E总线的1553B接口模块设计

王巍

摘 要：文章介绍了一款基于CPCI-E总线、智能1553B接口的计算机扩展模块，分析了CPCI-E总线以及1553B接口的关键技术，研究基于PCI-E桥及1553B接口控制器的硬件实现方法，设计出基于新一代CPCI-E高速总线的1553B功能模块，能够有效提高工控计算机的扩展性能。

关键词：CPCI-E；1553B；PCB设计；信号完整性

一、引言

随着工控计算机总线技术的发展，CPCI-E总线以其高速串行互连、高传输效率以及高性能等特点广泛应用于军用计算机领域，逐渐成为工控计算机的新一代系统总线。

CPCI-E总线的全称是Compact PCI-Express，其本质理念在于用欧卡规格实现与PCI-Express总线的兼容，CPCI-E的电气特性规范实质上也就是PCI-E的电气规范。目前PCI-E总线的最新规范是3.0版本，理论数据传输速率达到8GHz/s，同时兼容PCI-E 1.0/2.0版本的电气特性，能够支持原先规范中的2.5GHz/s、5GHz/s通信机制。由于新规范的电气特性做出很大改进，PCI-E 3.0架构每个信道（1对差分信号）单向带宽可达1GB/s，当十六个信道（16差分信号）全部使用时双向带宽可达32GB/s。PCI-E 3.0同时对此前版本的8b/10b解码机制进行了优化，通过新的128b/130b解码机制可以达到接近100%的数据传输效率，效率提升约20%，有效提高了PCI-E传输带宽。

二、原理设计

PCI-E桥接芯片及1553B总线接口控制器是该模块的核心器件，PCI-E总线与1553B总线由FPGA进行控制转换。PCI-E桥接芯片的主要功能是将PCI-E总线数据转换为CPCI-E总线数据，通过CPCI-E连接器与计算机背板进行连接。1553B接口控制器实现A、B两个通道的数据交互，实现1553B通道的双冗余功能。

（一）1553B总线接口设计

1553B总线接口的实现原理是通过一根冗余总线将一个有源总线控制器（BC）和31个有源远程终端（RT）连接起来，每个有源远程终端最多可配置30个子地址。每个节点均可配置为总线控制器，也可配置为远程终端或系统监控器（MT），在1553B总线网络运行过程中，只能有一个总线控制器。总线控制器启动、管理整个总线网络的信息传输。只有当总线控制器命令远程终端接收、发送数据时，远程终端才接收、发送数据；系统监控器用来记录总线上的传输日志，实现对整个1553B总线网络的监控分析。

1553B接口总线的字长均为20bit。每个字包含3位同步位，16位数据/命令/状态位和1位校验位。同步和奇偶校验位用于保证1553B的信息格式及数据正确性。

为了让模块在实际使用中更为灵活，满足不同的武器装备应用需求，在模块设计过程中实现跳线功能，对实际需要的耦合方式进行灵活配置，可针对A通道和B通道分别进行总线耦合方式的设置，缺省模式下A、B两个通道均配置为变压器耦合方式。

（二）PCI-E总线设计

除配置空间外，PCI-E桥接芯片共使用了3段用户使用的PCI-E寻址空间，均用于访问桥接芯片的的Local总线设备，包括双通道1553B和FPGA内部寄存器。所有内部寄存器空间均配置了具有标准格式的PCI-E总线寄存器空间基地址，基地址可通过软件配置PCI-E总线周期来设定。其中，BAR5基地址对应偏移地址为0时用于控制中断寄存器。BAR5基地址对应偏移地址为1时，写数据0表示A通道指示灯点亮；写数据1表示A通道指示灯熄灭；写数据2表示B通道指示灯点亮；写数据3表示B通道指示灯熄灭。BAR5基地址对应偏移地址为2时，写数据0表示1553B的A通道开启；写数据1表示1553B的A通道关闭；写数据2表示1553B的B通道开启；写数据3表示1553B的B通道关闭。偏移地址为3时表示写RT地址。

三、PCB设计

由于PCI-E 3.0总线用于传输高速信号，因此信号完整性需要通过合理的PCB设计来保证。影响高速信号完整性的主要因素包括元器件及PCB参数、PCB布局布线方式、电源和地的完整性等，在该总线接口模块的PCB设计中主要通过元器件布局和叠层设计来实现信号完整性。

（一）元器件布局

总线接口模块的关键元器件包括1553B接口控制器、可编程逻辑器件、PCI-E桥接芯片，总线信号通过CPCI-E连接器引出。元器件布局的原则是优先设计关键信号，首先考虑高速信号通道的PCB走线设计，统筹考虑主要芯片之间的信号流向关系，均匀分布。

（二）叠层设计

合理的叠层设计可以有效避免电磁干扰，提高PCB设计质量。叠层设计中的关键因素包括层数、阻抗控制、线宽线距、表面處理工艺等。对于高速信号设计，必须设计完整的电源层作为参考平面，高速信号的特征阻抗需要进行严格控制，误差控制在5%以内，并分配单独的平面层进行高速信号设计。印制板设计为8层叠层结构，为避免相邻信号层产生层间信号串扰，每个信号层都均设置独立的参考平面层，提供单独的信号回路来保证信号质量。

四、结束语

基于CPCI-E总线的1553B接口模块设计采用高集成度的PCI-E桥接芯片、可编程逻辑器件、1553B接口控制器进行设计，简化了系统设计复杂度，并通过原理验证、信号完整性分析提高了设计稳定性。双通道1553B可通过寄存器来进行灵活配置。该模块可广泛应用于采用CPCI-E总线的对可靠性要求较高的工控计算机技术领域中。

参考文献

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