基于GJB289A总线SoC芯片的1553模块设计与实现*

刘　航，赵　川，寇学锋，李　波

（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068；4.中航工业陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西 宝鸡 721006）



基于GJB289A总线SoC芯片的1553模块设计与实现*

刘航1，2，赵川3，寇学锋4，李波3

（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；
2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068；4.中航工业陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西 宝鸡 721006）

传统的 1553模块主要采用DIP封装的协议处理器、计时器、收发器设计，PCB板重量大、功耗高、可靠性及维护性差，难以满足新型武器装备的“小、低、轻”要求。提出了一种基于自主正向的高速GJB289A总线（1～10 Mb/s）SoC芯片的1553模块设计方案，从硬件及软件设计上阐述了基于 GJB289A总线 SoC芯片的1553模块的设计与实现，并提出了该模块的技术优势。该模块是一款集成终端SoC芯片的GJB289A总线通信设备，实现了GJB289A总线中的BC、RT功能。该模块功耗低，性能、功能稳定可靠，可移植性强，集成度高，具有较高的成熟度，满足机载航空电子系统总线设计要求，已成功应用于多个项目中。

GJB289A总线；HKS1553BCRT；1553模块

中文引用格式：刘航，赵川，寇学锋，等.基于 GJB289A总线 SoC芯片的 1553模块设计与实现［J］.电子技术应用，2016，42 （7）：167-170.

英文引用格式：Liu Hang，Zhao Chuan，Kou Xuefeng，et al.The design and realization of 1553 module based on the GJB289A bus system SoC chip［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：167-170.

0　概述

本文提出了一种基于 HKS1553BCRT芯片的 1553 （Multi Bus Interface）模块设计与实现方案［1-2］，能够很好地解决传统GJB289A总线模块方案中电路设计器件选型分散性高，尤其在机载设备增加时，硬件设计占用板面大、功耗高、可靠性与智能化低的问题［3-4］。从而打破了国外在GJB289A总线设备上的垄断，对我国航空电子系统的发展及自主研究具有深远的意义［5-6］。

基于自研 GJB289A总线 SoC（System On Chip）芯片的1553模块设计方案中核心器件采用的HKS1553BCRT芯片是一种集成了微处理器、GJB289A总线协议处理器以及多种外设资源的片上系统。该芯片是一款智能化、通用化、小型化的通信处理芯片，可应用在多种GJB289A总线接口模块中［7-8］。

1　1553模块设计

本模块基于 HKS1553BCRT进行设计，实现GJB289A规定的总线控制器（BC）、远程终端（RT）和总线监控器（BM）功能。模块内部集成计时控制模块，完成实时时钟、时间间隔计时器和看门狗计时器功能，片内集成双端口随机存储器和静态随机存储器，静态随机存储器供芯片微处理器和协议处理器使用，模块提供主机接口，配合双端口存储器可完成1553模块与主机数据交互功能。

1.1硬件设计

该模块的硬件采用自主知识产权的 HKS1553BCRT芯片外加辅助电路设计，架构设计灵活，更换连接器接口满足不同的功能需求，实现多功能，低成本的模块设计，本模块主要采用PCI接口。1553模块主要功能单元：HKS1553BCRT芯片、GJB289A总线收发电路、时钟电路、电源转换电路、复位电路、串行接口电路、主机接口电路、JTAG接口电路。其硬件架构如图1所示。

图1　1553模块硬件功能架构图

图2　变压器耦合方式连接电路图

1.1.1GJB289A总线收发电路

HKS1553BCRT芯片提供 1路双余度 GJB289A总线接口，通过总线收发器和变压器实现GJB289A总线数据收发，总线收发器采用双通道GJB289A总线收发器，传输速率为1 Mb/s和2 Mb/s自适应。设计时需要使用1片高速收发器，通过变压器耦合方式连接到总线上，总线收发器采用自研的HKA32201收发器。图2所示为变压器耦合方式连接电路图。

1.1.2时钟电路

1553模块中需要使用时钟的电路有：HKS1553BCRT芯片、GJB289A总线协议处理器、UART接口。其中，HKS1553BCRT芯片系统时钟为33 MHz，内部进行 2倍频提供ARM7TDMI处理器核使用。GJB289A总线协议处理器时钟为12 MHz，通过N倍频（N为1～10之间的整数）作为GJB289A总线传输时钟，最大传输速率可达10 Mb/s，UART工作时钟为3.686 4 MHz。

1.1.3电源转换电路

1553模块采用+5 V供电，通过PCI接口进入模块，模块内需要+3.3 V、+2.5 V和+1.8 V工作，其中HKS1553-BCRT芯片使用+3.3 V+1.8 V，桥协议芯片 PCI9056使用+3.3 V和+2.5 V，采用TI公司的电源转换器TPS75733、TPS75725和TPS75718实现。该类电源变换器输入电压0～+6 V，输出电压固定为+3.3 V、+2.5 V或+1.8 V，最大输出电流3 A。

1.1.4主机接口

HKS1553BCRT芯片提供接口方式选择，分别支持LBE总线、VME总线、PCI总线（通过 PLX9054/PCI9056桥接器）、PCI-Express总线访问（通过PEX8311桥接器）［3］，本模块采用PCI接口。主机接口为 PCI接口时，如果选用PCI9056桥接器，Ready#信号需要使用470 Ω上拉电阻，PCI总线设计应符合 PCI规范要求，注意 LBE、VME总线电平特性。

1.2软件设计

本模块设计的软件为系统提供 2 Mb/s的 GJB289A总线数据通信功能，可分为传输层软件（以下简称“SOC_ 289A_TRAN”）、驱动层软件（以下简称“SOC_289A_DRV”）和应用层软件（由用户根据系统需求进行开发）。其中SOC_289A_TRAN软件驻留在 1553的Flash上，电后自动加载运行，实现GJB289A总线的数据传输。SOC_289A_DRV为系统提供控制1553接口和数据收发接口，完成主机与目标机之间的 GJB289A总线数据通信。1553模块软件之间的调用关系如图3所示。

图31553　模块软件关系图

1.2.1传输软件

SOC_289A_TRAN软件固化在目标机的 Flash中，系统上电后，SoC芯片会自动从 Flash芯片加载传输软件并运行，查询并获取子系统主机命令字，对命令字解码并完成对应命令需要完成的功能，其中包括：1553产品启动模块、主机命令响应模块、中断处理模块。传输软件简要结构图如图4所示。

图4　传输软件结构图

1.2.2驱动软件

SOC_289A_DRV软件作为应用软件和系统硬件资源的中间层，由系统应用软件调用，完成对1553的控制和总线通信功能。其中包括：1553控制功能、计时控制功能、消息控制功能、系统控制功能、中断控制功能、1553存储访问功能、1553主机接口配置功能。接口结构图如图5所示。

图51553　驱动软件

2　设计验证

基于 HKS1553BCRT芯片的 1553模块经过了充分、全面的有效性验证，主要包括协议符合性验证、电气特性验证和环境性验证。

协议符合性验证中构建一个终端有效性（VTP Validation test plan）验证平台，开发验证软件配合平台验证终端有效性。验证方法为：指令响应测试要求终端对所有的合法指令做出正确的响应；有效指令字的间隔时间为2.0 μs～6.0 μs，时间超过 7.0 μs时，应作无响应超时处理等。

电气特性验证中构建一个电气特性有效性（Acceptance Test Plan，ATP）验证平台，开发验证软件配合平台验证电气特性有效性。

本模块产品满足的环境试验温度为-55℃～+70℃。

经协议符合性验证、电气特性验证和环境性验证基于HKS1553B芯片的1553模块符合系统需求，模块的验证指标如表1所示。

表11553　模块验证结果

3　技术优势

本模块所使用的芯片HKS1553BCRT支持总线速率1～10 Mb/s可配置，本模块的应用为高速GJB289A数据总线在航空领域的成功应用提供了技术支撑。1553模块的软硬件解决方案全部为自主正向设计，拥有完全自主知识产权，适用于机载领域高效率的总线调度策略（基于ISBC协议的总线控制技术和总线通信配置表优化算法），部分指标优于国内外同类技术，总体技术水平居该领域国内领先，达到国际先进水平。具体对比结果参见表2。

4　总结

本文提出了一种基于 GJB289A总线 SoC芯片的1553模块设计与实现方案，该模块设计方案采用了GJB289A总线 SoC芯片，此芯片集成了处理器、协议处理器，大大提高了数据可靠性。该方案在系统微型化、功耗、成本、面积和体积上具有巨大优势，满足了新一代航空电子系统对GJB289A总线模块电路设计的要求。目前该1553模块已成功地应用于某型号任务机，并随整机完成了首飞，已通过各种试验验证。本文提出基于GJB289A总线SoC芯片的1553模块的设计方法，对后续GJB289A数据总线系统应用提供了重要的参考价值。

表2　国内外同类技术比较

［1］田泽，韩炜，赵强，等.1553B总线接口SoC设计与实现［J］.航空计算技术，2008（9）：15-21.

［2］MIL-STD-1553.Protocol Tutoria［S］.Conder Engineering，Inc.2004.

［3］PCI Special Interest group.PCI local bus specification，Draft Revision 2.2［S］.1998.

［4］郭泽仁.1553B总线系统优化及可靠性设计［J］.山东理工大学学报（自然科学版），2008，22（1）：67-70.

［5］雷勇，吴勇，潘莉.基于 USB的 1553B总线通用接口研究［J］.计算机测量与控制，2010，18（4）：861-864.

［6］赵月琴.基于BU-61580的嵌入式1553B终端的设计［J］.航空兵器，2004（4）：28-31.

［7］王学宝，黄志立，朱勇.基于 ARM的智能 1553通讯模块设计［J］.微计算机信息，2010（8）：117-119.

［8］宋小庆，熊全谦.1553B总线的信息传输调度策略［J］.装甲兵工程学院学报，2010（1）：58-62.

The design and realization of 1553 module based on the GJB289A bus system SoC chip

Liu Hang1，2，Zhao Chuan3，Kou Xuefeng4，Li Bo3
（1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；4.AVIC Shaanxi Baocheng Aviation Instrument CO.，LTD，Baoji 721006，China）

Thetraditional 1553 modulewas mainlyadopted todesignoftheDIP encapsulationprotocolhandler，timerand transceiver，PCB board weight big，high power consumption，poor reliability and maintainability，it is difficult to meet the needs of new weapons and equipment of small，low，light and other requirements.This paper proposes a high-speed GJB289A bus based on independent positive（1～10 Mb/s）1553 module of SoC chip design，software design.This paper expounds the SoC chip based on GJB289A bus 1553 module design and implementation process，and put forward the technical advantages of the module.The module is an integrated terminal SoC chip of GJB289A bus communication equipment，realize the BC/RT function of GJB289A bus. The module has been through a model of unmaned aerial vehicle to finalize the design process，low power consumption，function stable and reliable performance，strong portability，high integration，high maturity，bus design of airborne avionics system，has been successfully used in a variety of models.

the GJB289A bus；HKS1553BCRT；1553 module

TN495；V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.042

航空科学基金（2015ZC51036）；中国航空工业集团公司创新基金（2010BD63111）

2016-05-10）

刘航（1976-），男，高级工程师，主要研究方向：集成电路设计。

赵川（1988-），男，助理工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

寇学锋（1973-），男，高级工程师，主要研究方向：导航制导以及显控系统。

李波（1989-），男，助理工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。