1、1553B地址分配及存储器管理方案设计
1553B通信节点与各个传感器采用主从式通信模式进行通信。通过将1553B通信节点配置为BC(总线控制器)，传感器节点配置为ＲT(远程终端)。所有传感器节点需使用不同的1553B地址，并将其作为通信集群中节点的唯一ID。如表1所示为不同传感器1553B地址分配。飞行控制计算机外部1553B传感器由惯导传感器、大气数据机传感器和无线电高度传感器组成，样例飞行控制计算机各传感器数据流量如表2所示。BU-61580内部具有4k字的共享静态ＲAM，与主机交互具有很强的操作灵活性。BU-61580的存储数据的基本单元为消息块(MessageBlock)，每个消息块大小为38字［6］。其中数据字包含的最大数据量为32字，故一次可传输的最大数据量为32。本系统中，无线电高度传感器与大气数据机传感器的数据帧长度均小于32字节，可通过一次数据传输完成数据通信。而惯导传感器的数据帧长度为54个字节，超过了一次传输数据的最大字节数，为保证数据完整性，不破坏每个字节数据内容，本设计采用数据帧拆分的方式。通过将数据帧拆分，使每个数据块长度均小于32字节，然后通过BC与ＲT的两次数据通信完成整个惯导传感器数据帧的传输。惯导传感器数据格式如表3所示。2.31553B通信时间调度设计由表1可知，飞行控制计算机各个传感器的更新频率并非完全一致，速率最高为100Hz，最低为50Hz。针对BC与多个ＲT进行数据通信，BU-61580采用大周期和小周期协同的方案来实现多个传输速率的通信。由于本系统频率最高为100Hz，最低频率为50Hz，故将通信大周期选择为20ms，将小周期选择为10ms。如图3所示为BC与传感器ＲT1～ＲT3的大周期通信顺序图，每个大周期内，惯导传感器和无线电高度传感器与BC通信一次，而大气数据机传感器与BC通信两次。图3中，为平衡数据流量及小周期通信数量，本设计将惯导传感器和无线电高度传感器分别位于两个小周期中，使两个小周期的数据流量平衡，实现两个小周期的通道资源充分利用。
2、FlexＲay总线时间调度
根据样例飞行控制计算机的内部总线FlexＲay通信协议可知，内部总线通信时间为5ms，每个时隙为50μs，FlexＲay总线最大帧长为127字［7］。本设计中1553B帧长度最大为54个字节，频率最高为100Hz，故使用上述FlexＲay总线通信协议能够符合1553B总线通信要求。本设计中，1553B传感器数据的频率为50Hz和100Hz，而FlexＲay总线通信频率为200Hz，内部总线通信速率高于外部传感器速率。故1553B板卡在内部总线通信过程中，当有传感器数据更新时，FlexＲay总线传输最新的数据;而当没有数据更新时，FlexＲay总线传输当前的传感器数据。为保证数据的完整性及减少占用总线时隙数量，本设计共使用总线三个时隙，每个时隙具体传输内容如表4所示，时隙2、7、15传输内容分别为惯导传感器无线电高度传感器和大气数据机的数据，数据帧大小分别为54字节、32字节、12字节。
3、1553B通信单元软件设计
3.1驱动软件的IP核封装与实现
在嵌入式FPGAEDK设计中，为了简化用户开发难度，Xilinx公司提供了一个封装了的接口，即IPIF(IPinterface，IP接口)作为介于PLB总线与用户逻辑模块之间的接口缓冲［8］。IPIF将PLB总线操作封装起来，而留给用户一个逻辑接口。本文软件设计采用模块化设计思想。其设计步骤如下:首先，将每个硬件模块对应编写一个驱动软件程序;其次，将相应驱动软件封装成通用IP核;最后，将IP核挂载到PowerPC内部总线PLB上。模块之间的通信主要通过PLB总线和OPB总线实现，系统中各模块通过这两种总线连接至PowerPC内核上，而PowerPC通过内部总线读写机制实现对各个模块的读写与控制。如图4所示为1553B通信单元的硬件平台总体架构图，主要由PowerPC内核、1553BIP核、FlexＲay总线对应GPIOIP核集合、串口IP核、BＲAM模块IP核及相应的中断控制IP核组成。
3.21553B总线接口驱动软件设计
如图5所示为1553B总线接口IP核结构图，整个驱动分为三个模块:总线读写模块，初始化模块和数据缓存模块。系统上电，该IP核激活，进行总线初始化操作，发送初始化完成信号并查询PLB读写信号，等待PowerPC405的读写操作。当读控制信号使能时，PowerPC405读取数据缓冲区中的数据;当写控制信号使能时，总线读写模块将数据缓冲区中的数据发送至总线上。
3.31553B通信算法设计
1553B通信单元的调度主要由外部1553B总线的数据接收，内部FlexＲay总线的数据通信组成。本设计采用模块化设计，将系统功能划分为顶层应用和底层数据通信。底层数据通信主要包括外部数据流通信及内部数据流通信，外部数据流通信主要由1553BIP核实现，内部总线也由FlexＲay驱动程序实现数据通信;而内核PowerPC主要实现顶层应用，即数据调度及总线故障切换功能的实现。如图6所示为节点通信程序流程图，系统上电后，首先对FlexＲay总线及1553B总线节点进行相应的初始化，进而查询1553B对应FIFO满输出引脚，当接收到数据时，节点读取FIFO内容，并写入相应的总线发送缓冲区中。进而查询MFＲ4310的中断引脚信号，当发送中断有效时，执行发送中断子程序，将接收到1553B总线数据通过1553B总线发送出去;当接收中断有效时，执行接收中断子程序，通信节点接收CPU发送来的控制信号。系统完成数据调度后，进而进行总线故障检测。由于1553B总线的基本周期为10ms，故本设计中总线检测周期为10ms。当定时器的10ms定时时间到，总线进行一次总线检测。当接收到总线切换指令，通信单元进行总线切换，并更新总线状态;进而判断是否接受到传感器的1553B总线应答信号，如果有，将总线故障计数清零，倘若没有，将故障计数加1，当故障计数大于6，进行总线切换，并更新总线状态。
4、总线网络通信测试与结果分析
(1)FlexＲay总线测试结果将FlexＲay通信周期设置为5ms，静态时隙长度为50μs，将CPU板卡与1553B板卡进行通信实验，从总线上读出输出波形。FlexＲay总线通信时，在总线上截取的波形如图7所示，从图中可以看出通信周期为5ms，与预设值一致。如图8所示为一个周期时隙输出波形，时隙2、7、15传输传感器数据。由图8可知，时隙2与时隙7相差250μs，时隙7与时隙15相差350μs，与预设值一致。FlexＲay总线通信6小时，进而进行连续总线数据传输测试，经过6个小时的总线测试结果如表5所示，通信过程中，丢帧、错帧计数均为0，表明1553B通信单元FlexＲay总线设计正确，可以满足飞行控制计算机通信的基本要求。(2)1553B总线测试结果由前面可知，1553B数据通信周期为10ms，即100Hz。如图9～12分别为1553B通信单元与CPU单元模拟大气数据机传感器数据帧发送数据8字节，进行通信2小时、4小时、6小时、10小时的通信仿真图。其通信帧数分别为719999，1439998，2160023，3599991。期间在2小时～4小时，4小时～6小时，6小时～10小时通信期间，丢帧数分别为1，1，0，合计丢帧率约为5.56×10－7，符合飞行控制计算机通信要求。(3)测试结论以上实验结果表明，1553B通信单元的各个模块通信正常，与飞行控制计算机CPU板卡通信正常，能够符合飞行控制计算机的通信要求。
5、结束语
1553B总线和FlexＲay总线作为新型总线，具有速率快，多冗余等特点，可以为飞行仿真计算机提供快速、稳定的数据传输链路。本文针对基于CAN总线的样例飞行性控制计算机外部传感器接口不一、内部总线负载过重的问题，设计了基于FPGA的1553B总线通信单元，结果正确，能够满足飞行仿真计算机数据链路要求，为以后先进飞行仿真计算机新型总线FlexＲay与1553B总线的应用打下了基础。
作者：吴文志 陈欣 贾振宇 单位：南京航空航天大学自动化学院
