基于HOLT芯片的1553B总线通信接口的设计

武瑞欢 曾晓东

摘要：MIL-STD-1553B是一种具有高可靠传输特性的总线协议，在航空航天等领域占据着十分重要的地位。为解决新装备对于1553B总线通信接口模块体积小和低功耗的需求，本文基于1553B总线协议及其特点，研究了HOLT公司某型号的1553B协议芯片，提出一种以该HOLT芯片为协议芯片的1553B总线通信接口设计方案。通过仿真测试，结果显示该设计满足数据传输可靠实时的要求。

关键词：1553B总线；HOLT协议芯片；BC；RT

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0223-02

MIL-STD-1553B是由美国提出应用在机载设备间信息传输的总线标准，它规定了数据间的传输协议，因其高可靠性、实时性和安全性等优点而广泛应用于航空电子通信网络。1553B接口模块（MBI）是连接在飞机总线上多个子系统通信的接口，负责多个设备间消息的正确传输。随着实际需求的增加，机载系统对通信接口模块体积、功耗和成本等提出了更多的要求，HOLT公司的某1553B协议芯片因符合发展趋势而逐渐成为1553B总线协议芯片的主要选择。本文就此基础上介绍一种新型的1553B接口模块的设计方法。

1 1553B总线介绍

1553B总线系统内的功能节点分为三种类型：总线控制器（BC），远程终端（RT）和总线监控器（MT）。BC负责总线上所有命令的管理和调度， RT被动接收BC的指令并完成相应的操作，这种指令响应型的通信模式避免了对总线资源的争夺。MT负责监控总线系统，可实现全部或者根据配置选择性的记录数据并存储，方便出现问题进行排故。1553B总线的架构见图1。

1553B总线采用A，B个传输通道，若当前通道出现故障则可切换到备份通道保证数据的正常传输。还结合采用BC和BBC互为备份，总线看门狗WDT和总线自测试保证高可靠性。协议制定了命令的响应时间，消息的间隔时间和每次传输消息的长度，实现了通信效率的提升。1553B传输媒介为屏蔽双绞线，为隔离单点故障协议推荐使用变压器耦合方式，这种情况下理论上短截线长度不超过6m，总共的电缆长度不大于100m[1]。

2 设计原理

2.1 HOLT某型芯片介绍

该芯片是由HOLT公司根据1553B标准研制生产的一款通信协议芯片。芯片采用BC/ RT /MT硬件一体化设计，由软件编程工作模式。其上集成了双曼彻斯特编码解码器、收发器、带误码检测校正功能的64k大小的片内静态RAM来满足应用的需求。单个IC的尺寸为15×15mm，封装相对主流的协议芯片更小，成本也更加满足生产需求。

该芯片作为BC拥有多帧消息调度、消息重传调度、存储消息数据、异步信息插入和状态错误报告等功能。所有的1553B错误检查可以自动执行，包括RT响应时间，曼彻斯特编码，同步头，位计数值，字计数值等[2]。

该协议芯片可被配置为两种RT，每个RT都拥有独立描述符表，非法命令表、主机终端配置和状态寄存器，并分配独立的RAM，两个RT可被独立的复位和初始化。

芯片作为终端时的状态通过可编程的中断呈报给主机进行处理。主机的中断来自设备硬件或者是使能的终端设备，并使用硬件中断寄存器、中断记录缓存和中断计数记录地址寄存器来管理中断。该型号协议芯片的功能结构图见图1。

2.2硬件设计

本设计采用HOLT协议芯片 + DSP 来搭建整个硬件系统。DSP作为核心处理器实现传输层的功能。协议芯片用作1553B协议处理器，实现物理层的连接和数据链路层的功能。可编程逻辑器件FPGA作为高速的组合逻辑和时序逻辑控制器，实现DSP和协议芯片之间主要的控制逻辑[3]。整个硬件设计见图2。硬件组成包括通信处理器接口电路，实时时钟电路，复位电路和总线接口电路。

通信处理器接口电路：DSP对协议处理器的片选和读写控制信号[4]通过FPGA的译码后输出到协议芯片。协议芯片使用16位的数据线和16位的地址线，地址位的最低位在8位处理器用来标志第一个和第二个字节。

复位电路：硬件复位时，命令处理器、总线编解码器和内部逻辑被清除，所有时标被复位，复位最短延迟时间为200ns。通过设置主状态寄存器和复位寄存器相应的标志位可以对MT、RT1和RT2实现软件复位，BC模式下只有硬件复位。

通信总线接口电路：由隔离变压器和双通道的数据收发器组成。HOLT 芯片的片上逻辑和收发器需要的电压为3.3V，隔离变压器保护与总线连接的终端的安全。收发器为MIL-STD-1553 隔离变压器和设备提供了接口，完成电平信号和曼彻斯特2型码的转换。

实时时钟电路：为协议芯片提供工作时钟为50MHz，DSP时钟为20MHz，还有看门狗和定时服务。其中BC、MT、RT1、RT2都有独立的时间标计数器，BC和RT的计数器可以共享一个时钟，MT的时钟由单独的外部晶振提供。

2.3软件设计

1553B总线通信软件是实现接口模块与子系统主机应用软件间的接口控制与数据传递的专用软件，提供各类消息数据的读、写支持；对计时器的控制及处理；对各种中断原因分析及处理。软件包括驱动层软件和传输层的软件。驱动软件驻留在主机中，为应用层提供API接口，使应用层实现对1553B通信模块的管理和控制。传输层软件固化在主处理器的FlASH中，调试时将传输软件的目标码加载到内部RAM中运行。子系统主机和1553B接口模块之间的交互使用“指令響应型”的方式，主机在DPRAM的命令字单元中写入命令字，命令字通过传输层的解析后下发给协议芯片组织信息的传输，MBI模块在命令成功执行后会将该命令字写入双口的响应字单元。驱动层的功能分解图见图3。

驱动层的功能有：系统控制管理，如MBI模块的初始化、模块状态的设置（GO、STOP和BIT）、以及工作模式（BC、RT、MT）的配置；总线时钟管理，利用读写RTC实现BC与子系统的时钟同步，BC通过使用授时命令实现整个网络中设备的时间同步；中断的解析和处理，如底层进行终端上下网查询操作后上报中断码和中断字，上层通过解析完成设备的上下网管理[4]；数据的收发，在MBI的缓冲区读取和写入数据，检查接收缓冲区是否有数据更新。

传输层主循环一直检查相应的命令字单元，通过解析命令字完成相关的操作。传输层需要完成的功能有：解析主机命令并执行，如主机下达MBI工作模式的命令后，底层通过配置主配置寄存器来设置工作模式（BC、RT、MT）；中断的上报，如对新收到的消息进行解析后为紧急消息，则设置中断标志并上报给主机；对收发消息的处理，协议芯片不能自动设置消息的标志位，所以传输层需要对收发的数据进行处理。传输层的处理流程见图4。

2.3.1 BC设计

1553B中BC负责整个系统中设备间信息的传输，组织消息的调度，并通过总线表和通信表维护整个通信网络。该协议芯片全面兼容支持MIL-STD-1553B的消息格式，其作总线控制器时通过使用命令块来支持1553B功能的实现，命令块按照消息的逻辑号排列。命令块包括了BC控制字、命令字、狀态字、数据地址指针等字。其中控制字由主机初始化和维护，包括消息格式、消息重试使能、总线属性等。协议芯片作为BC通过解析命令字块中消息的类型调用特定的处理完成传输工作，并自动将消息响应后传回的状态字写入RAM，其中包括当前通道、错误检测、错误类型等[5]。主机通过访问命令块表中相应地址空间可以得到消息的状态字并执行下一步操作。

2.3.2 RT设计

在主机完成对RT相关寄存器的配置后，RT可以在自主的回复消息而很少需要主机的干预。RT的描述符按照子地址的顺序排列，与通信表相对应。协议芯片在RAM中定义了每种消息类型的存储区间，设备在接收到消息时根据描述符指针的位置识别命令类型后完成BC要求的操作。RT每次处理完一个命令，设备会自动更新该命令对应的描述符表控制字，其中控制字中设置了命令指示的数据的存储方式、地址和中断信息。

BC负责总线中所有消息的调度和控制，RT不具备主动发起消息的能力，只能被动的接收来自BC的指令并完成指定的操作。在收到接收命令后，RT将会自动对描述符中接收子地址指向的1～32个数据字进行存储，并返回BC一个状态字。当RT有消息需要上报时，过程相对接收更为复杂： 首先RT需要将要上报的数据写到缓冲区中，设置对应的矢量字；BC在每个周期会定时发出发送矢量字命令，周期性的询问RT是否有数据需要发送；RT回复状态字和一个数据字，BC通过解析该数据字，查询总线表中相关的指令后组织消息的发送；RT端在发送数据后清除相应的矢量字。

3 结论

本文在1553B总线接口应用新需求上，提出了使用HOLT公司的某型号芯片作为协议芯片，DSP作为核心处理器的1553B接口模块设计方法，以此实现新装备对于1553B通信模块的要求。在实际应用中该系统运行稳定可靠，达到设计效果。

参考文献：

[1] 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线， 国防科学技术工业委员会，1997，11；

[2] HOLT数据手册HOLT INTEGRATED CIRCUITS，2014.12.

[3] 刘陶，张翀，谭志宏.高性能DSP在1553B 总线中的设计与实现[J].航空计算技术，2017，47（2）.

[4] 曾晓东，牟明，张成.基于61864协议芯片的1553B总线控制器通信接口设计[J].设计应用，2014（11）：112.

[5] 范祥辉，杨寒，史岩，等.一种1553B 总线多功能接口模块设计与实现[J].信息通信，2017（2）：170.

【通联编辑：唐一东】