赵 彬1，2，易宁宁3，郑 斐1，2，魏艳艳1，2
(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)
机载总线节点接口模块作为系统总线网络的接入节点，其功能性能的完备性、可靠性对于总线网络系统的构建有着至关重要的作用。1394总线作为新一代飞机航空电子系统的网络传输总线，其节点模块设计的重要性不言而喻，以1394总线协议为依据，结合总线系统的需求背景，设计了一种航电1394总线节点接口模块。该模块基于标准化、通用化的设计思想，提取用户共性需求，结合1394总线协议层次结构，确定最终的产品架构。总线节点功能设计中采用CC/RN/BM一体化设计，提供PCI/PCIE主机接口，支持S100B/S200B/S400B可配置总线通信速率，设计灵活，为用户提供标准软硬件接口，有效降低了设计、维护成本。
1394总线；AS5643 协议；航电1394总线节点
中图分类号：TP393
A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.004
中文引用格式：赵彬，易宁宁，郑斐，等. 航电1394总线节点设计实现[J].电子技术应用，2016，42(6)：13-16.
英文引用格式：Zhao Bin，Yi Ningning，Zheng Fei，et al. Design and implementation of avionics 1394 node[J].Application of Elec-
tronic Technique，2016，42(6)：13-16.
0 引言
1394总线主要由机载网络接口子卡连接组成，航电1394总线节点产品为主机使用1394网络通信服务提供软、硬件接口，完成主机设备与1394总线间的信息交互能力，实现对1394总线网络系统运行的集中管理、时统控制、网络结构维护和网络数据通信功能，满足任务系统对1394网络的需求。该节点采用标准化、通用化及软硬件协同的设计思路，由驱动软件和FPGA逻辑共同实现SAE AS5643协议要求的CC、RN、BM一体化功能，提供PCI和PCIE两种主机接口，支持S100B/S200B/S400B总线通信速率，并通过电气特性验证及可靠性与环境试验验证，满足高可靠性机载环境使用的需求。
本文从硬件、逻辑构架和软件三方面详细介绍了航电1394总线节点的设计与实现过程，并通过网络验证平台对节点功能、性能进行验证。
1 节点设计
航电1394总线节点作为接入总线系统中的通用1394通信模块，具备航电系统CC/RN/BM角色，实现1394总线网络的控制、数据传输等功能。其设计遵循航空电子通信系统的层次结构划分（见图1），实现了系统物理层、数据链路层、传输层和驱动层的功能，其中，物理层与数据链路层由硬件实现，传输层(AS5643协议)通过可编程逻辑实现，应用软件和驱动软件驻留在上位机中，应用软件与特定的子系统有关，通过调用驱动软件实现子系统功能要求。
1.1 硬件设计
航电1394总线节点硬件设计采用标准化、通用化及软硬件协同的设计思路，实现了CC/RN/BM功能统一设计，提供标准PCI及PCIE主机接口，具有1394总线AS5643协议解析、1394电气信号驱动和消息存储功能。其主要硬件结构设计如图2所示。
节点设计采用FPGA逻辑实现AS5643协议处理功能，完成应用系统与主机接口连接。其中1394接口信号经过变压器耦合方式输出，每个节点对外提供3个端口，端口符合IEEE 1394B规范要求，支持S100、S200和S400 3种传输速率；1394链路层功能和1394物理层功能分别由符合协议规范的接口集成电路实现；提供4路离散量输出信号和4路离散量输入信号，用于抢权控制和功能扩展；配置1片4 Mbit Flash存储器，用于存储总线配置表[1]。
各主要模块功能如下：
(1)主机接口电路模块：主机接口可以采用32 bit/33 MHz工作方式PCI接口；也可以提供兼容PCIe1.1的1x规格、高速2.5 Gb/s接口。采用主机提供的二级直流电源( 5 V)，经过电压转换器件产生3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V、1 V等各种电压，满足不同功能电路使用。
(2)时钟电路模块：主要由FPGA时钟使用单端输出的30 MHz晶振提供，便于逻辑功能分区实现。1394物理层时钟按照协议规范，可选晶振或晶体提供49.152 MHz时钟信号输入。
(3)复位电路模块：复位电路可根据实际的复位时间要求进行选择，节点设计包含两个复位：复位一为确保FPGA逻辑加载在全局复位结束前完成，采用监控芯片实现电压控制和复位输出；复位二为满足单一复位时间要求，采用RC复位电路与施密特反相器配合消抖实现总线物理层接口复位。
1.2 逻辑设计
FPGA逻辑结构设计主要集成了主机接口模块和AS5643协议处理模块两部分，其功能框图如图3所示[2]。主机接口模块是主机与AS5643协议处理模块进行数据交互的接口，实现主机对AS5643协议处理模块所有资源的访问。
AS5643协议处理单元模块是FPGA逻辑设计的主要实现单元，该模块采用CC/RN/BM节点一体化设计，完成主机与链路层接口芯片之间的通信，实现了AS5643协议定义的总线同步、总线通信、总线系统容错等关键技术，支持S100B、S200B或S400B模式通信。
FPGA逻辑结构采用共享主机存储工作方式，具备DMA引擎，实现数据在FPGA双口与主机RAM之间的高速搬移；提供片内DPRAM存储配置表信息，最大支持收发各128条消息，根据总线配置表进行消息调度；消息负载长度可配置，S100B模式下支持最大512 B，S400B模式下最大2 KB。
1.3 软件设计
节点软件由应用软件和驱动软件组成。驱动软件主要完成主机端与1394节点之间的数据交互，是主机应用层与AS5643逻辑的中间层，提供API接口函数给上层应用调用，将应用层和硬件与逻辑之间的交互分开[3]。上层应用软件与特定的子系统有关，应用软件通过调用驱动软件实现节点功能。软件体系结构如图4所示。
驱动软件作为主机访问1394接口子卡硬件资源和数据收发的接口，主要实现1394B总线数据通信和网络管理，可提供对1394节点内程序的调度，对1394节点状态的报告等处理，由主机应用层软件进行调用。软件采用CC/RN/BM节点功能兼容设计，支持VxWorks、ACoreOS、ACoreOS653等多种操作系统环境。
驱动软件按功能模块分为设备管理模块、消息控制模块、网络管理模块、时统管理模块和中断处理模块等，如图5所示。
2 技术优势
与其他总线节点相比，该设计实现的总线节点主要技术优点如下：
(1)提出了PCI/PCIE接口复用设计电路，满足多种主机接口需求；
(2)产品功耗较低(不大于6 W)，体积小(68 mm×68 mm），重量轻(不超过60 g)，可靠性高，使得产品应用范围更广，满足机载及地面环境下的多重应用需求；
(3)针对机载总线传输高可靠要求，按照S100B、S200B、S400速率下的电气特性指标，完成1394接口物理层信号完整性分析、设计及验证，有效地提高了总线信号传输质量，保障了数据传输可靠性；
(4)实现按照预分配的偏移时刻定时发送的事件消息，实现Mil-1394总线网络管理、网络时统以及流数据传输的方法及电路；
(5)为提高产品的应用灵活性，在软件、逻辑、硬件设计中首次采用CC/RN/BM一体化设计；
(6)设计实现了一种支持总线多节点的总线配置表结构和加载方案，满足机载产品在线加载的应用要求；
(7)从总线系统、总线信号质量和线缆/连接器测试三方面构建总线验证系统，进行网络通信测试、产品电气特性测试以及线缆连接器测试。
3 测试及验证
航电1394总线节点测试主要针对板卡性能和功能进行测试，以保证该节点设计满足协议功能需求和高可靠性、实时性的性能要求。
验证环境由航电1394总线节点测试系统、1394航电仿真卡测试系统、连接线缆等组成，其中1394总线分析仪作为监控节点接入测试网络。图7为一个简易的验证环境连接图。
针对Mil-1394总线对总线信号质量的要求，进行了环境试验下的总线电气特性测试和可靠性试验等测试，保证其在恶劣复杂工作环境下的正常通信。该测试保证了总线信号传输质量，保障数据传输的可靠性。
功能测试通过搭建1394航电仿真卡与待测试子卡进行点对点测试，以及在验证环境中加入多个待测子卡，组成网络测试1394总线系统通信功能是否正常。主要测试待测子卡是否满足AS5643协议的需求，包括STOF包发送/接收、总线网络管理、时统管理、异步流消息的发送/接收、总线配置表文件加载、总线故障注入等。经验证，1394总线节点能够实现航电系统1394总线节点功能，并且通过1394总线协议分析仪监控结果分析得知功能正常。
4 结论
本文就航电1394总线节点的设计及实现技术进行研究，从硬件架构、逻辑设计及软件实现等方面进行了分析。经1394总线验证平台实测，结果表明该航电1394总线节点实时性强、准确性高、性能稳定，并通过国军标软件工程化标准测试，可为各类机载安全关键和任务关键子系统提供高可靠、高确定、高带宽的系统级总线接口，并为相关产品开发提供设计思路和实践经验。
参考文献
[1] 张大朴，王晓，张大力，等.IEEE1394协议及接口设计[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2] 赵彬，田泽，杨峰，等.基于AS5643协议的接口模块设计与实现[J]．计算机技术与发展，2013,23(8)：100-102.
[3] 冯莎，卢选民，王兴亮．一种基于SAE AS5643总线协议的驱动程序设计[J]．测控技术，2013，31(10)：98-100.
[4] 张少峰，田泽，杨峰，等.基于AS5643协议的Mil-1394仿真卡设计与实现[J]．计算机技术与发展，2013(8)：168-171.
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