1553B总线处理器的比较分析与应用设计

王文萱，翟正军

（西北工业大学 计算机学院，陕西 西安 710129）

摘要 ：1553B总线在航空、航天、舰船等嵌入式高可靠实时通信领域占有重要地位。分析了1553B总线终端的组成，归纳比较了DDC公司研制的多款1553B总线处理器的发展变化的特征，应用该公司集成度最高的1553B总线处理器，设计了小型化的1553B总线终端，与采用集成度较低的1553B处理器完成的设计方案进行了比较。结果表明，所设计的终端在体积、功耗、重量方面降幅均超过60%。

0引言

数字式时分制指令响应型多路传输总线1553B标准最初是由美国为研制联合式航空电子系统制定的通信标准。由于1553B总线在航电系统上的应用大大提高了飞机的性能，因而逐步扩展到舰船、航天等高可靠通信领域。虽然1553B总线已发展应用了30年，但由于1553B总线具有集中控制简单、实时响应、容错可靠、便于维护、技术成熟等优势，因此在航空、航天、舰船等嵌入式高可靠实时领域1553B总线依然占有重要的地位。以最新型的欧洲宽体客机A350XWB为例，在机载局域网中采用了1553B总线实现联网通信。

嵌入式高可靠实时系统功能与性能发展的同时，对系统的体积、功耗、重量等要求也愈来愈高，在基于1553B总线互联的系统中，每个设备都需要1553B终端才能接入到总线中，因此1553B总线终端在系统中占有相当的比重。在满足系统通信要求下，降低1553B总线终端的设计复杂度，减少体积、功耗、重量，成为1553B终端设计人员的一项重要的追求目标。

美国数字设备公司（DDC）［1］在1553B总线器件研发、制造及应用方面占有重要的地位，本文以其不断推新发展的1553B总线处理器芯片为研究对象，分析归纳了DDC公司将原来与1553B终端实现相关的外围器件不断集成到1553B总线通信处理器中，而且不断扩展1553B总线通信处理器内部可编程能力的趋势，使读者了解1553B总线通信处理器功能不断增强、集成度不断提高的特点，为设计人员选择合适的1553B总线通信处理器提供参考，以满足系统1553B总线功能要求的同时，也能满足对1553B总线终端的体积、功耗、重量的指标约束条件。

11553B总线终端构成

1553B总线传输速率为1 Mb/s，传输媒介为屏蔽双绞线，可接入32个终端，终端共有三种类型：总线控制器（Bus Controller，BC）、远程终端（Remote Terminal，RT）和总线监视器（Bus Monitor，BM）。BC是总线上唯一能组织数据消息传输的终端；RT是接受总线上BC控制，完成消息发送或接收的终端；BM是接收总线上消息并能有选择记录的终端，其仅“监控”总线上信息传输但不参与总线的通信。在嵌入式高可靠实时系统中，1553B总线为双余度拓扑结构，所有1553B总线终端设备通过变压器耦合方式挂接在总线网络上［2］。

采用变压器耦合方式的1553B总线终端硬件包括：主机接口电路、消息存储器、1553B协议处理器、双余度总线收发器和隔离变压器。通用的1553B总线终端硬件构成如图1所示。

主机接口电路、实现主机地址、数据及控制总线到终端内部总线的缓冲隔离及控制。消息存储器支持主机与终端内部1553B协议处理器对1553B总线消息数据的存储、读写访问，需要设计消息存储器共享互斥访问控制电路，以达到两者可正确访问。

1553B协议处理器按照1553B协议要求，首先完成1553B的ManchesterⅡ码编译码、数据串并转换与并串转换、数据字同步头的产生与检测、奇校验；其次根据主机规定，作为BC、RT或BM完成总线传输中的任务。作为BC，组织消息的发送与正确性判断；作为RT，完成对指令字的识别、状态字的自动响应；作为BM，完成对所有或部分要求监控的消息监控并记录。1553B协议处理器是终端的控制核心，不仅要访问消息存储器完成1553B消息数据的收发及相应状态的修改，而且要与双余度1553B总线收发器连接，将串行数据发送到发送器或从接收器接收串行数据，还要提供主机可编程接口能力，由主机控制终端的角色、运行或读取终端的实时状态，在主机通信软件管理下完成1553B总线传输任务。双余度1553B总线收发器能够将TTL电平的串行Manchester码与双极性的Manchester码相互转化。两路隔离变压器，源端与双余度1553B总线收发器连接，次端与1553B总线的两条主电缆耦合器分别相连。

21553B通信处理器的变化分析与比较

从上面1553B总线终端构成可见，为完成1553B总线通信任务，需要至少五部分功能单元电路。

在2000年前，1553B总线生产厂家如UTMC、NHI等公司的1553B协议处理器、总线收发器、变压器等均是独立的器件，因此设计1553B总线终端需要十多个元器件，硬件模块体积大、重量重、功耗大。

DDC公司首先认识到集成的必要性和发展趋势，于1995年推出了集成度大幅度提高的1553B先进通信引擎（ACE）器件［3］，是高集成度的1553B总线通信处理器。 ACE单一器件包含了子系统（设备）主机接口隔离电路、消息存储器、1553B协议处理器、双余度总线收发器，实现的主要功能包括：

（1）BC/RT/BM协议一体化设计，由软件配置工作角色；

（2）主处理器接口，灵活多样，支持8/16 bit模式，可零等待或插入等待；

（3）消息存储器，64 KB RAM，包含主机与内部协议访问的互斥访问控制；

（4）内置双余度总线收发器，单5 V供电；

（5）增强BC功能的特征：支持自动重试、可编程间隔时间、帧自动重复、可编程响应超时时间；

（6）增强RT功能的特征：可编程命令非法化表，可选择单消息缓冲、双缓冲、环形缓冲和全局环形缓冲，独立的方式命令中断，可根据子地址进行忙位编程；

（7）增强BM功能的特征：选择消息监控特征，提供可编程触发选项。

随着半导体微电子工艺水平的发展和提高，在对1553B终端设计要求不断提高的外界需求推动下， 以ACE为基础，通过集成外部器件提高集成度、改变封装缩小体积、增强内部新的功能扩展通用性等措施，DDC公司在1999年、2004年、2011年和2013年分别推出了MiniACE、MicroACE、TotalACE、TotalACEXtreme四款产品。下面分别说明这四款典型处理器的主要特点。

（1）MiniACE将ACE的DIP封装改为“Flat Pack”封装，体积压缩为25.4 mm×25.4 mm×3.3 mm。相比ACE仅有的CPU局部总线接口，扩展提供了一种PCI总线的接口，为1553B终端作为PCI总线的从设备提供了无缝连接。但需要外接两个隔离变压器。（2）MicroACE在MiniACE基础上，不仅增强了BC的编程能力，包括十余种总线表判定、分支、循环操作码等，方便了用户对总线的控制，而且改为BGA封装，体积压缩到20.7 mm×20.7 mm×3.3 mm。提供CPU局部总线接口或PCI总线接口。需要外接两个隔离变压器。（3）TotalACE在MicroACE之上，内部集成了两个隔离变压器，是BGA封装，体积为27.9 mm×15.2 mm×4.7 mm，也提供CPU局部总线接口或PCI总线接口。不需要外接两个隔离变压器。（4）TotalACEXtreme在TotalACE基础上，增强了能同时做多个RT的功能。采用更小的BGA封装，体积缩小为16 mm×16 mm×4.7 mm；提供CPU局部总线接口或PCI总线接口。不需要外接两个隔离变压器。

总结DDC公司以上五款1553B通信处理芯片的特征，比较如表1所示。

31553B总线终端设计

采用UTMC公司低集成度1553B协议处理芯片BCRTM为核心器件［45］，需要增加外部存储器、双余度收发器、两个隔离变压器、主机接口隔离电路、仲裁电路、译码电路、时钟电路等，需要至少10多个功能器件，才能实现一个1553B总线终端，如图2所示。

图2基于低集成度的BCRTM芯片的终端设计框图

而采用最新的Total-ACEXtreme高集成度芯片［6］，因其内部集成了绝大多数电路，只需要再增加时钟、简单的主机接口访问译码电路即可构建一个比UT1553B BCRTM方案功能更全（支持多个RT同时工作、RT&BM模式等功能）的1553B总线终端，如图3所示。

图3基于高集成度TotalACEXtreme的终端设计框图对比采用集成度较低的UT1553B BCRTM芯片与采用集成度最高的TotalACEXtreme芯片构建1553B总线终端的两种设计方案，后者占用电路板的面积节省了70％，重量减轻约60％，功耗降低约60％，因而大大降低了1553B总线终端的体积、功耗、重量，为系统设计节省了宝贵的资源。

4结论

本文介绍了1553B总线终端的功能单元构成，通过分析DDC公司推出的五款1553B总线处理器的技术特征和发展趋势，说明随着集成电路水平的提高，1553B总线通信处理器集成的功能电路数量不断增加、完成的功能愈来愈强大、体积越来越小；同时与主设备的接口趋向简单化、服务趋向透明化，从而为1553B设计人员降低1553B总线终端硬件设计复杂度，减少体积、功耗与重量的目标奠定了基础。

参考文献

［1］ MILSTD1553B Designer′s Guide［Z］.Data Device Corporation.

［2］ 张浩.嵌入式1553B总线通信卡的设计与研究［D］.南京：南京理工大学,2008.

［3］ BU65170/61580 Advanced Communication Engine (ACE) Data Sheet［Z］. Data Device Corporation.

［4］ UT1553B BCRTM manual［Z］. United Technology MicroElectrical Corporation.

［5］ 刘士全,黄正,蔡洁明,等.1553B总线应用竞争访问时序分析［J］.微型机与应用,2015,34(1):6971.

［6］ TotalAceXtremeTM BU67301B Data Sheet［Z］. Data Device Corporation.

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。

TN495；V243.1

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.042

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。

1.1.1 GJB289A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HKS1553BCRT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。

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。

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。

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。

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。

参考文献

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