飞行控制系统中Mil-1394b仿真节点实现
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摘要：针对高带宽、低延迟、高可靠的军用需求，及针对要求具有较高的实时性、确定性、可靠性的飞行控制系统，对IEEE-1394b和AS5643的协议结构进行了研究，研发了mil-1394b总线接口板。详细叙述了板卡的功能、硬件板卡的原理及实现、软件实现，进行了大量的仿真、调试和分析。该板卡达到了较高的传输速率，性能良好，满足设计需求，已应用于某些飞行控制系统中。
关键词：Mil-1394b；AS5643；仿真节点；飞行控制系统
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)13-3120-02
Implement of Mil-1394b Simulation Node in Vehicle Control System
TIAN Ze, LI Na, CHENG Guo-jian
(Computer College, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)
Abstract: For military needs of high bandwidth, low latency and high reliability, and in view of the requirements of real-time, certainty and reliability of the Vehicle Control System, this paper studied the agreement of IEEE-1394b and AS5643, and developed the Mil-1394b bus interface board. The functions of the board, the principle and implementation of hardware and software were described in details. Also, a lot of simulation, debug and analysis were done. This interface card reaches higher transmission rate and better performance, meets the design requirements, and has been applied in some Vehicle Control Systems.
Key words: Mil-1394b; AS5643; simulation node; vehicle control system
国内外现都已广泛应用1394总线技术，主要用于音频、视频传输，但是这些应用只是基于消费电子类的应用，1394b总线的另一发展趋势是向军用领域拓展。
1 Mil-1394b总线概述
由Lockheed Martin领导的SAE AS1A3 Mil-1394b任务小组，制定了官方工业标准――“SAE AS5643:IEEE 1394b Interface Requirements for Military and Aerospace Vehicle Applications”[1]。该协议明确定义了1394b总线在军事和飞行控制系统中的典型应用。“SAE AS5643 Mil-1394b is a set of enhancements to the IEEE1394 standard.”[2]
飞行控制（简称“飞控”） 系统对实时性、确定性、可靠性的要求较高，另外，总线传输也要求静态配置、高速、容错等。为了满足飞控系统的上述要求，采用Mil-1394b总线来实现系统互联和高速数据传输，是因为Mil-1394b总线传输速度快、传输距离长，可以实现实时、确定的点对点传输。
2 仿真板卡功能
设计实现的Mil-1394b总线接口板（简称为PC卡），可插入PC机的PCI接口插槽中。通过该接口，PC机就可与PC卡进行通信。
2.1 PC卡功能
在PC卡上实现1394b协议，对主机提供软件接口，实现异步流传输功能。1394b协议定义了物理层、链路层、事务层和串行总线管理，并定义了与应用程序间的接口服务[3]。每个协议层都定义了一整套相关的服务，用于支持各层间的通信，通过各协议层的配合工作，可以提供可靠、快速的通信服务。
每个PC卡都可以设置为CC（Control Computer，控制计算机）或RN（Remote Node，远程节点）。
2.2 CC功能
1) 按照系统定义的周期发送STOF包；
2) 可获得总线网络的拓扑图、速率表、网络节点的状态；
3) 获得网络节点的连接状态；
4) 提供自身的状态；
5) 提供消息的发送缓冲和接收缓冲功能；
6) 作为循环控制器时，可以发送周期为125us的循环启动包。
2.3 RN功能
1) 监听STOF消息，并根据STOF消息更新其相关的偏移；
2) 发送自身连接状态给CC；
3) 监听系统为该节点分配的通道以及广播通道，接收网络中到该通道的数据包，对不是该通道的数据包进行转发；
4) 提供消息的发送缓冲和接收缓冲功能。
3 硬件板卡实现
3.1 硬件原理
PC卡的设计特性包括以下几点：
1) FPGA设计灵活，通过更改FPGA逻辑就可以实现CC/RN节点功能；
2) 主机操作接口简单，主机只需实现系统控制、数据收发控制等基本操作；
3) AS5643协议通过硬件逻辑实现，提高了系统的实时性；
4) FPGA逻辑设计灵活，方便系统设计与维护。
FPGA器件选型必须充分考虑AS5643协议处理的要求，从逻辑规模、资源等方面综合评估。由于V5系列的器件对于接口的设计难度降低了，同时该系列器件的逻辑规模更大，可以满足设计升级改版的需要，所以采用V5系列的FPGA器件。
3.2 硬件实现
PC卡设计为单一硬件PCB板卡，用FPGA逻辑实现CC/RN上的AS5643协议功能。因此，FPGA同时连接链路层芯片TSB12LV32和物理层芯片TSB41BA3B。该FPGA主要实现PCI总线/异步总线接口控制、AS5643协议、配置表的硬件加载、硬件逻辑自测试和健康监控等功能，其功能框图如图1所示。
4 软件设计
4.1 软件框架
1394智能节点的协议软件设计总体上分为主机应用软件和主机驱动软件。主机应用软件主要实现FC-ASM协议；而主机驱动软件的主要功能有：1) 实现对DPRAM双口存储器的读写；2) 板卡配置与模式管理；3) 网络配置状态与消息收发状态获取；4) 消息收发；5) 配置表的加载，可选为主机加载或硬件从PROM加载。
4.2 软件实现
每个节点提供了六种工作状态：1) 初始化：包括1394B总线初始化――速度协商、树标识、自标识、强制根节点、自动环检测与断开等过程，硬件自动加载配置表，配置寄存器的初始化等。2) 工作：节点处于正常工作状态，能够完成STOF包收发、消息收发等正常功能。3) 自测试：上电自测试，包括DPRAM等硬件资源的自检。4) 停止：节点处于静默状态，不进行STOF收发，但PHY不禁止，仍然维持网络拓扑与网络通信能力。5) 故障：节点处于故障状态，导致1394网络不能正常通信。6) 配置表的编程：PROM配置表的更新。
如图3和图4所示，为正常工作状态下主机发送消息与接收消息的流程。
5 结束语
使用FPGA实现SAE AS5643控制，相对于软件实现，可提高SAE AS5643接口需求的实现速度和效率，可保证更低的总线延迟和更高的可靠性。SAE AS5643控制器的应用，实现了消息传输的自治管理，内部的定时器实现节点的偏移控制，保证了消息传输的确定性，同时与主机接口简易，降低了主机的开销。另外，节省了FPGA内部大量的资源，更易于功能扩展和小型化实现。
参考文献：
[1] Society of Automotive Engineers.IEEE 1394b interface requirements for military and aerospace vehicle applications[S].SAE Aerospace Standard 5643,2004.
[2] Bai Haowei.Analysis of a SAE AS5643 Mil-1394b Based High-Speed Avionics Network Architecture for space and Defense Application[Z].Honeywell Labs,Minneapolis.
[3] IEEE Std 1394bTM-2002 IEEE Standard for a High Performance Serial Bus Amendment 2[S].IEEE Computer Society,2002.
[4] 1394 Open Host Conoller Interface Specficaiton[Z]．2000.
[5] 王海涌,黄江艳.一种基于IEEE1394总线的高速数据传输设备的设计[J].测控技术,2009,28(6):65-68.
[6] 刘光远,张涛,郑伟波.基于FPGA的数据采集系统IEEE1394接口设计[J].仪表技术与传感器,2009(12):46-48.
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