機載TM總線接口設計方案

概述：在研發第四代戰機過程中，TM總線成為機載航空總線的研究熱點之一。提出一種利用EDA技術的TM總線接口設計。硬件設計方面通過對TM總線協議的分析，采用可編程邏輯器件設計了主／從一體化TM總線控制器，并對TM總線控制結構和接口狀態機運行機理進行了描述。軟件部分實現了USB驅動開發和固件開發。

??? 航空電子系統是飛機上的一個重要系統，它決定著飛機的作戰性能。隨著科學技術的迅猛發展，作戰環境的變化，技術的進步與需求的改變，使航空電子技術不斷出新，航空電子技術的進步也極大地提高了飛機的作戰性能。飛機功能的不斷增強，使得F-22／F-35等先進飛機航電設備的成本也直線上升。為了使飛機的造價與壽命成正比，只有提高系統的可維護性。當飛機具有良好的可維護性時，系統的維護費用、維護難度和全壽命周期費用才能得到降低，軍機戰斗力和快速反應能力才能得到提高。

1 TM總線概述
??? TM(Test and Maintenance，測試與維護)總線是用于電子設備的子系統和模塊的測試、診斷與維護的標準底板總線，是針對模塊和子系統而提出的一項新的檢測技術，現已應用于以F-22為代表的第四代飛機中。現提出一種TM總線的接口設計。
??? TM總線采用主從式工作方式，系統中存在一個TM總線主設備和多個TM總線從設備，從設備在主設備的命令下工作。本文的設計主要是從測試數據角度出發，測試數據通過主／從模塊的控制器經USB接口進行數據傳輸、采集、處理后，送入計算機。各模塊通過TM總線控制器掛接到TM總線上，圖1為總體設計。

2 系統硬件設計
2．1 系統硬件結構設計
??? 系統硬件設計包括總線控制器、USB接口平臺及PC連接幾個部分，本文將介紹TIU(傳輸接口單元)通過USB接口進行數據傳輸的過程，整體結構框圖如圖2所示。

??? 由圖2可知，硬件總體結構數據傳輸可分為以下兩大塊：
??? (1)在USB接口接收從TIU傳送出的數據，經過數據處理和數據解析，把數據解釋成有實際意義的參數，實時顯示在PC機的顯示畫面上。
??? (2)從PC機來的數據，通過USB接口，發往TIU。

2．2 TIU設計
??? 在所設計的系統總體結構中，TM總線主／從模塊上都有一個TIU，其基本功能是完成TM總線協議及實現主從模塊間的數據通信。
2．2．1 TIU詳細設計
??? 在TM-BUS控制器的研制中，主／從TM-BUS控制器實現一體化設計，通過控制使TIU工作在主／從兩種模式下，主方式下的TIU發送命令，從方式下的TIU接收并執行命令。TIU結構設計圖如圖3所示。

2．2．2 TIU的設計原理
??? 從數據信號流程方面來說：接收數據時，TM總線上的輸入信號經過譯碼轉換進入寄存器，在這里完成數據串/并格式轉換，進行奇偶校驗檢查，檢查后如果正確，則通過地址比較邏輯，進行命令譯碼，按照所給出的命令送入所定義的不同作用的寄存器中。
??? TIU執行控制命令的過程如下：TIU鏈路層狀態機控制命令的接收，核心狀態機執行該命令，并把待傳送的應答傳送至移位寄存器中，再由TIU鏈路層狀態機控制應答傳送。由軟件實現的命令其執行過程是核心狀態機將該命令傳送至輸入接口緩沖器并產生中斷信號，模塊中的CPU響應中斷，從輸入接口緩沖器中讀取命令，進行測試操作和模塊維護操作，并把結果寫入狀態寄存器或輸入緩沖器，然后TM總線主控制器取走該測試結果。
2．3 TM總線狀態機設計
??? TM總線協議規定其鏈路層狀態機分為主從兩個狀態機，由于TIU不存在同時既做主又做從的工作模式，因此可以把主／從兩個狀態機合為一個。通過控制使TIU工作在主／從兩種模式下，主方式下的TIU發送命令，從方式的TIU接收并執行命令。圖4為主狀態機狀態轉換圖。

??? 在TM-BUS主狀態機狀態標記中，最后兩位表示在該狀態下MCTL和MMD的值，狀態轉換的條件由狀態變量M1，M2，M3表示。圖4中所標的轉換條件為[M1，M2，M3]取值。POWERUP2_00為上電后或復位后的狀態；XFERl6_1X～XFER00_1X為數據傳送狀態；WAIT_00為出錯狀態，該狀態結束的條件是MCTL與MMD發生傳輸沖突消失且消息傳送結束；在PAUSE_01狀態下插入等待；EOM_00為消息傳送的起始和結束狀態。主／從兩個狀態機合為一個狀態機后，MCS和主權控制狀態機控制作何種狀態機運行[M1，M2，M3]控制主狀態機的狀態轉換，從狀態機的狀態轉換由MCTL和MMD控制。
2.4 USB接口設計
?? USB接口芯片采用了ISP1581。ISP1581是Phil-lps 公司提 不應求的高速USB接口芯片，符合USB2．0規范。它的內部集成了數據收發器、串行接口引擎(SIE)、并行接口引擎(PIE)、FIFO存儲器(8 KB)、存儲管理單元(MMU)、微控制器接口和DMA(直接內存訪問)管理器。外部電路接口簡單，因ISP1581內部不帶有微控制器，需外接。本文的微控制器采用AT89C52單片機。USB硬件模塊主要包括ISP1581，AT89C52，總體框架結構如圖5所示。

??? ISP1581通過16位數據總線與FPGA相連，AT89C52負責控制數據的DMA傳輸。ISP1581與微控制器的通信通過一個高速(15 MB／s或15 Mword／s)的通用并行接口AD[7:O]實現，并具有高速DMA接口。
2．4．1 USB接收數據模塊實現
??? 本文采用的USB器件是帶有DMA控制器的ISP1581，為了簡化電路，采用ISP1581的DMA主控制器方式。如圖6所示，當FPGA的FIFO滿標志為1時，單片機給ISP1581發送請求有效信號、寫信號和寫周期信號，給FIFO發送讀請求信號和讀周期信號，當讀出的數據達到預定的數目時，單片機把ISP1581請求信號設置為無效，等待下一組存儲數據。

2．4．2 讀數據和并／串轉換
??? 單片機把接收的控制信號通過DMA傳輸通道把數據傳到FIFO中，其DMA傳輸過程和圖6相似，只要把DIOW改成DIOR，把rdreq改成wreq就可以了，然后通過FPGA的內部邏輯取出16位并行數據進行并／串轉換。

3 系統軟件設計
3．1 USB固件(Firmware)程序開發
??? 固件其實就是單片機的程序文件，主要完成設備初始化、USB協議標準請求處理以及其他應用程序。一般來說，固件程序的軟件結構可設計為基于中斷的分層結構，如圖7所示。

??? 在固件程序中，后臺的中斷服務例程(ISR)負責從ISP1581收集數據，當ISR收集到了足夠的數據時，通知前臺主程序循環數據已經準備好，由主程序循環進行數據的處理。以的批量傳輸端點為例，當從主機收到一個數據包，就會向為控制器產生一個中斷請求，微控制器立即響應中斷。在中斷服務例程中，固件程序將數據包從內部數據緩沖區轉移到循環數據緩沖區，然后將數據緩沖區清零以使該端點可以接收新的數據包，這時微控制器可以繼續執行當前更為緊急或者還未處理完的任務，例如讀取采集數據，然后返回到主循環中檢查循環緩沖區是否有新的數據，并進行處理。
3．2 USB設備驅動程序開發
?? 驅動程序的基本功能是建立應用程序與USB接口之間的數據通訊。本設計采用Driver Works開發USB驅動程序。應用程序可以利用Win32API直接調用驅動程序。讀操作是從應用程序調用Win32API函數的ReadFile開始的。當應用程序調用ReadFile函數時，系統通過ntdll.dll調用ntreadfile向設備驅動程序發送一個IRP，驅動程序接收到該IRP后，開辟用以接收數據的內存區，判斷所讀數據是否大于端點的最大信息包規格(Maxsize)，如果所讀數據大于端點的最大信息包規格，則此次只能讀取Maxsize個字節，這樣就會造成數據丟失。因此，固件程序應避免發送大于端點Maxs- ize的信息包，然后建立相應端點的URB并向下層驅動提交該URB，此時I／O管理器執行Read，把設備傳來的數據放到緩沖區內。具體過程如圖8所示。

4 結 語
??? 本文對TM-BUS技術在四代機中的應用進行了分析，運用VHDL語言、FPGA、USB等技術，設計了TM-BUS接口板。在對TM-BUS控制協議分析的基礎上，基于FPGA技術實現了TM總線協議，利用USB芯片ISP158l實現接口電路與上位機的連接，實現與PC機的數據通信，同時編寫了USB設備端的固件程序和PC機端的USB的設備驅動程序。通過試驗得出結論：

??? (1)TM總線技術為綜合航空電子系統可測試性的發展提供了必要的技術途徑；
??? (2)基于FPGA技術實現的TM-BUS協議芯片，可有效實現總線各項控制功能。
??? 對于一個復雜系統的設計，初始階段可能會存在功能上的不足，這些會逐步得到改正，因而本設計有提高和升級的空間。