【導讀】基于可編程門陣列FPGA的核心技術實現航空電子系統的設計，提高了集成度，降低功耗，減小體積，提高平均間隔時間，降低設計風險，MIL-STD-1553 的市場隨著這項技術的實現也變得繁榮起來。MIL-STD-1553 核心的種種優勢，使 ASIC 傳統徹底退出歷史舞臺。FPGA 核心技術如同強心劑，賦予系統不同的特性，給 MIL-STD-1553 的設計帶來了諸多優勢。
一、系統設計面臨的問題
由于競爭的壓力和對最佳戰斗性能無止境的追求,軍用航空電子從簡單、獨立的設備發展到如今以每秒百萬位乃至更快的速度交換信息的高級智能系統網絡。這也帶來了必須克服的許多設計問題。
在要求高性能的軍用設計中,每項設計都要減少空間、功耗和重量,滿足這些要求至關重要。這項要求直接作用于芯片級別,單一芯片體積減小后對所需板卡的要 求也會降低,從而降低了對封裝外殼、固定元件、冷卻器件甚至是電源的要求。同樣,每多增加一個組件,都會增加一些引發故障的機會。減少芯片數量的設計必然 有助于緩解這些問題。
廢棄則是像 MIL-STD-1553 設計實施這類長期項目所面臨的另一個問題。每個組件無論其是由世界最大的制造商提供,還是來自于產量較小的專業供應商,都存在著廢棄的風險。單一來源的組 件不但面臨著被廢棄的風險,還有個長期價格保護的問題,特別是那些從原有項目繼承的設計,這個問題更為明顯。對于已經部署的系統,由于所涉及的代價過高, 應盡量避免由于廢棄組件而重新對系統進行驗證。
當系統架構師指定一種系統設計時,必然會存在架構無法正確實現的某種風險。一個非常典型的問題是：經常在設計過程中或架構確定很久之后(如在集成階段),才知道需求有所變化。這些變化一般都會增加對架構的要求,并提出一些關于設計的常見問題,如：設計足夠靈活嗎?能提供充分的處理能力嗎?功能在硬件和軟件之間是否得以有效且高效地進行了區分?能達到關鍵時間要求嗎?
理想狀況下,所選定的架構應功能強大、應用靈活,足以在初始部署階段就將風險降到最低,并且提供了一個允許系統隨著時間發展的平臺。
理想條件下,一個 MIL-STD-1553 設計師可以采用傳統的技術,使用有多個來源的 COTS 組件來解決這些問題。這種由大量市場提供的組件在性價比上有明顯的優勢。
二、MIL-STD-1553 簡介
MIL-STD-1553 是一種定義數據總線的電子和協議特點的軍用標準。作為一種在軍用和商用領域廣泛應用超過 25 年之久的總線,并且符合 MIL-STD-1553 標準,它能以1Mbit/s的速率高度精確、極為可靠地傳輸數據。
圖1： MIL-STD-1553 總線結構
根據 MIL-STD-1553 標準的規定,總線結構由三個不同的硬件組成：
（1）總線控制器——總線控制器是總線上唯一允許在數據總線上發出命令,并負責引導數據總線中數據流的硬件設備。如果同時有幾個終端可以實現總線控制器的功能,同一時間內只能有一個處于活動狀態。
（2）總線監視器——總線監視器是一個可以監控總線上信息交換的終端。它可以用于飛行測試記錄、飛行故障診斷、維護記錄與任務分析,同 時還可作為一個備用總線控制器,它有足夠的信息可以接替總線控制器。然而,總線監視器是一個被動的設備,它不能報告所傳輸信息的狀態。
（3）遠程終端——每個遠程終端都包括在數據總線和子系統間傳輸數據所必須的電子器件和支持性中間件。對于 MIL-STD-1553,子系統就是所傳輸數據的發送者和接收者。這些終端不能作為總線控制器或總線監視器使用。
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三、MIL-STD-1553 系統實施
像其它軍用網絡技術一樣,航空電子市場中的 MIL-STD-1553 測試和仿真實施也經歷了從龐大的 DEC Unibus 卡到 19 英寸的通過機架安裝的組件,又發展到用于 VME 和 PCI 系統上的較小、較為集成的多通道背板,現在又出現了更小、集成度更高的 PCMCIA 接口。圖 2 描述了專用的 MIL-STD-1553 ASIC 芯片制造商的實施從離散的協議和收發器芯片組精簡到單一的體積小、功耗低的 ASIC 的發展過程。
圖2：ASIC發展過程
過去,典型的 MIL-STD-1553 系統一般都由多個COTS組件構成,MIL-STD-1553 I/O通常由單一來源的帶有內部處理功能的 ASIC 提供,這種內部處理可提供消息處理與緩沖以及對 MIL-STD-1553 比特流進行編解碼等。ASIC 中可能含有也可能沒有向 MIL-STD-1553 總線提供物理接口的收發器組件。每個 ASIC 為一個雙冗余 MIL-STD-1553 通道提供此功能,所以支持多個 MIL-STD-1553 通道的系統就需要多個 ASIC 和收發器。與每個 MIL-STD-1553 總線的連接是通過板載變壓器實現的。最后,由一個或幾個可編程的 FPGA 設備將 MIL-STD-1553 ASIC 連接到主系統,并提供更多的系統功能,如其它 I/O、存儲器訪問 和處理器接口等。
FPGA 有多種密度,通常以邏輯單元或門來度量。它們有多種形式架構,提供了豐富的 I/O 引腳可供使用。FPGA 還可提供內部存貯器。例如,當前由Xilinx 推出的一流的 FPGA 存貯容量比三年前約增加了 10 倍。而且還提高了內部速度,降低了成本。現代 FPGA 海量的存貯和功能使其成為 MIL-STD-1553 設計最理想的選擇。其核心為預先定義的、且經過測試的功能,這些功能可以應用到 FPGA 設計中。
促使工程師們為 MIL-STD-1553 實施選擇 IP 設計的原因有很多,其中包括：
廢棄部件管理——利用 IP 核心可以顯著地降低廢棄的風險。設計師不會束縛于某一個特定的部件、甚至是 FPGA 制造商。這與隨時可能會被放棄的單一來源的專用 MIL-STD-1553 協議 ASIC和處理器(及其制造方法)形成了鮮明的對比。對電路實施 FPGA后,設計可移植到最新的 FPGA 中,一般都無須改變其功能,減少了對軟件的修改(通常是項目中成本最大的部分)。
減小體積、提高可靠性、降低功耗和重量——將多種功能,包括處理器、I/O、MIL-STD-1553 和背板電路綜合到單一的IC中,可顯著地減少部件數量、板卡空間和熱負荷。這樣就增加了可靠性,進而提高了 MTBF。減少部件數量可以降低飛行設備系統對重量、空間及功耗的需求。如圖3所示,設計人員可以將多種功能綜合到單一的邏輯設備中,減少了部件的數量和體積。
圖3：邏輯設備
降低成本——由于實施了 FPGA 核心,生產和生命周期的成本會隨著時間而下降。FPGA 價格歷來是隨著項目的進行而顯著地下滑,而 ASIC 在長期的生產過程中價格卻會上漲。很多航空電子系統已經在其設計中采用了 FPGA,一個 MIL-STD-1553 核心實例可以輕松地融入現有的芯片或同系列的其他更密集的芯片中。單一 FPGA 中集中了多通道實例可進一步節省成本,只因為單一 FPGA 內可以容納多個通道接口。
便于重新編程——由 于支持對現場硬件的重新編程,核心的實施顯著降低了設計風險。如果系統需求發生變化,或者要修復一個錯誤時,基于 FPGA 的設計可以在軟件的控制下進行升級。這種靈活性還可以在硬件構造完成后,在硬件和軟件間重新區分功能。例如,如果在集成階段發現軟件不能有效地響應一個實 時事件,可以將該功能下移到 FPGA 級別,這樣就將原由軟件實現的功能轉化為硬件功能。
適應多種機體— —靈活、可重新編程的解決方案適于為多種機體構架或針對多用途基礎設計的飛航測試線上可更換件 (LRU)。由于 USAF和 NATO 的多種機體采用從 MIL-STD-1553B 標準分離出來的協議,所以多種機體的 LRU 需要靈活、可編程的設計。某些設計實施了通過特殊的子地址或模式代碼協議進行尋址擴展的數據集。很多固定翼和可旋轉翼飛機同時采用了較老的 MIL-STD-1553A 和 MIL-STD-1553B LRU,這就要求總線控制器和總線監視器能夠處理不同的協議。
四、對MIL-STD-1553 系統設計采用基于核心的實施
現代 FPGA 的強大功能使其成為 MIL-STD-1553 設計的理想選擇,這就是 Condor Engineering 推出 FlightCORE 的原因。FlightCORE 是一種允許設計人員在各種 Altera 和 Xilinx 的 FPGA中輕松實現無版權的實例化設計的 MIL-STD-1553 IP。多數情況下,利用Xilinx 綜合技術 (XST) 或 Altera Quartus II 集成綜合技術 (QIS),FlightCORE 1553 可以在兩天內成功地集成。如圖 4 所示,用戶只須將 Condor Engineering 的 IP 核心與其自身邏輯和 Condor Engineering 的個別化模塊 (3mm x 3mm) 集成,即可實現高性能的 MIL-STD-1553設計。FlightCORE 還允許開發人員選擇存儲器的大小以恰好地與其系統需求相匹配。圖4還顯示了可以實施內部存貯和/或外部雙端口隨機存貯器。該產品還提供了 Manchester II編碼與解碼、信息協議驗證與合法化及為接口控制和編程實施簡單的共享存貯架構等所有的必要組件。只需增加外部收發器即可,如標準的COTS MIL-STD-1553或RS-485收發器。
單一芯片上集中多個實例，類似 Condor Engineering 的FlightCORE 這樣的 MIL-STD-1553 解決方案需要少量的FPGA資源,約為 3,000個邏輯單元,148k bit的內存和不到 20個引腳(不包括外部主存總線)。較小的體積使在單一芯片上放置多個相互獨立的實例成為可能,如圖3 所示,某些程序可以在單一FPGA上集中8到10個實例。
