測(cè)試設(shè)備研究中的HB6096板卡開(kāi)發(fā)

錢菁華

摘 要 隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)載系統(tǒng)的可靠性、保障性、測(cè)試性也提出了更高的要求。本文重點(diǎn)闡述了基于測(cè)試總線技術(shù)的HB6096板卡的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使其滿足某型飛機(jī)無(wú)線電系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)需要的試驗(yàn)環(huán)境。為今后無(wú)線電系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備平臺(tái)的建設(shè)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞 HB6096板卡；測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0017-02

在某型飛機(jī)無(wú)線電系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的研制中，主要涉及了三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是HB6096板卡開(kāi)發(fā)、航電系統(tǒng)仿真器設(shè)計(jì)和無(wú)線電設(shè)備的仿真器設(shè)計(jì)。本文主要研究HB6096板卡開(kāi)發(fā)。

1 HB6096板卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

HB6096板卡的功能是多通道產(chǎn)生和接收HB6096數(shù)據(jù)。即將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HB6096的波形發(fā)送給其他設(shè)備或系統(tǒng)，或?qū)⒔邮盏降钠渌O(shè)備或系統(tǒng)的HB6096的波形轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)。

1.1 HB6096板卡軟硬件設(shè)計(jì)要求

本文基于測(cè)試總線技術(shù)的HB6096板卡的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，對(duì)下行的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行總線仿真，以期達(dá)到模擬設(shè)備數(shù)據(jù)通信的目的。

按我公司的要求，需要一塊基于PCI接口的多路HB6096板卡，具體設(shè)計(jì)要求為：

1）標(biāo)準(zhǔn)PCI接口，33MHz/32bits。

2）最大20個(gè)接收和20個(gè)發(fā)送HB6096通道（通道數(shù)由用戶選擇配置）。

3）支持HB6096通訊協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率，如100kbps、12.5kbps。

4）要求在PC機(jī)的測(cè)試環(huán)境中，能將HB6096數(shù)據(jù)發(fā)送到20路發(fā)送通道的任意一個(gè)通道，或者能將20路接收通道接收的數(shù)據(jù)送到PC機(jī)內(nèi)存作后續(xù)處理使用。

1.2 HB6096板卡硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，板卡硬件包括與PC機(jī)接口的PCI接口電路，大規(guī)模FPGA（可編程邏輯器件）構(gòu)成的邏輯電路，以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）構(gòu)成的控制處理器，以及20路HB6096收/發(fā)外圍驅(qū)動(dòng)電路。硬件框圖如圖1所示。

圖1 HB6096板卡硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 PCI接口電路

PCI接口電路負(fù)責(zé)PCI數(shù)據(jù)總線與本地?cái)?shù)據(jù)總線之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和信息傳輸。實(shí)現(xiàn)PCI接口的方案可以使用可編程邏輯器件，也可以使用專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口比較靈活，但是難度較大，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。這里選擇采用專用接口器件設(shè)計(jì)，專用接口器件功能全而且強(qiáng)大，可以很好實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)范所要求的所有硬件接口信號(hào)和配置空間寄存器，能夠減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，大大縮減工作量。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求PCI接口電路選用了美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的PCI總線通用接口芯片PCI9054，使用該專用芯片橋接PCI總線和本地總線，可以不用考慮復(fù)雜的PCI總線規(guī)范，只需要開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的硬件和驅(qū)動(dòng)程序。

1.2.2 FPGA邏輯電路

傳統(tǒng)的HB6096總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)大都采用專用芯片的解決方案，但隨著航電技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)HB6096總線提出了越來(lái)越高的要求，由于舊的方案集成度小、成本高、性能低、可靠性差等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，所以已經(jīng)不能滿足新型航電系統(tǒng)的需求。

1.3 HB6096板卡軟件設(shè)計(jì)

HB6096板卡有關(guān)信號(hào)時(shí)序的產(chǎn)生和收發(fā)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)變均在FPGA中通過(guò)硬件邏輯完成，軟件的設(shè)計(jì)工作主要是進(jìn)行有關(guān)硬件狀態(tài)的初始化和控制。下面將以一個(gè)收發(fā)通道的操作為例，詳細(xì)說(shuō)明板卡的編程流程。

1.3.1 系統(tǒng)復(fù)位

復(fù)位整個(gè)發(fā)送和接收系統(tǒng)，使其時(shí)序統(tǒng)一到初始狀態(tài)，進(jìn)行的操作主要為復(fù)位寄存器BIT0位寫(xiě)1，進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，寫(xiě)0復(fù)位停止。

1.3.2 總線模塊初始化

下面以接收通道0（RX0）和發(fā)送通道0（TX0）為例，分別介紹它們的初始化操作。

1）接收通道（RX0）初始化。

初始化接收通道的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，執(zhí)行的過(guò)程先將由主機(jī)控制的接收讀指針寄存器清零。然后設(shè)置接收配置寄存器：主要是設(shè)置接收波特率，測(cè)試環(huán)繞等。

2）發(fā)送通道（TX0）初始化。

初始化發(fā)送通道的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，先將由主機(jī)控制的發(fā)送寫(xiě)指針寄存器清零。

然后設(shè)置發(fā)送配置寄存器：主要是設(shè)置發(fā)送波特率，是否奇偶校驗(yàn)等，具體可以看發(fā)送配置寄存器的說(shuō)明。

3）在RX0和TX0初始化完成后，打開(kāi)通道數(shù)據(jù)區(qū)的使能，即復(fù)位寄存器的BIT1位置1。

1.3.3 啟動(dòng)模塊的收發(fā)

在各收發(fā)通道初始化完成后，就可以啟動(dòng)總線模塊的收發(fā)。具體做法是將復(fù)位寄存器的BIT2位置1。

1.3.4 收發(fā)HB6096數(shù)據(jù)

以中斷為例，說(shuō)明總線模塊的接收過(guò)程。當(dāng)模塊收到數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出中斷信號(hào)給主機(jī)，主機(jī)在收到中斷信號(hào)后，查詢中斷向量表，確定哪個(gè)通道收到數(shù)據(jù)。確定接收通道后，讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)該通道數(shù)據(jù)讀空時(shí)，該中斷向量自動(dòng)清零。接收通道數(shù)據(jù)讀空的條件是接收讀指針寄存器和寫(xiě)指針寄存器的模值相等?？梢酝ㄟ^(guò)接收狀態(tài)寄存器查詢。

總線模塊的發(fā)送過(guò)程，先將發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入該通道的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后設(shè)置發(fā)送寫(xiě)指針寄存器的偏移值。接下來(lái)CPU對(duì)雙口某一固定地址作寫(xiě)操作，總線模塊會(huì)將數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)滿的條件是發(fā)送讀指針寄存器的偏移值比寫(xiě)指針寄存器偏移值在環(huán)行存儲(chǔ)器前一個(gè)地址，該狀態(tài)可以發(fā)送狀態(tài)寄存器查詢。

1.3.5 結(jié)束退出

結(jié)束退出前，先關(guān)閉各通道中斷使能位，然后停止收發(fā)模塊，具體做法是將復(fù)位寄存器的BIT2位置0，最后退出程序。

1.4 HB6096板卡設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在PC機(jī)上對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行發(fā)送測(cè)試，在FPGA中利用ChipScope對(duì)發(fā)送通道觀察波形，波形如圖2所示。

圖2 多個(gè)發(fā)送通道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)波形圖

圖2中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，CS為片選信號(hào)，SA1～SA6為各個(gè)發(fā)送通道。當(dāng)主機(jī)對(duì)該地址選通后，PC機(jī)向各個(gè)通道分別寫(xiě)入數(shù)據(jù)，HB6096板卡啟動(dòng)了數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程，分別控制S1-S6各個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換工作，從每個(gè)通道的總線輸出管腳上能觀察到輸出的HB6096數(shù)據(jù)波形。利用XILINX提供的邏輯分析軟件ChipScope還能觀察到控制內(nèi)核對(duì)緩存指針的控制，時(shí)鐘切換以及奇偶校驗(yàn)變化時(shí)輸出波形發(fā)生的相應(yīng)變化。

同樣對(duì)接收通道進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)多路總線同時(shí)接收到HB6096數(shù)據(jù)時(shí)，HB6096板卡啟動(dòng)了數(shù)據(jù)接收過(guò)程，分別控制各個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換工作，最后各路的數(shù)據(jù)能存入PC機(jī)事先劃好的內(nèi)存中，供進(jìn)一步處理使用。

為驗(yàn)證HB6096板卡的抗干擾能力，通過(guò)Conder公司的ARINC429數(shù)據(jù)測(cè)試卡，產(chǎn)生了波特率偏差10%的測(cè)試信號(hào)，送到HB6096板卡的任何一個(gè)接收端口，進(jìn)行不間斷的長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送、接收測(cè)試和數(shù)據(jù)比較，通過(guò)測(cè)試，表明該卡在信號(hào)波特率偏差達(dá)到了15%的情況下，還能可靠的接收。

此外，考慮實(shí)際飛機(jī)上HB6096電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，并且在電纜捆扎中還相鄰有其他輻射較強(qiáng)的信號(hào)，因此，為模擬真實(shí)情況，試驗(yàn)中還采用了脈沖干擾信號(hào)疊加在HB6096信號(hào)線上測(cè)試該卡的抗干擾能力。

2 結(jié)論

本文所研究HB6096板卡的開(kāi)發(fā)和是某型機(jī)機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。HB6096板卡的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的研制提供了基礎(chǔ)保障。該設(shè)備在運(yùn)行中，具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性，構(gòu)建了具有遠(yuǎn)程通訊能力的飛機(jī)內(nèi)部設(shè)備的連接、分析、研究、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試和故障診斷的通用平臺(tái)。

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