基于USB接口1553B總線設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　MIL-STD-1553B軍用總線標(biāo)準(zhǔn)，在軍事裝備，特別是飛機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，艦載系統(tǒng)中也正在逐步推廣。對(duì)于1553B總線傳輸信息的飛機(jī)系統(tǒng)，特別是由該總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的綜合航火控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)時(shí)實(shí)監(jiān)測(cè)與在線故障診斷均建立在信息錄取的前提下。為了方便錄取1553B總線上傳輸?shù)男畔⒕托枰獞?yīng)用1553B總線到計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口轉(zhuǎn)換器，目前常用轉(zhuǎn)換器有1553B-PCI、1553B-VXI等，但在工程實(shí)踐過(guò)程中，它們存在體積大、價(jià)格高、使用不方便等缺陷。相比而言，USB接口具有體積小、攜帶方便、熱插拔等特征，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

　　本文介紹的1553B設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)就是基于USB接口的。設(shè)計(jì)包含兩大部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)1553B接口到USB接口的轉(zhuǎn)換;軟件設(shè)計(jì)主要是USB芯片固件開(kāi)發(fā)、USB接口驅(qū)動(dòng)、開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)測(cè)試1553B設(shè)備軟件。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作主要集中在1553B與USB總線接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)分成三部分：1553B接口轉(zhuǎn)換電路、FPGA譯碼電路和USB接口電路。

　　2.1 1553B接口轉(zhuǎn)換電路

　　目前，1553B接口芯片種類繁多，根據(jù)工程應(yīng)用場(chǎng)合和實(shí)際需要，我們選用DDC公司BU-61580芯片。BU-61580芯片除了具有遠(yuǎn)程終端(RT)功能外，還可以用作總線控制器(BC)、總線監(jiān)控器(MT)。其內(nèi)部功能極強(qiáng)，接口靈活、便于控制，有各種封裝形式和供電電壓供用戶選擇。

　　2.2 FPGA譯碼電路

　　FPGA作為現(xiàn)場(chǎng)可編程器件越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中。利用FPGA對(duì)系統(tǒng)中信號(hào)進(jìn)行譯碼可避免由于開(kāi)始硬件電路設(shè)計(jì)考慮不周造成的硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，而且方便系統(tǒng)的以后的升級(jí)。本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA通過(guò)1553B接口芯片讀取1553B總線上的數(shù)據(jù)并暫存在FPGA內(nèi)部RAM中，然后通知USB接口芯片把數(shù)據(jù)讀出;同時(shí)，還要通過(guò)USB接口接收從PC下發(fā)的數(shù)據(jù)，重新打包，發(fā)送到1553B設(shè)備。

　　2.3 USB接口電路

　　USB接口控制芯片包含兩大類：一類是需要外置控制器的芯片，還有一類為內(nèi)置控制器，如Cypress公司的CY7C64613芯片。本系統(tǒng)選用PHILIP公司的PDIUSBD12芯片，需外置控制器的芯片。

　　PDIUSBD12芯片是帶有并行總線和局部DMA傳輸能力的全速USB接口器件。片內(nèi)集成了高性能USB接口器件、SIE、FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器等，可與任何外部微控制器/微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口(2MB/s)，完全能匹配1553B總線最高傳輸速率(1MB/s)[1]。USB 實(shí)現(xiàn)模塊的核心是PIDUSB12。外置控制器AT89C52的P0口接PIDUSBD12的DATA0～DATA7，用來(lái)傳輸要交換的數(shù)據(jù)。P0 口所有引腳都要外接上拉電阻。PIDUSBD12的片選信號(hào)和復(fù)位信號(hào)由AT89C52的P1.6與P1.7提供。AT89C52 的P3.6與P3.7作為PIDUSBD12的寫(xiě)讀控制端，AT89C52和PIDUSBD12的ALE相連，PIDUSBD12的掛起狀態(tài)和中斷控制都接高電平。 PIDUSB12的D+和D-加上+5V電源和地就構(gòu)成了USB接口,從而能與計(jì)算機(jī)相連。

　　PDIUSBD12與USB的連接通過(guò)1.5K上拉電阻將D+置為高實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)狀態(tài)不與Vcc相連，可用SoftConnect技術(shù)通過(guò)AT89C52發(fā)送專門(mén)的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)該連接，允許AT89C52在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序，USB總線連接可以重新初始化而不需要撥出電纜[2]。隨后USB設(shè)備識(shí)別和通信就要依靠固件程序和驅(qū)動(dòng)程序了。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　1553B設(shè)備測(cè)試軟件首先要實(shí)現(xiàn)USB接口與PC之間的通信，然后，再對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能檢測(cè)。因此，需要對(duì)USB芯片進(jìn)行固件、PC驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試程序設(shè)計(jì)。

　　3.1 USB固件設(shè)計(jì)

　　AT89C52中的固化程序可采用C51 設(shè)計(jì)，主要功能是：控制PDIUSBDl2接受USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求;控制PDIUSBDl2接受應(yīng)用程序的控制指令;通過(guò)PDIUSBDl2存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳PC機(jī)。PDIUSBDl2的固件設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng)，當(dāng)CPU處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)USB的傳輸可在后臺(tái)進(jìn)行，確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了編程和調(diào)試。單片機(jī)通過(guò)PDIUSBDl2與主機(jī)通信的過(guò)程簡(jiǎn)述如下:：當(dāng)PDIUSBDl2接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的令牌包后就給單片機(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。它將數(shù)據(jù)從PDIUSBD12的內(nèi)部FIFO取回到CPU存儲(chǔ)器并根據(jù)中斷寄存器判斷USB令牌包的類型從而建立正確的事件標(biāo)志以通知主循環(huán)程序進(jìn)行處理，主循環(huán)檢查事件標(biāo)志并進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子程序進(jìn)行進(jìn)一步的處理，固件程序流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，先檢測(cè)PDIUSBD12，如檢測(cè)不成功則報(bào)錯(cuò)，要使用者重插USB接口，再次檢測(cè)。檢測(cè)成功則根據(jù)PDIUSBD12的中斷類型設(shè)定中斷標(biāo)志位的值，再根據(jù)中斷位的值調(diào)用相應(yīng)的功能子程序[3]。

　　在本設(shè)計(jì)中，功能子程序主要包括兩部分：

　　1)通過(guò)AT89C52的P0端口從FPGA接收1553B設(shè)備數(shù)據(jù)，重新打包，再經(jīng)過(guò)P0端口寫(xiě)入PC機(jī);

　　2) 通過(guò)P0端口接收PC數(shù)據(jù)，重新打包，通過(guò)AT89C52的P0端口從FPGA寫(xiě)入1553B設(shè)備。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)程序

　　完成驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的方法一般有三種：基于DDK開(kāi)發(fā)、基于Windrive開(kāi)發(fā)和基于DriveStudio開(kāi)發(fā)。由于Windrive和DriveStudio開(kāi)發(fā)對(duì)DDK中的函數(shù)進(jìn)行了一定程度的封裝，它們開(kāi)發(fā)的難度比直接用DDK開(kāi)發(fā)要小，但開(kāi)發(fā)的靈活性不如DDK。本設(shè)計(jì)使用的驅(qū)動(dòng)是DriveStudio與DDK配合進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的效率較高。

　　在驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建成功后，我們利用驅(qū)動(dòng)程序生成向?qū)river Wizard，根據(jù)硬件設(shè)置生成USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的大體框架。設(shè)置如下：①選擇 WDM的驅(qū)動(dòng)程序類型和Windows 2000運(yùn)行平臺(tái)。②選擇 USB總線類型，填寫(xiě)它的VID(供應(yīng)商ID)和PID(設(shè)備ID)，這些信息由芯片的供應(yīng)商提供。③增加端點(diǎn) 1和端點(diǎn)2，它們分別具有IN 和OUT屬性。④根據(jù)需要選擇對(duì)設(shè)備的操作有：Read、Write、Device Control和CleanUp。⑤選擇給端點(diǎn)2產(chǎn)生 BULK Read和Write的代碼, 向?qū)?huì)自動(dòng)產(chǎn)生一套對(duì)端點(diǎn)2進(jìn)行讀、寫(xiě)的代碼。⑥設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的屬性，采用WDM接口;在選取讀寫(xiě)方式時(shí)應(yīng)遵循一條原則：需要快速傳送大量數(shù)據(jù)時(shí)，用 Direct I/O，反之用 Buffer I/O，本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量不大，故選用Buffer I/O;由于無(wú)特殊的電源需求，故選用系統(tǒng)默認(rèn)的Manage Power For This Device。⑦增加IOCTL接口，在其生成的代碼框架中加入自己的操作，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。最后就生成了一個(gè) WDM 型的 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架和一個(gè)測(cè)試該驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試程序大體框架。然后在其中添加需要的功能代碼。

　　通過(guò)DriveStudio初步建立一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序框架后，我們只要修改TESTFIRMDevice.h和TESTFIRMDevice.cpp就可以了，修改完畢后，可以發(fā)現(xiàn)使用DriveStudio向?qū)傻腢SB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不僅不需要對(duì)底層的硬件進(jìn)行編程，甚至可以忽略與硬件控制緊密相關(guān)的復(fù)雜的Windows數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如，URB、IPR)、API函數(shù)(DriveEntry()、IoCreateDevice()、AddDevice())的使用。

　　用DriveWizard創(chuàng)建USB框架程序自動(dòng)生成的兩個(gè)工程(Project)文件：TESTFIRM驅(qū)動(dòng)程序工程和Test_TESTFIRM應(yīng)用程序工程，將光標(biāo)定位在其中一個(gè)工程上之后，單擊右鍵，選擇“set as Acnve Pmiect”即可設(shè)置該工程為當(dāng)前活動(dòng)工程。對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序編譯，不用進(jìn)行任何設(shè)置，單擊Build圖標(biāo)即可生成USB驅(qū)動(dòng)程序TESTFIRM.sys文件。

　　3.3 通信程序

　　因?yàn)镈riveStudio已經(jīng)替我們把核心驅(qū)動(dòng)程序基本開(kāi)發(fā)完了，在本設(shè)計(jì)中，只要掌握WriteFile和ReadFile兩個(gè)函數(shù)的使用就可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的USB通信了。由于DriveStudio所用的類庫(kù)是對(duì)DDK函數(shù)一定程度的封裝，必須在 VB、VC++等軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯，創(chuàng)建自己的庫(kù)文件，所以很容易為程序增加了圖形界面，使用戶操作更加方便。

　　當(dāng)USB設(shè)備與PC通信時(shí)，USB設(shè)備是從設(shè)備，PC是主設(shè)備。PC機(jī)通過(guò)檢測(cè)USB總線數(shù)據(jù)端電平判斷是否接入或拔出USB設(shè)備。PC檢測(cè)到USB設(shè)備后，調(diào)用USB設(shè)備函數(shù)。如果設(shè)備被正確打開(kāi)，軟件開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)USB設(shè)備線程，以20ms周期輪詢USB接收數(shù)據(jù)接口。一旦接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就被分析并且回顯到界面上，直到線程被中斷。

　　4 結(jié)論

　　1553B總線是當(dāng)前飛機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的總線類型，將它與USB總線融合起來(lái)具十分重要的實(shí)際意義。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用DriveStudio與DDK配合進(jìn)行開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序，大大提高了開(kāi)發(fā)的效率。本設(shè)計(jì)在實(shí)際設(shè)備測(cè)試中，板卡可以穩(wěn)定工作，測(cè)試軟件工作正常，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用PDIUSBDl2外置CPU控制數(shù)據(jù)的讀入和寫(xiě)出，開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序，結(jié)合FPGA完成系統(tǒng)時(shí)序控制，是對(duì)1553B-USB轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)一種有益的探索。