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关键词：1553B总线；多路传输总线接口；总线控制器；远程终端；总线监控器
中图分类号：TN929文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2009)05-057-03
ACE-MBI Design Meet to Avionics Communication System Requirement
XIE Chong1,WANG Qifeng2,DANG Chunbo3
(1.PLA Military Representative Office in 631 Institute,Xi′an,710068,China;2.Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi′an,710068,China;
3.PLA Military Representative Office in Xi′an Aircraft Industry Company,Xi′an,710089,China)
Abstract：Multi-channel Transmission Bus Communication Interface (MBI) is the foundation of avionics system.Any subsystem of avionics system entered 1553B communication system must by MBI the most critical device of MBI is 1553 B protocol chip.In this paper,the composition and functions of the advanced 1553B protocol chip BU-61586 and the new MBI design plan with this chip which compatible with the UT-MBI used in the models task are introduced.This solution has changed the situation that rely on foreign components too much.It has been extensively used recently.
Keywords：1553B bus;multiplex transmission bus interface;bus controller;remote terminal;bus monitor
0 引 言
航空电子系统是航空电子物理设备通过1553B双余度总线综合成一个分布式通信系统。现代航空电子系统中，各个独立的航空电子分系统都是由计算机来完成数据的采集、计算、处理和通信的。总线通信是各分系统之间交换信息、协调一致、实现容错的基础，每一分系统都必须具有1553B多路传输总线通信接口(MBI)才能完成分布式通信任务，可见MBI在航空电子系统中的重要作用。为保证任务需求，扩大芯片来源，在国内尚不具备1553B协议芯片生产能力的情况下，为保证MBI的生产，及时提供给各分系统，最有效的途径之一就是采用多种1553B协议芯片，设计出与UT-MBI具有兼容性的MBI模块。美国DDC公司上世纪90年代推出了ACE(Advance Communication Engine)系列总线通信接口芯片BU-65170，BU-61580，BU-61590和BU-65620等，其中BU-61586芯片从供货渠道、芯片质量上有所保证，可以作为新MBI(ACE-MBI)设计采用的芯片。
1 高集成度ACE芯片BU-61586
1.1 功能概述
BU-61586具有BC/RT/MT三种功能，具有灵活的处理器/存储器接口，12 KB内部RAM,可扩展访问64K×16 b的外部RAM,内部集成了双通道收发器。通过软件编程可任意选择BC,RT或MT功能。除了能完全实现MIL-STD-1553B标准所规定的消息传输外，还具有较强的消息管理功能。在BC方式下，具有自动重试、可编程的消息间隔、消息帧自动重复执行和可编程的响应超时时间。在RT方式下，具有可编程设置命令非法，具有单缓冲、双缓冲和循环缓冲三种缓冲方式下，可编程设置命令非法，可对不同的子地址设置忙位。在MT方式下，可监视字，消息和RT。
1.2 ACE芯片系统结构
ACE作为主机和1553B总线之间的接口芯片，提供了处理器的接口和与1553B总线的接口。该芯片作为高级的通信接口芯片，具有双通道收发器协议处理部件、存储器管理部件、处理器接口逻辑、12 KB的可选存储部件等。ACE与双余度1553B总线连接时非常简单，采用变压器耦合方式时只须直接与变压器相接即可与1553B接口，其结构如图1所示。
2 与UT-MBI兼容的ACE-MBI设计
2.1 ACE-MBI硬件设计
按照航电系统五层通信协议(即物理层、数据链路层、传输层、驱动层、应用层)规定和设计要求，ACE-MBI对UT-MBI在驱动层和应用层上具有兼容性，而物理层和数据链路层由1553B协议芯片硬件实现，因此ACE-MBI与UT-MBI的主要区别在传输层。
ACE-MBI和UT-MBI具有基本相同的结构框图，其结构框图如图2所示。
MBI硬件按其功能特性可划分为三部分：前端区、可编程控制器、后端区。
2.2 前端区
前端区是MBI与1553B总线介质的接口区，由1553B协议处理器和隔离变压器组成，主要完成数据的串/并、并/串格式转换及发送和接收工作，同时对接收数据进行最基本的错误检测和处理。
2.3 后端区
后端区为MBI与主机之间的接口区。其主体为8 KB的双口存储器(左口)和I/O口，它是MBI传输软件与主机应用软件进行数据交换和MBI中断处理的媒介体。双口存储器空间按用途可分为数据区和控制区。
后端区由数据和地址缓冲器、GAL芯片和FPGA实现，包括以下三部分：
(1) 双口存储器地址译码电路；
(2) 中断生成电路；
(3) I/O访问、软复位产生电路。
ACE-MBI与UT-MBI在后端区设计相同。
2.4 可编程控制器
可编程控制器包括以下组件：
(1) 微处理器；
(2) 8 KB RAM,8 KB EPROM；
(3) 可编程时钟(RTC,DT)；
(4) 双口存储器(右口)；
(5) RS 232接口。
可编程控制器主要承担传输层任务，是传输软件的载体，是MBI各功能组件的控制管理中心，其任务是按照已定操作程序及来自主机的命令和数据对MBI实施控制。ACE-MBI和UT-MBI的区别硬件上就在可编程控制器的实现上。
UT-MBI的可编程控制器采用伪双口方式，微处理器通过UT1553B访问双口存储器，UT1553B通过DMA方式访问双口存储器。由于UT内部无RAM,其控制区和数据缓冲区均在双口存储器内。
在ACE-MBI可编程控制器设计中，根据ACE芯片的6种接口方式，有3种可行的接口方式可供选择，即16位透明方式、16位DMA方式和带有外部逻辑以减少微处理器访问双口存储器时间的16位DMA方式。采用三种接口方式的可编程控制器结构框图如图3~图5所示。
RAM时间的16位DAM方式
由于设计要求ACE-MBI在替换UT-MBI时，在驱动层、应用层是透明的，保证UT-MBI原双口格式划分不能改变，但是ACE芯片的控制方式、格式与UT1553B完全不同，那么ACE芯片的控制区只能放在其内部RAM中，这样双口存储器中控制区格式不需修改。
在以上三种接口方式下，ACE芯片数据缓冲区即可放在其内部RAM,也可放在双口RAM中。若将数据缓冲区放在芯片内部，传输软件将担负数据从内部缓冲区向双口的搬家工作，从而降低了工作效率。所以采用将ACE芯片数据缓冲区按UT数据缓冲区格式进行编排，放在双口存储器数据缓冲区内的方式，传输软件仅实现控制信息、总线表、通信表的格式转换和传递，这样就保证了双口存储器中数据缓冲区和控制区的格式不变，原UT-MBI的驱动软件、应用软件就可以直接在ACE-MBI上使用。
以上三种接口方式中，通过可编程控制器结构框图可以看出，16位透明方式需增加数据线、地址线隔离，增加了硬件设计难度和芯片使用数量，降低了MBI的可靠性，不宜采用。后两种16位DMA方式中，16位DMA方式硬件设计类似于UT-MBI的伪双口方式，但这种方式下访问双口存储器的时间较之于带有外部逻辑的16位DMA方式时间较长，带有外部逻辑的16位DMA方式只需增加部分组合逻辑，即可实现。通过减少微处理器访问双口存储器时间可提高传输软件效率，因此带有外部逻辑，以减少微处理器访问双口存储器时间的16位DMA方式应作为首选方案。
3 ACE-MBI通信软件
由于应用层与特定的子系统相关，数据链路层和物理层由硬件实现，所以ACE-MBI通信软件实现驱动层和传输层的功能。
3.1 通信软件结构
通信软件的层次结构及其关系如图6所示。
3.2 驱动软件
驱动软件是实现ACE-MBI上传输软件与主机应用软件间的软件接口，是实现通信控制与数据传输的专用软件。它可以提供各类总线消息数据的读写支持，实现对ACE-MBI内部程序的调用，对计时器的控制及处理。驱动软件的另一主要功能是对主机接收到的ACE-MBI的中断信号进行中断原因分析，并调用系统通信控制(SCC)或局部通信控制(LCC)中断服务程序。
驱动软件按其功能可分为MBI控制、系统控制、计时器控制、消息控制和MBI中断服务。驱动软件驻留于主机中。
ACE-MBI与UT-MBI驱动软件相同。
3.3 传输软件
传输软件控制航空电子系统多路传输数据总线上的数据传输，它在主机的控制下能够完成通信系统的传输层协议，实现故障检测与处理、双余度总线的管理与切换、实时时钟RTC的同步、控制信息、总线表、通信表的格式转换。传输软件包括通信表、总线表和控制程序几部分。
通信表主要用于定义出入BC或RT各类消息的物理名、逻辑名、终端子地址、消息功能及其总线属性等相关信息之间的对应关系。
总线表(BC专用)用于管理和组织执行位于总线通信过程中有效终端RT间的数据传输，包括优化总线指令表及一些相关信息。
控制程序是在MBI的正常操作过程中可由MBI内的微处理器独立执行的程序。
ACE-MBI的传输软件比UT-MBI的传输软件多一项任务，即进行控制信息、总线表、通信表
的格式转换和传递。
4 结 语
目前，按照要求设计的ACE-MBI已完成生产，并通过了航空电子系统测试平台的验收测试。验收结果证明，其完全可作为UT-MBI的替换产品。在新任务中，ACE-MBI得到了推广应用，替换方案的实现扩大了芯片来源，保障了产品生产任务的完成。
参考文献
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关键词：臂式斗轮堆取料机；PLC；现场总线
中图分类号：TF325.3文献标识码：A
前言
臂式斗轮堆取料机是在小型斗轮挖掘机的基础上发展起来的堆、取合一的轨道式散料专用装卸设备。它具有堆取能力大、料场占地面积小、操作方便等优点而被工业部门广泛使用[1]。它广泛应用于火力发电厂、轻工化工、散货港口等的储料厂。所以研究斗轮堆取料机的控制系统有着重要意义。
1初期的臂式斗轮堆取料机控制系统
80年代初期，PLC、变频器和软启停器等应用于斗轮机控制系统中，减少了继电器和控制电缆，在斗轮机取料的过程中，通过变频调速技术实现了斗轮取料机构取煤量在一定范围内的可调；实现了大车的平稳启动与制动，减小了启动与制动过程中对设备的冲击[2]。斗轮机的性能得到了提高。
2现场总线技术
根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、抗干扰能力强、通信速率快、维护成本低等特点[3]。
Profibus符合国际标准IEC61158，是世界上通用的现场总线标准之一，并以其独特的技术特点，严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，成为现场的最优解决方案[4]。
3应用了总线控制的的臂式斗轮堆取料机控制和通讯系统
设计以PLC为核心，采用先进的现场总线方式，将PLC、变频器、触摸屏、检测系统连接在一起，控制臂式斗轮堆取料机各机构的运行。本系统采用SIEMENS公司的Profibus-DP总线控制系统，所有的网络元件都要和CPU通过总线进行数据交换。
3．1臂式斗轮堆取料机的硬件系统设计
臂式斗轮堆取料机的电气控制系统由电源部分、电动机控制中心（MCC）、变频调速系统、操作台、PLC及触摸屏等组成。
PLC是系统的控制核心，采用SIEMENS公司的S7 300系列可编程序控制器，主机采用CPU315-2DP，提供一个PROFIBUS DP接口。
变频器采用施耐德公司的ATV71变频器。
软起动器采用西门子公司的3RW44。
变频器、人机界面等现场装置，通过独立的Profibus-DP接口直接连接到现场总线上。PLC通过逻辑运算处理发出相应的数字信息，从而控制现场装置的工作运行。
3．2臂式斗轮堆取料机软件控制系统
根据控制系统的硬件，选择相应的编程软件对系统的控制流程进行开发。西门子专门为客户提供了程序开发软件STEP 7。STEP 7是用于SIMATIC可编程序控制器的组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的组成部分[5]。
（1）堆料程序控制任务
在斗轮堆取料机堆料PLC控制程序中，断续回转+断续行走定点堆料是经常采用的一种工作方式。首先将大车行走到预定料场位置，启动堆料程序，给系统发出堆料作业信号并实现与系统胶带工况联锁。通过编码器和物位计的采样、传送、逻辑运算，做出判断进行悬臂回转和大车行走动作，实现斗轮堆取料机的堆料作业。
（2）取料程序控制任务
在斗轮堆取料机取料PLC控制程序中，采用旋转分层不分段取料。首先将大车开至预定取料位置。当接到系统取料指令后，启动取料程序，斗轮在程序控制下顺序启动，通过编码器分别进行取料初始角和取料终止角的角度采集、传送和存贮，确定悬臂回转的取料范围。实现斗轮堆取料机的取料作业。
3．2臂式斗轮堆取料机软件控制系统的解决方案
项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据被收集在一个项目下，包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据，以＜＞及为可编程序模板编制的程序。生成一个项目的主要任务就是为编程准备这些数据。数据在一个项目中以对象的形式存储。
（2）项目硬件组态
通过STEP 7编程软件对臂式斗轮堆取料机控制系统的硬件配置进行组态。在项目中插入相应的可编程序控制器的硬件结构。如图1所示：
图1 系统的硬件组态
（3）项目程序开发
一旦完成了硬件组态，就可以为可编程模板生成软件，选择编程语言，完成程序逻辑。STEP 7软件为客户提供多种编程语言，包括语句表STL、梯形逻辑LAD、功能块图FBD、SCL结构控制语言等等。本设计采用语句表STL和梯形图LAD进行设计。
3．3臂式斗轮堆取料机软件控制系统的编程实例
如图2所示为一段斗轮堆取料机自动堆料程序，采用LAD梯形图编制。
程序块中包含了堆料联锁工艺流程，只有满足各种工作条件，才能激活输出点，斗轮堆取料机各个机构才能互相配合顺序运行。为了方便阅读和编程，通常要将I/O点进行定义，通过Step 7软件提供的符号编辑表就可以轻而易举地完成。
・I代表数字输入；
・Q代表数字输出；
・M代表中间变量；
・PIW代表输入字；
・PQW代表输出字。
图2STEP7自动堆料编程段
4 结论
通过分析斗轮堆取料机的堆料工艺和取料工艺，确定系统的控制方案，设计一套控制系统。本文的创新点在于采用了先进的现场总线控制系统，通过现场总线将PLC、变频器等现场装置连接在一起，实现了PLC控制技术、变频器调速技术与检测技术的集成。现场总线构成了该控制系统的基本框架，是斗轮堆取料机控制系统的核心部分。通过现场的应用结果表明该现场总线系统提高了作业效率，保证了设备的可靠运行，提高设备的使用寿命。
参考文献
[1] 邵明亮。斗轮堆取料机[M].北京：化学工业出版社，2007
[2] 何恩江，闫德轩。变频调速在斗轮堆取料机行走控制系统中的应用[J].哈尔滨轴承，2006(02)
[3] 王慧锋。现场总线控制系统原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2006
[4] 崔坚。西门子工业通信网络指南。北京：机械工业出版社，2003
引言
在系统编程ISP（In System Programming）是指在用户设计的目标系统或印刷电路板上为重新配置逻辑，或实现新的功能而对器件进行编程或反复编程。随着EDA工具的普及和ISP器件的日益成熟，ISP技术也得到了越来越广泛的应用。ISP技术的应用使得硬件设计软件化，其显著优势体现在：简化生产流程；利用同一硬件结构实现多种系统功能，使之成多功能硬件；在不特殊电路板资源的情况下进行电路板级测试；边界扫描测试；通过Modem和ISP编程接口实现对系统的远程维护和升级。
对ISP器件的编程可通过PC机进行，利用1条编程电路（或称下载电缆）将准确定时的编程信号提供给该器件。但是，这种方法不能使各种器件的数据下载脱离EDA工具独立进行，真正意义上的在系统可编程难以实现。对于ISP器件的编程也可以通过微处理器的控制程序实现，这就为基于Neuron芯片的LON网络节点提供了应用空间。
Lon(Local Operating Networks)总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，目前已广泛应用于测控网络中。LonWorks现场总线技术在控制系统引入了网络的概念。在该技术的基础上，可以方便地实现分布式的网络控制系统，并使得控制系统更高效、更灵活、更易于维护和扩展。利用分布的智能控制节点进行在系统编程无需编程电缆，而且能够充分地利用系统资源，简化编程操作，大大拓展了在系统编程技术的应用范围。
1 基于Neuron芯片的控制节点
1.1 Neuron芯片简介
Neuron芯片的LonWorks节点的核心部分，它既能管理通道，同时具有输入/输出以及控制等能力。该芯片主要包括Neuron 3120和3150两大系列。二者的区别是3150芯片中无部ROM，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64KB，可用于开发更为复杂的应用系统，Noeuron芯片内部固化了完整的LonTalk通信协议，确保节点间的可靠通信和互操作。芯片内部有3个8位CPU协调工作，实现Lon节点的通信和控制功能；11个编程I/O口；5个网络通信端口提供3种工作方式；单端方式、差分方式和专用方式。
1.2 控制节点的硬件结构
Lon网络节点有2种类型：基于Neuron芯片的节点（Neuron芯片是唯一的处理器）和基于主机的节点（主处理器可以是微控制器、PC机等）。一个典型的现场总线控制节点的基本结构如图1所示，主要包含以下几个部分功能块；应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。无论哪种类型的节点都有1片Neuron芯片用于通信和/或控制、1个I/O接口用于连接1个或多个I/O设备，另外还有1个收发器负责将节点连接上网。
本设计中控制节点的基本结构如图2所法。该节点主要包括Neuron芯片、128KB Flash存储器、10MHz晶振、FTT-10A收发器以及I/O接口、驱动、CPLD。Neuron芯片外部扩展了Flash存储器，用于存储固件和用户应用程序。其中固件通过编程器下载，而应用程序的下载可以使用编程器，还可以使用网络管理工具经Lon网络下载，这样，CPLD的重新配置就能够通过Lon网络方便快捷地进行。5根在系统编程控制的ispEN、MODE、SDI、SCLK以太SDO占用Neuron芯片的5个I/O口。Neuron芯片I/O口本身的驱动能力是不够的，需要使用74HC367或74HC244增强信号驱动能力，并使用适当的阻容网络给信号线滤波，增强抗干扰能力。
2 在系统编程的软件实现
2.1 以Lattic公司的ispLSI这种CPLD器件为例，器件内需要编程的E2COMS单元阵列如图2所示。
E2COMS元件按行和列排成阵列。地址移位寄存器指明当前的编程行数，而数据移位寄存器装载将要写入该行的数据。数据移位寄存器分为低段数据寄存器高段数据寄存器，低段与高段的数据分别装入。编程时先将欲写放某行的数据串行移入数据移位寄存器，并将地址移位寄存器中与该行对应的位置置1（其余位置置0），让该行被选中，在编程脉冲的作用下将水平移位寄存器中数据写入该行。然后将地址移位寄存器移动1位，使阵列的下行被选中并将水平寄存器中装入下一行的编程数据，依此类推。
JEDEC（熔丝图）文件是电子器件工程联合会所制定的文件器件编程信息的标准格式计算机文件，编程信息用ASCII码表示。Lattice公司定义了一种专用用于ISP操作的数据格式，即ISP数据流文件（ispSTREAM），原来的一个ASCII码只用1bit表示，大大减小了数据文件的存储空间。因此，执行在系统编程之前，首先使用ispCODE软件来实现这一数据转换，形成易于与Neuron C语言源代码相融合的ispSTREAM文件。
2.2 Neuron C编程语言
Neuron C是专门为Neuron芯片设计的编程语言，它从ANSI C中派生出来的，并进一步扩展了用以支持由Neuron芯片中的固件提供的各种运行特性。Neuron C语言编程效率高，可读性强。该语言加入通信、事件调度、分布数据对象和I/O功能，是开发LonWorks应用的有力工具。
为实现Neruon芯片与I/O设备之间的通信，Neuron芯片的11个I/O引脚可定义为34种I/O对象，用户可根据实际应用的需要合理选择在应用程序中定义不同的I/O对象，然后用io_in()或io_out()等函数实现对I/O对象的数据读写操作，即实现Neuron芯片与I/O设备之间的通信。在本设计中，用作编程信号的I/O口定义为“直接I/O对象”中的“比特I/O对象”。比特输入是以TTL电平兼容的逻辑信号，输出是CMOS电平，可以驱动外接的与CMOS以及TTL兼容的逻辑电路。
2.3 软件实现
根据CPLD器件的内部结构及其在系统编程原理，控制程序的任务是从存储器中读出熔丝图数据据，然后将其转换为串行数据流，写入CPLD中。编程的过程由5个编程信号控制，它们由事先定义好的I/O口产生，然后编制读写这些I/O口的程序。ISP编程过程就是软件对这些口读写的过程。编程的关键在于提供准确定时的ISP编程信号，必须保证各ISP编程信号之间的时序关系。
Neuron C程序总体结构如图4所示。Neuron C源程序首先定义变量、函数以及I/O口的使用情况，然后编写when()语句调度程序。当需要执行ISP操作时，调用相关程序。图4中，ispSTREAM文件头包括CPLD器件类型、CPLD器件块擦除和行编程的脉冲宽度等参数。
Neuron C关键字允许直接将部分应用代码加到指定的存储段。本设计中用far关键字将ispSTREAM文件存储在RAMFAR区域。此外，在编程软件执行期间，由于指令的执行时间相对较长，大多数硬件定时要求（通常较短）都有自动地得到满足。但编程脉冲总体擦除脉冲却分别长达40ms和200ms，而板上没有硬件定时器，只要靠软件延时来实现。
在NodeBuilder开发环境下，执行build命令后，将工作目录下的文件输出，装载到编程器中，编程器将应用程序和固件下载到Flash存储器中。
结束语