基于FPGA設計航空電子系統介紹

航空電子是指飛機上所有電子系統的總和。一個最基本的航空電子系統由通信、導航和顯示管理等多個系統構成。航空電子設備種類眾多，針對不同用途，這些設備從最簡單的警用直升機上的探照燈到復雜如空中預警平臺無所不包。而航空電子系統也有著只屬于自己的特點，這些特點更是隨著航空電子的發展而不斷變化。

MIL-STD-1553簡介

請看一下數據傳輸路徑，即圖1中的MIL-STD-1553總線結構。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。

根據MIL-STD-1553標準的規定，總線結構由三個不同的硬件組成：

●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。

●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。

●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。

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DECUnibus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-1553ASIC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。

過去，典型的MIL-STD-1553系統一般都由多個COTS組件構成，MIL-STD-1553I/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-1553ASIC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。

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-1553BLRU，這就要求總線控制器和總線監視器能夠處理不同的協議。

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CondorEngineering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-1553IP。多數情況下，利用Xilinx綜合技術（XST）或AlteraQuartusII集成綜合技術（QIS），FlightCORE1553可以在兩天內成功地集成。如圖4所示，用戶只須將CondorEngineering的IP核心與其自身邏輯和CondorEngineering的個別化模塊（3mmx3mm）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ManchesterII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COTSMIL-STD-1553或RS-485收發器。