一种便携式DFTI 模拟器的设计与实现

薛亚洲，罗 霄，张 乐

（1.中国飞行试验研究院，陕西西安 710089；2.西安远方航空技术发展有限公司，陕西 西安 710089）

DFTI 即数字飞行试验[1]接口，是电传飞控计算机预留给后端测试系统的专用数据输出接口，对采用此接口的飞控系统的可靠性和稳定性飞行鉴定有着极其重要的作用[2]。DFTI 是一种非标准接口，以某型电传飞控计算机为例，其在数据的编码组织结构上符合MIL-STD-1553B 编码，而输出特性又满足RS-422电平[3]。正是由于这种“非标”的输出特性，后端专用数据采集系统在处理此接口时会面临一定的挑战[4]，同时，具备该类型接口的设备均体积巨大[5]，对外部条件要求苛刻，所以需要一台能够实现与某型电传飞控计算机DFTI 输出特性完全匹配的便携式模拟器，该模拟器具有高度可配置能力，用于后端采集系统的接口设计与故障排查。

1 系统设计与实现

1.1 整体架构设计

DFTI 模拟器的系统组成框图如图1 所示。从功能模块上看，DFTI 模拟器分为USB2.0 接口单元、主控单元、编码输出单元和电源单元，各单元实现的主要功能如下：

图1 DFTI模拟器系统组成框图

1）USB2.0 接口单元：USB 接口是DFTI 模拟器与外部通信的纽带，实现了系统供电、配置信息交互、设备运行/停止等功能。

2）主控单元：以MicroBlaze 软核为控制核心，配合各独立的软硬件功能单元，实现了USB2.0 接口的读写控制与底层驱动、MIL-STD-1553B 总线编码逻辑、系统软件运行等功能。

3）编码输出单元：最多支持8 路“非标”输出接口，每路输出格式、内容、刷新率等均可独立配置，位速率为1 Mbps。

4）电源单元：外部电源由USB2.0 接口的+5 VDC提供，内部由多路DC-DC 电源芯片实现各单元的独立供电。

1.2 USB2.0接口单元设计

1.2.1 接口芯片

CY7C68013A 是赛普拉斯公司的一款性价比极高的高度集成、低功耗USB2.0 微控制器。该控制器在单个芯片上集成了USB2.0 收发器、串行接口引擎（SIE）、增强型8051 微控制器和可编程外设接口并向下兼容全部USB 接口[6]。文中采用了Slave FIFO接口模式，这种架构在端点RAM 中有8 个512 字节的模块，可以直接用作FIFO 存储器。这些模块受控于FIFO 控制信号（IFCLK、SLCS、SLRD、SLWR）,可直接连接FPGA 的IO 引脚[7]。数据读取方式选取了异步读写模式，可通过实现相应的读写逻辑完成与CY7C68013A 的数据交互。

1.2.2 固件库设计

当硬件接口选定并且连接正确后，USB2.0 的开发就转为了固件库编程。赛普拉斯公司为了方便用户开发，为CY7C68013A 芯片提供了完备的固件库函数与编程框架[8]，重点包含了fw.c、bulkloop.c、dscr.51 等文件。

fw.c 文件是整个固件库的根本，该文件完成包括上电枚举、重枚举、唤醒以及调用用户自己的程序和控制命令等功能。dscr.51 是USB 描述符文件，包括设备描述符、接口描述符、端点描述符、字符串等。bulkloop.c 是用户代码写入文件，此文件包含用户修改最多的TD_Init 和TD_Poll 函数。当采用Slave FIFO 模式时，数据交互依靠硬件逻辑实现，所以只需修改TD_Init 函数即可。TD_Init 函数的部分代码如下：

1.3 主控制模块设计

主控制模块是DFTI 模拟器的核心，不仅要实现与前端USB2.0 接口的数据交互，还要保证后端编码输出模块的正常运行。文中选取了Xilinx 公司的Artix-7 Family FPGA 中的XC7A100T 系列控制器，该控制器具有逻辑资源丰富、功耗低、封装尺寸小等特点[9]。在进行顶层设计时，各功能模块均作为IP 核被独立设计，并在其内部构建MicroBlaze 软核[10]，协同独立的硬件逻辑单元实现模拟器的管理与运行。

MicroBlaze 软核通过标准AXI 总线与硬件外设和各逻辑单元交联。这些外设和逻辑单元包括ddr、外部存储器、中断控制器、USB2.0 控制逻辑、MILSTD-1553B 总线编码逻辑等。运行在MicroBlaze 软核中的系统软件流程框图如图2 所示。

图2 DFTI模拟器软件流程图

系统软件执行的重点是模拟器与USB2.0 接口之间的数据交互，共分为4 种数据交互方式，分别是连接指令、下载指令、上传指令、运行指令。连接指令实现上位机与模拟器之间的配置连接，是一切操作步骤的基础；下载指令实现了配置数据流从上位机发往模拟器，用于更新配置信息；上传指令实现了配置数据流从模拟器发往上位机，用于显示当前设备的工作状态；运行指令实现设备的运行与停止操作。

模拟器上电后，上面板红色电源指示灯点亮，此时可根据实际需求与上述交互方式对模拟器进行参数配置。交互完成后，系统会根据配置内容使能数据发送定时器，并按照既定格式与周期把数据发往编码输出单元。运行指令成功执行后，模拟器上面板绿色工作指示灯点亮。

1.4 编码输出单元设计

1.4.1 硬件设计

通过上述内容可知，DFTI 模拟器的输出接口电平为标准RS-422 电平[11]，在驱动电路上选取了TI 公司的AM26LC31四路差分驱动器，该芯片具备ESD 保护功能，支持5 V 单电源供电，符合TIA/EIA-422-B电气标准，最高可工作在32 MHz的速率，满足速率输出要求。RS-422 驱动输出电路原理图如图3 所示。

图3 RS-422驱动输出电路原理图

DFTI 模拟器的数据组织结构上符合MIL-STD-1553B 总线架构与编码方式[12]。1553B 总线协议规定，消息传输类型可分为状态字、命令字、数据字，每种消息均由20位构成，其中同步头3位、数据字16位、奇校验位1 位，根据同步头判断不同的消息类型[9]。其总线上发送的数据以曼彻斯特Ⅱ双极性编码方式传输，发送时在每一位数据的中间点进行跳变，“1”信号表示电平由1 向0 的跳变，“0”信号表示电平由0向1 的跳变，这种编码方式又称为自带时钟的编码，仅需一对差分信号就可以进行消息传输。

目前，有两种主流方法可用于实现MIL-STD-1553B 总线编码：一种是在FPGA 内部自行设计符合MIL-STD-1553B 总线规定的编码逻辑[13-14]，此方法具有成本低、节约PCB 板面积等优点，但是其输出的规范性与通用性略有欠缺；另一种是采用专用的总线协议芯片，该方法具有容易实现、可靠性和通用性非常高等特点[15-16]。综合考虑，文中选取Intersil 公司的HD-15530 标准总线协议芯片，该芯片支持MILSTD-1553B 总线标准，具有独立的编码与解码管脚，支持5 V 单电源供电，其原理图如图4 所示。

图4 1553B总线编码芯片电路原理图

1.4.2 编码程序设计

HD-15530 总线协议芯片的编码时序如图5 所示，可以看出其编码时序遵从如下顺序：在编码移位时钟的下降沿检测到编码使能管脚输出高表示一次转换的开始，每次转换耗时20 个编码移位时钟周期。在随后的编码移位时钟的上升沿，产生SYNC_SELCET 信号，该信号高表示命令字同步头；该信号低表示数据字同步头。当编码器准备好接收数据时，SEND_DATA 输出会变高并且保持16 个移位时钟周期，输出完成后，编码器会自动添加校验位。

图5 HD-15530编码时序图

根据上述编码顺序设计了如图6 所示的编码状态机，系统上电后处于空闲（IDLE）状态；当检测到编码移位时钟下降沿且编码使能置高时，根据同步头要求进入命令字编码（SYN_COMMAND）状态或数据字编码（SYN_DATA）状态；检测到SEND_DATA上升沿信号后进入数据编码发送（ENCODE）状态，发送完成后返回IDLE 状态。

图6 HD-15530编码状态机

1.5 上位机软件设计

DFTI 模拟器上位机软件基于Visual Studio 10 环境开发。该上位机软件用于引导模拟器的工作步骤，实现模拟器的运行与停止，模拟器不能脱开上位机软件独立工作，其运行界面如图7 所示。

图7 DFTI模拟器软件运行界面

上位机软件由功能按钮、工作指示灯、发送显示区、配置区、交互显示区构成。功能按钮包括连接、下载、上传、运行4 种指令，分别对应着上位机与模拟器的4 种交互方式。工作指示灯表示模拟器的运行状态，点亮表示运行，熄灭代表停止。发送显示区显示模拟器将要发送的数据包内容，通过上传和下载指令可完成发送数据的更新。配置区实现对发送通道、发送间隔、发送内容等数据格式的配置，可配合发送显示区实现单字配置。交互显示区用于显示上位机与模拟器的交互结果。当设备上电且连接成功后，点击下载与上传指令可以实现对输出参数的配置与读取，点击运行指令则会使能模拟器按照既定的帧格式输出数据，可根据交互显示区显示的内容判断当前操作的交互结果。

2 功能验证

为了验证DFTI 模拟器的各项功能，使用专用DFTI 测试机柜并配合示波器对其输出接口进行了测试，结果表明，DFTI 模拟器输出接口电平符合TIA/EIA-422-B 标准，数据符 合MIL-STD-1553B 总线组织形式，编码方式为曼彻斯特编码，接收与发送数据一致，可实现通道数、刷新率、参数内容等的灵活配置。随后对DFTI 模拟器进行环境温度测试（-40～70℃）与12小时的拷机测试，结果均未见异常。

3 结束语

文中设计了一款与某型飞机DFTI 接口输出特性完全匹配的便携式模拟器，介绍了系统架构并对各功能单元及上位机软件进行了详细的描述。各项实验结果表明，DFTI 模拟器具有体积小、功耗低、操作简单、工作可靠稳定等特点。该模拟器对于外部环境无依赖，仅需一台笔记本电脑就可以完成各项功能，适用于相关电传飞控专用测试系统的研制与排故。