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基于 DSP+FPGA+1553B总线的水下信息融合系统的设计_fpga接dsp的xintf

作者：我家小花儿 | 2024-05-03 07:32:25

踩

fpga接dsp的xintf

在一个大型水下系统中，针对不同分系统的特

性，通常采用不同的通信协议。串行通信具有抗干扰

能力强，传输距离远等特点，适用于需要远距离通信

的分系统； MIL-STD-1553B 总线在传输方面具有极强

的可靠性和实时性，适用于对信号准确性和实时性要

求高的惯导及发控分系统 [ 1 ] 。

DSP 可以快速处理数据且具有较高的集成性和稳

定性，目前已成为控制领域主流的处理芯片 [ 2 ] 。但

DSP 的片内通信资源有限且固定，会导致系统的可扩

展性不强，且若 DSP 频繁响应中断，也会对其工作的

效率产生影响。

FPGA 与 DSP 相比具有以下优点：支持并行操

作，可以同时处理多个工作单元，可以实现数据的实时

传输 [ 3 ] ； FPGA 可以通过自身编程实现传统设计中逻辑

接口，从而使得外围电路设计的难度大大减小，减少

硬件设计难度，且系统的可扩展性得到极大的提高。

本文以 DSP 芯片作为主处理器，负责应用层的设

计以及整个系统运行时信息的调度，采用 FPGA 作为

系统的协处理器，完成对多路 RS-422 串口信号的采集

以及对数据的缓存，同时使用 FPGA 实现 BU61580

的功能并根据项目需要对功能进行扩展，完成 1553B

总线接口模块的设计。

1 系统总体设计

主要实现 16 路串口数据的发送及接收，以及 2 路

1553B 数据的发送及接收，后期根据需要可扩展

CAN 通信及 429 通信等。在进行设计时，要充分考虑

如何实现不同控制芯片之间准确、高速、实时的通信

问题。 DSP 选择 TI 公司的处理器芯片 TMS320F28335 ，

该芯片低成本，高性能，运算能力强、精度高。但该

芯片的串口资源只有 3 个，不满足设计要求，且若采

用 DSP+BU-61 580 的结构实现在 BC 模式下的 1553B 通

信，根据设计要求，系统需要发送大量周期为 5ms 和

10ms 的周期信号，若周期信号的发送由 DSP 控制，

则 DSP 需要频繁响应计时中断，会影响芯片的数据处

理速度，且可能造成数据丢失等现象。

为了解决这些问题，选用低功耗型 XC7K325T [ 4 ] 芯

片完成对 DSP 功能的扩展。 DSP 与 FPGA 之间通过

XINTF 总线进行数据交互，从而实现 DSP 对外围芯片

的控制，使得 D S P 的功能得到最优的发挥 [ 5 ] ，

XINTF 总线包括数据线、地址线及片选线等。

RS422 总线接口设计，以 FPGA 芯片为核心进行搭

建。接口驱动芯片均选用 ADM2682E ，该芯片内有隔离，

无需外部隔离处理。通过 FPGA 实现总线控制器（ BC ）

的功能。使用 HI-1 573 将 1553B 总线信号转化为 FPGA

可以处理的 3.3V 差分信号。

2 FPGA 逻辑设计

2.1 多路串口逻辑设计

RS422 通信电路采用模块化设计。 FPGA 的功能逻

辑如图 1 所示，从功能上划分为接收模块、发送模块

以及数据处理模块。考虑到不同的外部设备对串口通

信的要求各不相同，为了提高模块的普遍性，每一路

串口通道都具有独立性，可以通过 DSP 对每一路串口

的属性进行分别的设置，也即每一路串口的波特率，

数据位，奇偶校验位，停止位等均可以通过编程进行设置。

1 ）收发 FIFO 缓存数据

FIFO 一般用于处理高速异步的数据交互和数据缓

存。收发 FIFO 采用 8×256 的容量，数据位宽度为 8 位，存储

深度为 256byte 。 FIFO_empty 作为 FIFO 是否有数据的

标志信号。

2 ）串并转换 FPGA

通过状态机完成将串行数据转换为并行数据的功

能。系统上电复位后状态机进入 Idle 状态，当收到数

据时，状态机进入 Start 状态；检测到串行数据的起始

位后状态机进入 Receive 状态否则退回 Idle 状态； Re

ceive 状态主要进行数据位的接收，不同通道可以接收

不同位数的数据位，当循环接收数据位个数满足通道

要求后，进入下一个状态 [ 6 ] ；若串口协议中有校验位，

则进入 Parity 状态，判断奇偶校验，否则状态机进入

Stop bit 状态。 Stop 状态可以进行停止位的接收，当接

收的停止位符合要求后，状态机将已转换为并行的数

据存入接收 FIFO 中，并重回 Idle 状态。

系统上电进行复位后状态机进入 Idle 状态，当发

送 FIFO 的 fifo_empty=’0’ 时，状态机进入 Start 状态，

否则仍然处于 Idle 状态；完成起始位的发送后，状态

机进入 Sample 状态，读取 FIFO 中的数据并进行采

样，将数据转换为高低电平后，状态机进入 Transmit

状态，发送串行数据，并发送停止位；发送完成后进

入 Stop 状态完成整个发送流程。

3 ）数据处理及与 DSP 的通信

FPGA 为每一路通道分配不同的片选地址， DSP 在

对通道进行初始化及收发数据时，要根据片选地址找

到对应的寄存器并通过总线收发不同地址中的数据，

从而进行相应的数据处理。根据系统流程，当需要获

取某一路串口的数据时， DSP 读取该通道对应的 fifo

empty 状态，若不为空，则 DSP 从该通道存放数据的

寄存器地址中，获取已经过串并转换的数据。反之，

若需要发送指令至某一通道时， DSP 通过总线将打包

好的带帧头帧尾的数据发送至相应的 FPGA 寄存器，

FPGA 将数据存入对应通道的发送 FIFO ，通过串并转

换后将 FIFO 中的数据转为串行码发送至外部设备 [ 7 ] 。

2.2 1553B 逻辑设计

信息融合系统作为系统的中心，在 1553B 通信中

担任总线控制器（ BC ）的角色，负责收发数据，同时

还需要对整个流程进行调度。根据流程，信息融合系

统需要通过发送周期和非周期信号对分系统下发指令

并获取分系统的反馈信号。为了提高 DSP 的工作精度

及效率，对于周期信号， DSP 只控制信号发送的启

停，也即当 DSP 对 FPGA 下发了某条周期信号的启动

指令后， FPGA 自动对该条指令计时，当时间到达周

期时， FPGA 控制发送指令，直到 DSP 下发该条指令

的停止指令。所以信息融合系统需要完成的工作包

括：准确发送命令字和数据字；准确接收数据字和状

态字；根据需要在不同时期发送不同周期长度的周期

性信号及非周期信号。因此在对信息融合系统的

BC 功能进行设计时，主要分为以下功能模块：发送模

块、接收模块、流程控制模块。

2.2.1 发送、接收模块

发送及接收模块包括发送部分、接收部分、超时

检测部分等 [ 8 ] 。

发送部分：主要功能是将数据经过曼彻斯特编码

后发送，根据解析出的数据字个数开始计数，当数据

字个数达到规定值时，发送完毕 [ 9 ] 。发送的数据包括

同步头类型、指令字及数据字 [ 10 ] 。

接收部分： BC 主要接收状态字和数据字，通过解

码状态字判断接收的数据字是否正确。 FPGA 将收到

的数据字放在特定的 RAM 地址中，根据流程， DSP 在

特定时间读取 RAM 地址中的数据字，从而获得分系

统反馈的数据和状态。

发送超时检测：为保证总线传输的可靠性，协议

规定发送时长超过 800 us 的信息按超时处理。通过计

时器进行超时检测，当接收到指令字的同步头时开始

计时，接收到状态字时计时结束，一旦计数值超过

800 us ，则表示发送超时。

BC 模式下接口的响应流程如图 2 所示。

2.2.2 流程控制模块

信息融合系统在 1553B 通信中不仅需要完成 BC 的

基本收发功能，还需要对系统运行的整个流程进行调

度。具体来说， FPGA 通过状态机实现流程控制的主程序。

3 功能验证

3.1 多通道串口板级验证

通过 CCS 软件和串口调试助手可完成串口在线测

试。对通道 ID 为 0 的通道进行收发测试，该通道采用

115 200 bit/s 波特率，串口助手向 0 通道发送 5f ， f5 ，

01 ， 02 ， 03 ， 04 ， 05 ， 06 ， 07 ， 08 ， 2a ， 5b 时 DSP 可

以收到。反之， DSP 通过 0 通道向外发送数据时，串

口助手也可收到数据。其他 15 路串口也根据对应的串

口协议进行测试，数据收发正常。

3.2 1553B 板级验证

3.2.1 BC 发送非周期信号

用 CCS 软件和 BM 软件完成在线测试，通过示波

器观察波形。图 3 为在 BC 模式下 1553B 模块发送信号

的波形，可以看出波形良好，受干扰影响小，可以正

确进行信号解码。

3.2.2 BC 发送周期信号

BC 向 RT 发送指令字为 0×6 161 ，数据字为 0×0 022

的周期消息，周期为 5 ms ，图 4 为实测波形图，横坐标每格为 2.5 ms 。可以看出，周期信号的周期为 5 ms 。

4 结　语

本文采用 DSP+FPGA 的设计实现信息融合系统在

多通道串口和 1553B 通信中的应用。有以下特点： 1)

灵活性。基于 FPGA 进行设计，可根据现场流程的改

变随时修改程序。 2) 扩展性。不用考虑资源限制，可

根据需要增减通道，并且根据需求可以增加更多的通

信协议。 3) 稳定性。模块化的设计，各通道各协议间

的工作互不影响，有利于系统的改进和验证。 4) 高效

性。 FPGA 采用并行数据传送，便于多通道数据交互。本

设计已应用于某大型项目的设备中，经过大量测试和

试验，可以稳定满足使用要求。

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