基于FPGA的AFDX終端系統(tǒng)模塊設計

　　1 引言

　　本文在研究航空全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）實時傳輸協(xié)議的基礎上，分析了基于CPCI接口的雙冗余AFDX終端測試系統(tǒng)通訊模塊的設計原理，重點介紹了支持熱插拔的CPCI接口電源電路分析、FPGA與PCI9030接口模塊時序分析和在Windriver軟件環(huán)境下的驅(qū)動程序的開發(fā)，為AFDX上位機底層驅(qū)動接口的開發(fā)和軟件界面的開發(fā)以及AFDX交換機的研發(fā)打下了良好的基礎。

　　2 AFDX終端系統(tǒng)模塊設計

　　本文設計的AFDX終端通訊系統(tǒng)包括FPGA控制模塊、PCI接口模塊、雙冗余PHY模塊。為了設計高可靠性的AFDX終端系統(tǒng)，設計了2個獨立的雙冗余交換網(wǎng)絡，從而保證系統(tǒng)的可靠性信息傳輸。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

　　2.1 CPCI接口模塊

　　CPCI接口模塊由2個部分組成，第一部分主要實現(xiàn)PCI總線協(xié)議功能，實現(xiàn)FPGA與上位機進行數(shù)據(jù)的通信；第二部分主要實現(xiàn)從CPCI接口采電，并在板上進行電源管理，對整個板卡實現(xiàn)支持熱插拔的電源供應。

　　2.2 FPGA控制模塊

　　FPGA控制模塊是整個板卡的控制核心，它包含了AFDX協(xié)議棧的IP硬核，實現(xiàn)了AFDX協(xié)議棧特有的，如流量整形、虛擬鏈路調(diào)度、完整性檢查、冗余管理、以太網(wǎng)MAC層硬件實現(xiàn)等功能以及其它如與PCI9056通信、內(nèi)部數(shù)據(jù)的緩存管理等功能。支持10/100Mbps標準的航空實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。

　　以數(shù)據(jù)下傳為例介紹FPGA控制模塊的工作流程：首先在PC機上運行上層測試軟件，通過它來設置發(fā)送通道的相應參數(shù)，該信息通過CPCI接口傳送至可編程芯片，可編程芯片內(nèi)的處理器單元根據(jù)PC機下傳的參數(shù)來設置發(fā)送通道的相關寄存器參數(shù)，同時該消息經(jīng)過流量整形模塊，進行規(guī)劃化處理，使其輸出的數(shù)據(jù)幀是規(guī)整的、沒有時延抖動的。來自流量整形模塊的數(shù)據(jù)幀由虛擬調(diào)度模塊添加序列號（SN）后，發(fā)往冗余管理模塊。冗余管理模塊將需要發(fā)送消息復制發(fā)送到2個獨立的冗余MAC鏈路層中。 MAC模塊對數(shù)據(jù)幀添加幀序列校驗，發(fā)往PHY模塊。PHY層模塊將可編程芯片內(nèi)的MAC層的數(shù)據(jù)幀進行電平轉(zhuǎn)換后傳送至其他標準航空以太網(wǎng)PHY設備中。

　　2.3 雙冗余PHY物理接口

　　雙冗余的PHY模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層的接口功能，實現(xiàn)AFDX航空以太網(wǎng)的可靠性傳輸，F(xiàn)PGA內(nèi)部的航空以太網(wǎng)MAC層通過MII接口與PHY連接，完成數(shù)據(jù)流的通信。MII （Media IndependentInterface 介質(zhì)無關接口） 接口，即媒體獨立接口，它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標準。它包括一個數(shù)據(jù)接口，以及一個MAC和PHY之間的管理接口。數(shù)據(jù)接口包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時鐘和控制信號。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個信號。管理接口是個雙信號接口：一個是時鐘信號，另一個是數(shù)據(jù)信號。通過管理接口，上層能監(jiān)視和控制PHY.本設計中采用的是雙PHY芯片共用一個25MHz的外部晶振提供工作時鐘，這樣可以保證雙冗余的PHY完全工作同步。

　　3 CPCI接口電源電路分析

　　熱插拔功能主要用于CPCI設備，熱插拔功能允許板卡隨意從設備中插拔而不影響設備操作系統(tǒng)的正常運行。如圖2所示，LTC1643L是一個允許CPCI型設備進行安全插入和拔出的電源管理控制器，將系統(tǒng)的CPCI插槽電源接入到AFDX板卡，圖中IRF7413是一個N型MOS管，用于控制3.3V和5V的電源供應，而-12V和+12V電源由片上開關供應，所有的電壓的上升時間可以達到一個可編程的速率，同時還有電源過流故障時的短路保護。

　　PCI9030的引腳BD_SEL#是CPCI接口中最小的插針之一，BD_SEL#連接LTC1643L的使能引腳，低電平時有效開啟LTC1643L工作并同時給板卡供電。R10是一個0.018歐姆，0.5W，精度為1%的精密電阻，用于過流保護的電壓檢測電阻。當板卡發(fā)生故障導致電流超過額定值之后，R10兩端的壓差將增大，SENSE引腳將此過流信息反饋至LTC1643L電源管理器，同時切斷電源供應，起到電源過流保護的功能。

　　4 FPGA與PCI9030接口模塊時序分析

　　在PCI9030與本地FPGA之間的通信分為直接主模式（Direct Master Mode）、直接從模式（Direct Slave Mode）和DMA模式。由于PCI通信要AFDX網(wǎng)絡的10M/100M通訊速率，這里采用直接從模式，工作時序如圖3所示，PCI9030為主，F(xiàn)PGA為從。LHOLD為輸出，聲明使用本地地址數(shù)據(jù)總線，LHOLDA為本地總線申請使用成功的返回信號。LBE［3:0］#為本地總線使能控制引腳，這里選擇32位寬的數(shù)據(jù)總線。LA［31:2］為地址總線，在本地總線申請使用成功信號返回且本地總線位寬使能有效后，開始輸出地址信號。ADS#為起始信號，表明地址總線有效且開始一個有效的總線訪問，同時一個周期后就可以讀數(shù)據(jù)或者寫數(shù)據(jù)了，LW/R#低電平為讀高電平為寫。為了與PCI9030進行高效的數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA里面必須有相應的本地數(shù)據(jù)通信接口。

　　5 WinDriver軟件的驅(qū)動生產(chǎn)

　　通過PLXMON軟件對PCI9056的配置芯片進行配置后，可以利用Windows操作系統(tǒng)中WinDriver自動生成PCI驅(qū)動程序，步驟如下：首先啟動WinDriver Wizard，從開始菜單，選擇“程序 | WinDriver | Driver Wizard”;然后在Driver Wizard 菜單，單擊“File | New Project”菜單來新建一個工程，從即插即用列表中選擇顯示卡，通過生產(chǎn)商的名字來選定。單擊“Memory”標簽。該顯示卡的三個內(nèi)存范圍顯示出來。內(nèi)存范圍中的BAR2映射的是FPGA內(nèi)的RAM緩存塊和專用寄存器，根據(jù)FPGA內(nèi)核對這些緩存塊和寄存器的可讀寫定義，可以在BAR2映射的區(qū)域里進行讀寫，若寫進去的數(shù)值跟讀出來的數(shù)值一致，表面CPCI接口通信正常。最后一步為生成驅(qū)動代碼：單擊“Build | Generate code”菜單， Driver Wizard 將產(chǎn)生操作硬件資源的函數(shù)，可以在用戶模式下在應用程序中直接使用這些函數(shù)，這個向?qū)н€會產(chǎn)生一個樣本程序來使用這些函數(shù)操作硬件，上層界面的開發(fā)可以直接調(diào)用這些API函數(shù)。

　　6 總結(jié)

　　本論文中設計的帶有CPCI接口的AFDX終端板卡通訊模塊的設計，充分利用PCI總線傳輸速度快和CPCI接口支持熱插拔的特點，使得設計能滿足雙冗余AFDX的高速數(shù)據(jù)傳輸，使用方便和設備體積相對較小，便于攜帶，該板卡已經(jīng)實現(xiàn)AFDX通信協(xié)議并批量生產(chǎn)銷售。此論文的研究為AFDX網(wǎng)絡交換機的研發(fā)打下了良好的基礎。