劉軍偉

摘要：如何能在現(xiàn)有FC仿真卡的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更適合外場(chǎng)服務(wù)保障的新形式地面仿真設(shè)備的需求迫切，該文立足航空電子系統(tǒng)FC通信協(xié)議要求，在深入理解FC-AE-ASM協(xié)議及外場(chǎng)設(shè)備可靠性要求的基礎(chǔ)上，研究基于加固PC機(jī)Windows系統(tǒng)下的PXIe接口FC仿真卡的實(shí)現(xiàn)方法，提出可滿足航空電子系統(tǒng)外場(chǎng)地面仿真環(huán)境需求的Windows環(huán)境下的PXIe接口FC仿真卡的主機(jī)接口類型選擇及其內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，并進(jìn)行原理驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，最終完成PXIe接口FC仿真卡的設(shè)計(jì)，為FC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地面仿真環(huán)境的建立提供了可靠的技術(shù)支撐，進(jìn)一步推進(jìn)國內(nèi)光纖通道技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：FC；FC-AE-ASM協(xié)議；PXIe；仿真卡

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）01-0045-03

Research and Implementation of PXIe Interface FC Simulation Card Based on Windows System

LIU Jun-wei

（AVIC Computing Technique Research Institute，Xian 710065 ， China）

Abstract：Based on avoinics communication technology independent security and the requirement of FC devices to ground simulation，it was desiderated to establish FC simulation envrioment in laboratory， to simulate the basic charateristics and specifications of the avoinics FC network.According to the requirement of avoinics FC communication protocol， on the basis of comprehending FC-AE-ASM porotol，this paper researched the implementation methods of PXIe interface FC simulation device based on windows system of PC， brought forward，validated and implemented the design idea of PXIe interface FC simulation card， completed design of the card， provided credible technology support of establishing FC network simulation enviorment on the ground， advanced the devolopement of domestic FC technology much more.

Key words：Fibre Channel，F(xiàn)C-AE-ASM protocol，PXIe，Simulation card

伴隨著航空系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信指標(biāo)要求的不斷提高，航空系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線也經(jīng)歷了大致如下幾個(gè)過程：

? 點(diǎn)到點(diǎn)連接的ARINC429總線；

? 集中式控制MIL-STD-1553總線；

? 分布式控制的HSDB高速總線和光纖通道。

其中光纖通道（FC）已成為新一代航空電子系統(tǒng)的首選的技術(shù)。光纖通道是美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于1988年提出的一種高速串行傳輸協(xié)議，具有高帶寬、高實(shí)時(shí)性、高可靠性、擴(kuò)展性好、傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)類型靈活、支持多種上層協(xié)議和底層傳輸介質(zhì)等特性[1]。為了適應(yīng)航空系統(tǒng)環(huán)境，光纖通道提供了FC-AE協(xié)議子集，它規(guī)范了航空光纖通道交換網(wǎng)絡(luò)與環(huán)路拓?fù)溥B接設(shè)備的選擇[2]，目前光纖通道成為下一代航空電子系統(tǒng)互聯(lián)的首選方案[3]，其中FC高層協(xié)議采用的就是FC-AE下的匿名簽署消息傳輸協(xié)議（FC-AE-ASM）。

基于系統(tǒng)保障對(duì)FC地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需求，需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建合適的FC仿真環(huán)境，以達(dá)到能夠?qū)娇针娮酉到y(tǒng)FC通信網(wǎng)絡(luò)的基本特性及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真的目的。本文就光纖通道技術(shù)在PC機(jī)Windows環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究，在深入理解FPGA芯片架構(gòu)和研究FC核的基礎(chǔ)上，分析FC協(xié)議，闡述了PXIe接口FC仿真卡的設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)理念、軟硬件實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證工作，從而為FC地面仿真環(huán)境的搭建提供一個(gè)可靠的支撐。其次，從PXIe接口FC仿真卡主機(jī)接口接口封裝形式的可靠性出發(fā)，闡述了PXIe封裝形式與普通金手指封裝形式的FC仿真卡在加固性、可靠性方面的差異。

1 研制背景

伴隨著航空系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信指標(biāo)要求的不斷提高，已成為新一代航空電子系統(tǒng)的首選的技術(shù)。PXIe接口FC仿真卡正是基于此背景下，為滿足航電系統(tǒng)地面仿真應(yīng)用而設(shè)計(jì)出來的在抗振動(dòng)等性能方面優(yōu)于普通金手指結(jié)構(gòu)的FC地面仿真模塊，此模塊可以模擬系統(tǒng)中的FC通信節(jié)點(diǎn)，模擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中點(diǎn)到點(diǎn)的FC通信。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于PC機(jī)下的開放式Windows系統(tǒng)環(huán)境與航空系統(tǒng)中嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境的不同，PXIe接口FC仿真卡得應(yīng)用是在Windows系統(tǒng)環(huán)境下模擬實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境中FC通信節(jié)點(diǎn)的角色。故在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮兩種系統(tǒng)間的共性及差異。模塊在設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮的問題應(yīng)該是接口的選擇問題，其既要具備與航空系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通信的接口一致，由于航空系統(tǒng)中設(shè)備采用的是FC接口，故此接口選用FC接口，同時(shí)還需要具備可以和PC機(jī)進(jìn)行通信的接口，考慮到高傳輸速率的要求，舍棄了PCI主機(jī)接口，選擇了PCIe主機(jī)接口。然而PCIe接口在PC機(jī)的環(huán)境下可選的封裝形式仍有多種，最常使用的是金手指封裝形式及PXIe封裝形式，考慮到對(duì)運(yùn)行可靠性的要求，應(yīng)選擇抗振動(dòng)能力更強(qiáng)的PXIe封裝形式。

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及其實(shí)現(xiàn)方式

2.1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PXIe接口FC仿真卡模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 PXIe接口FC仿真卡模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

性能指標(biāo)如下：

? PC機(jī)自主供電

? 通信誤碼率小于10-12；

? 支持交換及點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)洌?/p>

? 滿足FC-FS及FC-PI協(xié)議要求，同時(shí)支持3類服務(wù)；

? 支持FC-AE-ASM協(xié)議；

? 支持Windows操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序及用戶二次開發(fā)。

2.1.2 工作原理及其實(shí)現(xiàn)方式

PXIe接口FC仿真卡是以可編程邏輯器件為核心進(jìn)行搭建，對(duì)外提供了1路4線的PCIe主機(jī)接口及1路FC通信接口，通過FC通信接口模擬航空系統(tǒng)中的FC通信節(jié)點(diǎn)。

2.1.2.1 FPGA選型及配置電路

可編程邏輯器件FPGA的選型時(shí)需考慮以下因素：

? 支持PCIe 主機(jī)接口；

? 具備高頻的處理器硬核；

? 可以支持較大規(guī)模的邏輯體量。

最終PXIe接口FC仿真卡模塊選用了XILINX公司的FPGA。FPGA可以采用的配置模式見表1。

表1 FPGA配置模式

[配置模式＼&M[2：0]＼&數(shù)據(jù)位寬＼&CCLK方向＼&Master Serial＼&000＼&1＼&output＼&Master SPI＼&001＼&1＼&output＼&Master BPI-Up＼&010＼&8、16＼&output＼&Master BPI-Down＼&011＼&8、16＼&output＼&Master SelectMAP＼&100＼&8、16＼&output＼&JTAG＼&101＼&1＼&input（TCK）＼&Slave SelectMAP＼&110＼&8、16、32＼&input＼&Slave Serial＼&111＼&1＼&input＼&]

PCIe 核的邏輯結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 PCIe核的邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.1.2.2 主機(jī)接口設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊采用PXIe封裝形式的PCIe接口。PXIe接口是在PXI接口的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，PXI將PCIe集成到PXI標(biāo)準(zhǔn)中即為PXIe接口。由于PXIe接口是PXI及PCIe兩者的結(jié)合，集成了兩者的優(yōu)點(diǎn)，首先在總線帶寬等方面明顯高于PXI，其次在物理抗振動(dòng)干擾方面及使用壽命方面均優(yōu)于金手指形式的PCIe接口。PXIe有3U及6U兩種模型，目前PXIe接口FC仿真卡模塊選用3U模型，具體詳見圖3。

圖3 3U PXIe結(jié)構(gòu)圖

2.1.2.3 電源電路設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊采用PC機(jī)PCIe接口提供的+12V直流電供電，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生所需的各種電壓。其中需要注意的一點(diǎn)就是FPGA提供的高速串行I/O所需的電壓。FPGA提供的高速串行I/O可以支持FC通信，高速串行I/O工作需要的電壓需要良好的紋波特性，故需采用性能良好的電源模塊。

2.1.2.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊需提供FC工作所需的時(shí)鐘。FC仿真卡模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘由PC機(jī)主機(jī)的來提供。

2.1.2.5 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊的復(fù)位電路設(shè)計(jì)與一般模塊復(fù)位電路設(shè)計(jì)基本相同，其中需注意就是需確保復(fù)位關(guān)系。

2.1.2.6 UART電路設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊中的處理器提供1路UART用于調(diào)試，其通訊速率115200bps。UART采用FPGA內(nèi)部UART控制器。

2.1.2.7 JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊的FPGA自帶JTAG調(diào)試接口，通過該接口可以對(duì)FPGA進(jìn)行各項(xiàng)調(diào)試、資源測(cè)試及狀態(tài)監(jiān)控。

2.1.2.8 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

PXIe接口FC仿真卡模塊的存儲(chǔ)器包括SRAM、FLASH及PROM這3種，其中前2種可根據(jù)其對(duì)應(yīng)軟件的功能需求全部選用合適的外部存儲(chǔ)器或部分選用FPGA內(nèi)部本身的存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，PROM存儲(chǔ)器的電路設(shè)計(jì)需根據(jù)FPGA邏輯的功能需求，選用相應(yīng)容量的PROM存儲(chǔ)器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PXIe接口FC仿真卡選擇了FC-AE-ASM協(xié)議，F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議提供了基于FC-FS的通信協(xié)議，協(xié)議中消息的都是隨機(jī)發(fā)出的，接收方無需關(guān)心數(shù)據(jù)來源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此種方式適合新一代航空電子系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的通信。圖4所示為FC仿真卡模塊軟件層次結(jié)構(gòu)。

圖4 軟件層次結(jié)構(gòu)

PXIe接口FC仿真卡最大的優(yōu)點(diǎn)就是提供給用戶根據(jù)自身的需求再模塊本身的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次開發(fā)的功能。

3 測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試驗(yàn)證是模塊研制及批產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)為了減少模塊的隱藏故障概率，提高模塊本身的可靠性，產(chǎn)品本身必須經(jīng)過嚴(yán)苛的功能及性能拷機(jī)測(cè)試。PXIe接口FC仿真卡分別進(jìn)行了功能測(cè)試及性能拷機(jī)測(cè)試，具體的功能測(cè)試項(xiàng)目包括：MAILBOX測(cè)試、交互區(qū)測(cè)試、FLASH測(cè)試、PROM測(cè)試、INTA測(cè)試、Timer測(cè)試、FC消息通信測(cè)試及FC實(shí)時(shí)帶寬測(cè)試等，通過測(cè)試使PXIe接口FC仿真卡最大限度的得到驗(yàn)證；性能拷機(jī)方面，PXIe接口FC仿真卡分別與航電系統(tǒng)中的FC接口節(jié)點(diǎn)機(jī)及交換機(jī)進(jìn)行了長時(shí)間通信拷機(jī)測(cè)試，從而為其將來的批產(chǎn)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的性能基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)PXIe接口FC仿真卡模塊設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)理念、軟硬件實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證工作分別進(jìn)行了介紹。通過介紹，進(jìn)一步明確了光纖通道技術(shù)進(jìn)行地面仿真的重要性及光纖通道在PC機(jī)Windows環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)的可實(shí)施性。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 徐亞軍.熊華鋼.未來航電系統(tǒng)FC 互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].電光與控制，2004.