基于CPCI系统的高速数字通信接口电路设计与应用

Posted 2023-03-22

参考技术A

基于CPCI系统的高速数字通信接口电路设计与应用

　　在CPCI系统环境下高速数字通信AFDX协议端系统接口的电路设计与功能实现。采用Verilog编程实现基于FPGA的硬件设计部分，采用C编程实现基于MicroBlaze的嵌入式软件设计。

　　0 引 言

　　随着通信技术的高速发展，嵌入式系统对数据传输速率的要求更高。在航空等军用电子设备中，实现信号处理算法的数字信号处理机，起着至关重要的作用。CPCI总线技术有效解决了高速互联问题。

　　20世纪90年代，PCI总线技术被广泛应用，但是它可靠性较低，无法满足对正常运行时间要求较高的高可用性系统。加之其主板连接器可靠性低，更换时易被损坏。CPCI的高带宽特点，决定了其适用于高速数据通信场合。随着国外著名计算机系统公司基于CPCI产品和方案的推广及PICMG/PRC对CPCI技术的宣传，我国工业控制领域越来越多地把CPCI应用于高性能嵌入式系统之中。本文研究了在CPCI系统环境下高速数字通信AFDX协议端系统接口的电路设计与功能实现。采用Verilog编程实现基于FPGA的硬件设计部分，采用C编程实现基于MicroBlaze的嵌入式软件设计。

　　1 基于FPGA的硬件设计

　　1.1 MAC模块、FIFO模块和MII模块

　　FIFO模块分为接收FIFO和发送FIFO，通过调用IP核来实现。本文所设计的MAC模块和FIFO模块的基本结构如图1所示。MAC核通过MII接口和PHY芯片进行外部通信，通过发送FIFO和接收FIFO进行FPGA内部数据的通信。

　　1.2 CRC模块

　　CRC模块通过检验数据的CRC值，判决接收的数据的正确性和有效性。在数据包被发送后，紧接着该数据包的4 B CRC也会被发送。接收者通过数据包和CRC数据就可以得出新的CRC值。若新CRC值为0，表明接收和发送的数据不一致，crc_error将会置1。其管脚定义如表2所示。

　　1.3 规整模块和冗余管理模块

　　规整模块根据每条VL的BAG，Lmax值，对其数据流进行规整。具体方式为：当该VL的BAG时间达到，且Jitter在最大抖动的范围内、帧长小于Lmax，则置FTT标识有效，此时多路复用器模块会申请对该VL进行调度;反之，不能对该VL进行调度。将固定带宽分配给每个VL，等价于把接收端与发送端之间的数据传输限制在一个BAG内，即在一个BAG内只有一次数据传输，如果数据包过大，将其分为多个帧进行发送，也将会在各自的BAG内进行发送。所以，为了保证任意时间段使用的带宽都是可以被确定的，必须把一个时间段合理地分配给不同的终端系统使用，规整器的输入输出示意图如图3所示。

　　从图3可看出，两个数据帧之间的长度大于BAG，那么正常接收;当两个数据帧之间的长度小于一个BAG，就将后一个数据帧移动到第二个BAG的起始位置。 　　在AFDX网络中，通过不同的AFDX网络交换机将两个互为冗余的帧传递到同一个目的端系统。只要交换机输出端口的输入流量大于输出流量，就必定会产生交换延迟。因为不同的交换机的交换延迟不是确定值，所以两个互为冗余的帧到达目的端的时间间隔也是不确定的。设计时，将SkewMax(最大偏斜)用于AFDX的接收冗余管理中以便对冗余帧的接收时间进行限制。冗余管理模块的功能是对接收帧的有效性进行验证，并将重复的有效帧进行消除。冗余管理模块的框图如图4所示。

　　1.4 发送和接收模块

　　发送数据的基本过程如下：要发送数据时，将待发送数据传输到MAC的发送缓存中，发送缓存接收到的数据达到设定值时，数据发送模块开始进行帧间隔计时;发送帧的前导码;发送帧起始定界符;帧长计数、CRC校验和计算，同时将数据按半位元组(4 b)发送给MII接口;在发送过程中，如果MAC检测到该帧的长度小于最小帧长(64 B)，则进行数据填充达到64 B为止。

　　AFDX发送部分的状态机如图6所示，发送数据主要包括等待、数据长度检测、插入前导码和帧起始界定符、数据发送以及CRC校验结果状态。系统在工作的时候，一直处于wait状态，当需要发送数据的时候，状态机将进入下一个状态从而开始数据的发送。

　　接收为发送的反过程，首先对接收到的4位信息进行帧检测，当检测到前导码和帧起始定界符的时候，则认为一帧数据接收到了，然后开始对数据帧进行解析，得到帧数据中的各类数据信息。

　　AFDX接收过程如下：数据通过PHY芯片解码后进入到MAC 核，然后进入接收FIFO。当MAC接收到数据有效后，从MII接口读入数据后检测前导码和帧起始定界符，当检测到有效的帧起始定界符，就会开始对帧长进行计数。接收模块在接收数据的过程中将已接收到的帧的`前导域，SFD域，CRC域和PAD域进行剥离。

　　2 基于MicroBlaze的软件设计

　　2.1 设计说明

　　在MicroBlaze中将主要完成AFDX协议栈中UDP层和IP层的数据发送和接收部分，对数据进行封装、解析和控制。发送部分主要完成以下几个工作：当一个帧数据进入AFDX端口时，发送部分就开始对该帧数据进行封装，其中UDP层将对数据添加UDP头，包括源和目标UDP端口号。IP层将UDP层处理完的数据添加IP 包头和以太网头，然后送入虚链路层并添加序列号。接收部分主要完成如下几个工作：当一个帧信号通过PHY解码送入MAC后，通过接收FIFO送入AFDX接收模块，那么接收过程开始。在链路层首先对该帧信号进行完整性检测和冗余管理，然后进入IP层，进行IP 校验和检查，然后送入UDP层，通过多路分配器后将对应的帧数据发送出去，实现数据的解封装功能。

　　2.2 设计流程

　　基于MicroBlaze的系统设计需要分别对系统的硬件和软件进行协同编译。完成MicroBlaze的软件设计之后，将MicroBlaze作为ISE工程下的一个子模块进行调用。为了验证程序的正确性，利用ISE调用ModelSim对其进行仿真。具体做法是在ISE工程中添加一个以MicroBlaze处理器为基础的IP核，并编写测试文件，为处理器的输入信号提供激励，输出信号提供端口。

　　3 测试与验证

　　两个MAC核的仿真意义是相同的，所以针对第一个MAC核的仿真波形进行说明。mii_tx_en_0为帧使能信号，当MAC核正常工作时，有数据发送的时候该信号为1;当发送为0的时候，该信号使能为0，mii_txd_0为发送的数据。当有接收信号进入MAC核时，mii_rx_dv_0为高电平，对应的数据为接收的数据;当接收的数据发生错误时，mii_rx_er_0会出现高电平，如果接收到的数据没有发生错误，那么该信号为低电平。

　　在接收端，判断接收数据的CRC计算结果是否为0，如果为1，则表明接收过程中有CRC校验错误。CRC 校验模块的仿真结果如图11所示。由图11可以看出，对接收到的数据以及发送过来的这些数据的CRC 校验值(d19167bc)一起计算，计算出来的校验值为0，证明接收的数据没有问题。

　　规整模块的仿真数据如图12所示。此处接收到的数据位1，2，3，4，…是不等间隔的，通过规整之后输出的数据1，2，3，4是等间隔的，这个模块的初始输出数据是错误的，所以会重复输出第一帧的数据，后面将输出正确的数据。

　　主机要发送数据时，首先给MAC的发送缓存中发送数据。发送缓存接收到的数据与设定值相符时，开始进行长度检测，检测完成后，数据发送模块开始进行帧间隔计时。根据帧计数器的值开始发送帧的前导码、帧起始定界符，将4位数据发送给MII接口，最后把数据从物理层发送到网络介质上。发送模块的仿真结果如图13所示。

　　此处仿真波形的信号i_start_or_not为高电平时，AFDX 发送模块开始工作，i_data为需要发送的数据，i_data_number为需要发送数据的个数，i_aim_address 为发送信号的目标地址，i_orig_address为发送的源地址，i_head_ip为发送信号的IP头，i_head_udp为发送信号。当发送开始时，系统首先检测需要发送的数据长度，如果数据长度大于64，则开始发送，如果发送数据长度小于64，那么进行填充，补充到64为止。通过AFDX发送模块，得到发送的帧数据o_AFDX_data以及帧信号对应的帧使能信号o_afdx_frame，完成了数据的正常发送。

　　接收模块的仿真结果如图14所示。当外部数据通过PHY解码后进入MAC核，接收端开始进入接收状态机，首先检测前导码和帧起始界定符。如果检测正确，那么系统进入下一个状态。从图14的仿真结果可以看出，当检测完前导码和帧起始界定符时，current_state将进入下一个状态。然后开始接收数据，o_data就为接收到的数据。 　　4 结 论

　　本文在对航空全双工以太网(AFDX)协议深入研究的基础上，介绍了一种通用信号处理平台中的一块AFDX接口板卡，该板卡扣在相应的XMC载卡上应用于CPCI系统中。该板卡XMC传输速率为3.125 Gb/s，可高速传输RapidIO协议数据，兼容32 b PCI接口和LINK口协议。由于该板卡支持多种接口模式的背板，为各种高速板卡之间的互联提供了平台。

　　基于AFDX接口板卡，采用FPGA设计了一种AFDX端系统接口功能的实现方法，该方法基于FPGA的硬件设计和基于MicroBlaze的嵌入式软件设计，采用FPGA和PHY芯片实现End System端的AFDX接口，完成传输层(UDP)、网络层(IP)、链路层(Virtual Link)及物理层(PHY)四层协议数据传输，使得该接口具备实时、可靠传输AFDX 数据的能力。由于该网络协议比较复杂，开发设计具有一定难度。本文的设计基本实现了AFDX端系统的接口发送和接收功能，基本达到了预期目标。AFDX端系统作为AFDX网络协议的重要组成部分，为航空电子系统提供了安全可靠的数据交换服务接口，今后必会得到更加广泛的应用。

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