機載設備數據交叉傳輸方案設計分析
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摘要：隨著機載設備高集成和高綜合化的發展，其可靠性要求越來越高，為了提高雙余度計算機的可靠性和處理性能，文章針對機載設備多通道數據高速共享需求設計了一種基于FPGA的具有通道隔離功能的數據交叉傳輸方案，該方案利用FPGA并行工作的優點實現采集數據自動交叉傳輸，解放了CPU資源。平臺仿真驗證和板級測試結果表明該方案能夠有效提高整機的可靠性和軟件運行效率。
關鍵詞：CCDL；雙余度；SPI通訊；時序設計
引言
在當前的嵌入式計算機模塊設計中，隨著模塊集成度的提高，大規模FPGA因為其具備可編程，性能高，且利于集成等優勢，得到廣泛使用。文章針對機電管理計算機系統，設計了一種基于FPGA實現的板間CCDL電路，它能實現板間雙通道采集數據的實時共享和控制指令的熱備份，具有數據傳輸可靠，防止故障蔓延等功能[1]。
1方案設計
CCDL功能主要用于RIU內部雙通道之間的數據交互，由于雙通道位于同一機箱內部，CCDL設計應盡量滿足簡單、可靠，且當通道故障時應將故障隔離，防止故障蔓延[2]。基于FPGA的總線雙余度硬件數據交叉傳輸系統方案如圖1所示，通道A和通道B為同一硬件模塊上的兩部分獨立電路，兩個通道之間通過數字隔離器實現硬件電路隔離并提供數據傳輸通路。該方案交聯信號在產品內部具有如下特點：a)每個通道獨立采集輸入信號；b)每個通道獨立進行信號輸出；c)接口采集數據通過CCDL實現自動轉發，兩個通道都可以獲取所有采集接口的數據；每個通道的FPGA經過輸出表決策略通過輸出接口進行輸出控制，當本通道總線有效且CPU有效時，采信本通道輸出命令；當本通道總線失效或CPU失效時，采信經CCDL傳輸過來的對方通道的輸出命令。
2硬件電路設計
基于FPGA的CCDL電路可以實現數據的自動轉發，該技術的實現使得CPU對底層數據的訪問實現透明化操作，通道內FPGA采集到所有數據后，按照固定周期將數據自動發送到對方通道，這樣每個通道的CPU均可以訪問到兩個通道的所有采集數據及輸出接口的輸出狀態。如圖2所示，A通道的采集數據一方面存儲在FPGA_A中供本通道CPU訪問，另一方面通過CCDL發送器發送至B通道供B通道CPU訪問；A通道的輸出控制一方面可以接收本通道CPU發出的控制指令，另一方面也可以通過CCDL接收器接收B通道CPU發出的指令。同樣的，B通道也可以接收A通道的采集數據且為A通道發送輸出控制指令。在上述數據交叉共享的基礎上結合余度處理策略即可實現整機的雙余度管理。由于SPI總線可以實現20M甚至更高的傳輸速率，根據參考文獻[3]的研究成果，基于FPGA的SPI通訊可通過擴展數據線進一步提高數據傳輸速率，因此可以保證數據傳輸速率遠大于外部傳感器數據變化速率，能夠滿足機電系統的實時性要求。
3FPGA邏輯設計與驗證
3.1時序設計
兩個通道之間通過SPI串行總線通訊，每個通道FPGA的發送單元為SPI主機，FPGA的接收單元為SPI從機，SPI采用3線制進行通訊。如圖3所示，為SPI串行通訊的時序圖，每一幀數據流由26bit數據組成，MSB優先，其中前8bit為數據幀地址，第10、11bit為保留位，最后16bit為幀數據。每一幀數據的首個數據位在CS信號下降沿后的第一個SCK上升沿有效，隨后的25個數據位在SCK的下降沿逐個輸出并在SCK的上升沿保持有效。SPI主機定時發送數據給SPI從機，從機接收數據并存儲在FPGA內部的DPRAM中供CPU訪問。CCDL數據傳輸過程由FPGA周期自主完成，不需要CPU參與，解放了CPU資源。
3.2仿真驗證
為了方便驗證在激勵文件中，將CCDL的A、B通道SPI接口在激勵文件中進行連接。如圖4所示，在系統復位之后。CCDL控制器A、B通道的數據發送模塊依次從本通道FPGA內部各個模塊讀取緩存數據，按照SPI協議自動將數據周期地發送至對方通道的數據接收模塊，完成數據自動交叉傳輸。SPI發送模塊將數據按照8位地址+2位保留+16位數據的格式進行編碼發送，串行數據在時鐘的下降沿更新，上升沿保持。如圖5所示，第1幀數據包地址為0x01，數據為0x6311，保留位為0b11，串行數據線上的發送數據與上述數據定義一致。由于CCDL的發送接口和接收接口進行了回繞，SPI發送端輸出后，接收端同時也收到了串行數據，SPI接收端在串行時鐘的上升沿對串行數據進行采樣，當片選信號撤銷即一幀數據接收完成后，按照發送的定義的數據格式對接收數據進行解析。如圖5所示，串行數據線上接收到的26位數據為0x0076311，解析后地址信息為0x01，數據信息為0x6311，保留位為0b11，接收到的數據與發送端數據一致。
4結束語
文章針對機載設備雙余度系統中的數據共享設計了一種數據交叉傳輸方案，該方案硬件上采用數字隔離器進行通道之間的電氣隔離，防止故障蔓延，數據傳輸采用FPGA實現數據編碼和解碼并按照SPI傳輸協議進行發送和接收，CCDL輸出傳輸過程完全由FPGA自主完成，解放了CPU資源有效提升了余度處理計算機的性能。
參考文獻
[1]劉明,朱守園,王婷.一種雙余度交叉通道鏈路的設計與實現[J].航空計算技術,2019,49(01):106-108+111..
[2]周勇,王博,白晨.一種基于1394B的CCDL設計與實現[J].信息通信,2019(05):291-292.
[3]孫少華,屈盼讓,肖鵬,李慶楠.基于多FPGA的增強型SPI通信研究[J].電子測試,2018(04):83-84+61.
作者：孫少華 屈盼讓 蔡曉樂 單位：航空工業西安航空計算技術研究所