eng
Выпуск #3/2005
В.Коснырев.
Микросхемы компании Holt Integrated Circuits для последовательной шины MIL-STD-1553
Микросхемы компании Holt Integrated Circuits для последовательной шины MIL-STD-1553
Просмотры: 3602
Калифорнийская компания Holt Integrated Circuits (Holt IC) – один из основных мировых производителей микросхем для авионики. Более 13 лет Holt IC производит микросхемы для устройств обмена данными между бортовыми электронными системами летательных аппаратов, соответствующие стандартам MIL-STD-1553/1760/883, ARINC 429/561 и др. Предлагая комплексные решения, компания производит помимо микросхем согласующие и разделительные трансформаторы для линий последовательной передачи данных, а также контроллеры для бортовых ЖК-дисплеев. Изделия Holt IC выпускаются в различных исполнениях, рассчитанных на военное, промышленное и коммерческое применение в широких диапазонах условий внешней среды. Свыше 350 производителей, в том числе в России и на Украине, используют продукцию этой фирмы.
Рассмотрим серию микросхем Holt IC для линии последовательной передачи данных стандарта MIL-STD-1553.
Рассмотрим серию микросхем Holt IC для линии последовательной передачи данных стандарта MIL-STD-1553.
Стандарт MIL-STD-1553
Стандарт последовательной шины MIL-STD-1553 (обозначение военного стандарта США) – это фактически первый в мире стандарт на протокол локальной вычислительной сети. Его разработка началась в 1968 году известной в США организацией Society of Automotive Engineers (SAE). Первая версия была утверждена в августе 1973 года и использована в бортовой аппаратуре истребителя F-16. В 1975 году появилась версия 1553А, еще через три года – MIL-STD-1553B. С тех пор стандарт принципиально не изменялся, хотя и появилось два дополнения (Notice 1 и 2). Одним из развитий стандарта стала спецификация MIL-STD-1760, предназначенная для сопряжения бортовой сети с устройствами хранения данных и фактически полностью включившая в себя MIL-STD-1553B.
MIL-STD-1553B сегодня – это практически общемировой стандарт, признанный и поддерживаемый производителями аппаратуры и элементной базы многих стран. Одно из типичных применений сетей MIL-STD-1553 – связь датчиков с регистратором событий ("черным ящиком"). Несмотря на свой почтенный возраст, стандарт не утратил актуальности и поныне, он с успехом применяется в бортовой аппаратуре (прежде всего – авиационной и космической) и системах гражданского и специального назначения. В нашей стране он получил достаточно широкое распространение и был утвержден как ГОСТ Р 52070-2003 (ГОСТ 26765.52-87).
Основные положениЯ MIL-STD-1553B
Топология сети, предусмотренная стандартом MIL-STD-1553, – это последовательная шина данных (экранированная витая пара), к которой посредством шлейфов подключены устройства. Допустимые устройства – контроллер шины (в терминологии ГОСТ Р 52070-2003 – управляющий вычислитель), монитор шины и удаленные терминалы.
Вся работа в сети проходит исключительно под управлением контроллера шины. Он, и только он, инициирует любой обмен информацией в сети. Контроллер может обращаться к любому из 31 удаленного терминала, каждому из которых присвоен уникальный адрес (5 бит). У контроллера адреса может не быть. Монитор шины – устройство, также подключенное к шине данных. Но он ведет себя абсолютно пассивно и занимается только отслеживанием и записью передаваемой по шине информации. Монитор сети зачастую совмещают с удаленным терминалом.
Информационный поток кодируется посредством так называемого бифазного кода Манчестер-2 – пожалуй, самого простого самосинхронизирующегося линейного кода. Его суть: логическая "1" кодируется импульсом длительностью Т с перепадом от положительного (U) до отрицательного (-U) напряжения, логический "0" – таким же импульсом, но с перепадом от -U до U (рис.1). В результате с заданной частотой, равной 1/Т, напряжение в линии оказывается равным нулю, что и определяет самосинхронизирующие свойства кода. Значение же информационного бита определяется исключительно направлением перехода сигнала через ноль (от плюса к минусу или наоборот) и не зависит от амплитуды сигналов, что существенно снижает требования к линии передачи. Достаточно сказать, что длина шины данных стандартом не нормирована и может достигать сотен метров.
MIL-STD-1553 определяет частоту следования импульсов порядка 1 МГц, соответственно, скорость обмена – 1 Мбит/с. Разумеется, реальная скорость обмена, с учетом накладных расходов на синхронизацию и служебные данные, существенно ниже.
Весь информационный обмен в сети происходит посредством слов длиной 20 битовых интервалов. Из них первые три битовых интервала предназначены для синхропоследовательности, последний – для бита контроля четности. Синхропоследовательность (SYNC) представляет собой импульс длительностью в три битовых интервала с переходом через ноль в середине второго интервала. Направление перехода через ноль определяет тип слова: отрицательный перепад (от U к -U) предшествует командному слову или слову статуса, положительный – слову данных (рис.2).
Коротко рассмотрим механизм обмена в сети. Инициатором любой активности, как уже говорилось, выступает только контроллер шины. Он выдает в сеть командные слова (команды), посредством которых принуждает удаленные терминалы к определенным действиям, включая прием и передачу данных. Командное слово после синхропоследовательности содержит пять бит адреса удаленного терминала, которому предназначена команда (см. рис.2). Адрес 111112 зарезервирован для широковещательной команды. За адресом размещен бит T/R, предписывающий удаленному терминалу направление предстоящего обмена – прием или передачу данных (если он равен 1, удаленный терминал должен передавать данные).
Далее следуют пять бит поля субадреса или признака так называемого кода режима (Mode Code). В последнем случае значения этих полей – 111112 или 000002. Иные коды означают субадрес – обращение к определенным функциям или устройствам подключенной через удаленный терминал системы (например, код 000012 может означать скорость передачи данных, 000102 – тестовую информацию и т.п.).
Последние пять информационных бит командного слова – это счетчик слов/код режима (в зависимости от того, установлен в предыдущем поле признак кода режима или нет). Счетчик слов показывает, сколько слов данных должно быть передано/принято вслед за командой (до 32 слов данных, значение 000002 соответствует 32 словам). Код режима (Mode Code) – это специальные команды, оговоренные в стандарте MIL-STD-1553 (динамический контроль шины, синхронизация, передача слова состояния и т.п.).
Данные в сети передаются посредством слов данных, в которых для этого отведено 16 бит. Начало передачи слов данных возможно только после командного слова.
Слова статуса – это короткие сообщения, с помощью которых удаленные терминалы информируют контроллер шин об ошибках приема, о своем состоянии и исправности подключенного к ним оборудования, подтверждают прием команды и данных и т.п.
Наборы слов (команд данных и статуса) формируют сообщения. В терминологии MIL-STD-1553 сообщения – это устойчивые формы информационного обмена. Всего предусмотрено 10 типов сообщений. Например, передача данных от контроллера шины к удаленному терминалу происходит посредством сообщения вида
<Команда приема [адрес удаленного терминала]>
<Слово данных 1> <Слово даных 2> … <Слово данных N> <Слово статуса (подтверждение приема)>
Сообщение передачи данных между двумя удаленными терминалами выглядит как
<Команда приема [адрес удаленного терминала 1]>
<Команда передачи [адрес удаленного терминала 2]>
<Слово статуса (подтверждение приема команды от тримнала 2)> <Слово данных 1> <Слово даных 2> … <Слово данных N>
<Слово статуса (подтверждение приема данных от терминала 1)>
Важно отметить, что поскольку стандарт MIL-STD-1553 разрабатывался для специальных применений, требующих высокой надежности работы сети, зачастую в реальных сетях одновременно используются две шины данных. Причем и контроллер шины, и удаленные терминалы подключены к каждой из них (рис.3). Эти шины могут использоваться как независимо, так и в качестве основной и дублирующей. Часто на схемах их обозначают как шины А и В. Поэтому практически все современные ИС трансиверов для сетей стандарта MIL-STD-1553 содержат две пары приемник/передатчик.
Подключение устройств к шине данных возможно двумя способами – напрямую (через разделительные резисторы) и через согласующий трансформатор. В первом случае нормированная длина шлейфа – 1 фут. Используя же согласующий трансформатор, можно удалить устройство от шины на 20 футов (т.е. свыше 6 м).
Элементная база компании Holt IC для стандарта MIL-STD-1553B
Одним из наиболее известных и признанных мировых производителей электронных компонентов для шины данных стандарта MIL-STD-1553/1760 является компания Holt IC. Одна из ее последних разработок в данной области – специальная серия микросхем сдвоенных трансиверов и кодека Манчестер-2 (см. таблицу). Все они выполнены на основе КМОП-технологии с низким энергопотреблением.
Блок-схемы всех трансиверов данной серии практически одинаковы (рис.4). Наиболее простыми являются ИС HI-1567 / HI-1568. Они содержат по два трансивера (каналы А и В). ИС трансиверов HI-1573 / HI-1574 отличаются от них пониженным до 3,3 В напряжением питания. При этом размах напряжения бифазного сигнала, поступающего в шину данных, остается не менее 7,5 В – как у 5-В микросхем. Отметим, что снижение до 3,3 В напряжения питания у трансиверов HI-1573/HI-1574 нисколько не влияет на их помехоустойчивость, как этого можно было бы ожидать, учитывая предполагаемые условия эксплуатации.
Для передатчиков входными сигналами являются двоичные последовательности в коде Манчестер-2 (с КМОП/ТТЛ-уровнями), поступающие от кодера на прямой и инверсный входы ТХ А/В. Передатчики преобразуют их в дифференциальный бифазный сигнал (рис.5) с размахом 7,5 В, который через разделительный трансформатор и схему сопряжения поступает в шину данных. Если значения сигналов на прямом и инверсном входах передатчика совпадают, его выходы переводятся в высокоимпедансное состояние. Для этой же цели служит вход TXINH A/B.
Приемник реализует обратную функцию – преобразует биполярный сигнал в сигнал с уровнями КМОП/ТТЛ для сопряжения с декодером. У каждого приемника есть отдельный вход RXEN A/B, подача на который "0" приводит к появлению на выходе приемника ИС HI-1567 логического "0", а на выходе HI-1568 – логической "1". В этом – единственное различие данных микросхем, такое же, как и в паре HI-1573 / HI-1574.
Сдвоенный трансивер HI-1570 позволяет изменять напряжение выходного сигнала передатчика. При подаче сигнала "0" на вход RXEN А/В приемника на выходе появится логический "0", как у трансивера HI-1567.
Кодек Манчестер-2 в серии микросхем компании Holt IC представлен ИС HI-15530, содержащей независимые кодер и декодер Манчестер-2. Кодер преобразует двоичные данные (по 16 бит) в формат Манчестер-2, вычисляет и добавляет к ним бит контроля четности, а также формирует синхоропоследовательность заданного типа и добавляет ее в начало 20-битного слова стандарта MIL-STD-1553. Декодер непрерывно контролирует линию и, как только распознает синхропоследовательность и два правильных бита данных в формате Манчестер-2, приступает к декодированию всего слова, выдавая двоичные данные в формате без возврата к нулю (NRZ). Он также определяет тип слова по синхропоследовательности и производит контроль четности принятого слова.
Шина данных, несмотря на свою простую структуру, требует тщательности в согласовании импедансов линии и подключаемых устройств (рис.6). Компания Holt IC выпускает разнообразные согласующие и разделительные трансформаторы для использования с ИС ее производства. Такой комплексный подход компании Holt IC максимально упрощает проектирование, построение и наладку последовательной шины данных, сводит все к решению типовой задачи по стандартному алгоритму.
В заключение добавим, что описанная серия ИС компании Holt IC для передачи данных по стандартам MIL-STD-1553/1760 сегодня применяется не только в авиакосмических и оборонных областях. Простота построения ЛВС с помощью этой серии ИС, высокая скорость передачи и надежность привлекают внимание разработчиков оборудования для скоростного железнодорожного транспорта, промышленной автоматики, медицины и т.д.
Стандарт последовательной шины MIL-STD-1553 (обозначение военного стандарта США) – это фактически первый в мире стандарт на протокол локальной вычислительной сети. Его разработка началась в 1968 году известной в США организацией Society of Automotive Engineers (SAE). Первая версия была утверждена в августе 1973 года и использована в бортовой аппаратуре истребителя F-16. В 1975 году появилась версия 1553А, еще через три года – MIL-STD-1553B. С тех пор стандарт принципиально не изменялся, хотя и появилось два дополнения (Notice 1 и 2). Одним из развитий стандарта стала спецификация MIL-STD-1760, предназначенная для сопряжения бортовой сети с устройствами хранения данных и фактически полностью включившая в себя MIL-STD-1553B.
MIL-STD-1553B сегодня – это практически общемировой стандарт, признанный и поддерживаемый производителями аппаратуры и элементной базы многих стран. Одно из типичных применений сетей MIL-STD-1553 – связь датчиков с регистратором событий ("черным ящиком"). Несмотря на свой почтенный возраст, стандарт не утратил актуальности и поныне, он с успехом применяется в бортовой аппаратуре (прежде всего – авиационной и космической) и системах гражданского и специального назначения. В нашей стране он получил достаточно широкое распространение и был утвержден как ГОСТ Р 52070-2003 (ГОСТ 26765.52-87).
Основные положениЯ MIL-STD-1553B
Топология сети, предусмотренная стандартом MIL-STD-1553, – это последовательная шина данных (экранированная витая пара), к которой посредством шлейфов подключены устройства. Допустимые устройства – контроллер шины (в терминологии ГОСТ Р 52070-2003 – управляющий вычислитель), монитор шины и удаленные терминалы.
Вся работа в сети проходит исключительно под управлением контроллера шины. Он, и только он, инициирует любой обмен информацией в сети. Контроллер может обращаться к любому из 31 удаленного терминала, каждому из которых присвоен уникальный адрес (5 бит). У контроллера адреса может не быть. Монитор шины – устройство, также подключенное к шине данных. Но он ведет себя абсолютно пассивно и занимается только отслеживанием и записью передаваемой по шине информации. Монитор сети зачастую совмещают с удаленным терминалом.
Информационный поток кодируется посредством так называемого бифазного кода Манчестер-2 – пожалуй, самого простого самосинхронизирующегося линейного кода. Его суть: логическая "1" кодируется импульсом длительностью Т с перепадом от положительного (U) до отрицательного (-U) напряжения, логический "0" – таким же импульсом, но с перепадом от -U до U (рис.1). В результате с заданной частотой, равной 1/Т, напряжение в линии оказывается равным нулю, что и определяет самосинхронизирующие свойства кода. Значение же информационного бита определяется исключительно направлением перехода сигнала через ноль (от плюса к минусу или наоборот) и не зависит от амплитуды сигналов, что существенно снижает требования к линии передачи. Достаточно сказать, что длина шины данных стандартом не нормирована и может достигать сотен метров.
MIL-STD-1553 определяет частоту следования импульсов порядка 1 МГц, соответственно, скорость обмена – 1 Мбит/с. Разумеется, реальная скорость обмена, с учетом накладных расходов на синхронизацию и служебные данные, существенно ниже.
Весь информационный обмен в сети происходит посредством слов длиной 20 битовых интервалов. Из них первые три битовых интервала предназначены для синхропоследовательности, последний – для бита контроля четности. Синхропоследовательность (SYNC) представляет собой импульс длительностью в три битовых интервала с переходом через ноль в середине второго интервала. Направление перехода через ноль определяет тип слова: отрицательный перепад (от U к -U) предшествует командному слову или слову статуса, положительный – слову данных (рис.2).
Коротко рассмотрим механизм обмена в сети. Инициатором любой активности, как уже говорилось, выступает только контроллер шины. Он выдает в сеть командные слова (команды), посредством которых принуждает удаленные терминалы к определенным действиям, включая прием и передачу данных. Командное слово после синхропоследовательности содержит пять бит адреса удаленного терминала, которому предназначена команда (см. рис.2). Адрес 111112 зарезервирован для широковещательной команды. За адресом размещен бит T/R, предписывающий удаленному терминалу направление предстоящего обмена – прием или передачу данных (если он равен 1, удаленный терминал должен передавать данные).
Далее следуют пять бит поля субадреса или признака так называемого кода режима (Mode Code). В последнем случае значения этих полей – 111112 или 000002. Иные коды означают субадрес – обращение к определенным функциям или устройствам подключенной через удаленный терминал системы (например, код 000012 может означать скорость передачи данных, 000102 – тестовую информацию и т.п.).
Последние пять информационных бит командного слова – это счетчик слов/код режима (в зависимости от того, установлен в предыдущем поле признак кода режима или нет). Счетчик слов показывает, сколько слов данных должно быть передано/принято вслед за командой (до 32 слов данных, значение 000002 соответствует 32 словам). Код режима (Mode Code) – это специальные команды, оговоренные в стандарте MIL-STD-1553 (динамический контроль шины, синхронизация, передача слова состояния и т.п.).
Данные в сети передаются посредством слов данных, в которых для этого отведено 16 бит. Начало передачи слов данных возможно только после командного слова.
Слова статуса – это короткие сообщения, с помощью которых удаленные терминалы информируют контроллер шин об ошибках приема, о своем состоянии и исправности подключенного к ним оборудования, подтверждают прием команды и данных и т.п.
Наборы слов (команд данных и статуса) формируют сообщения. В терминологии MIL-STD-1553 сообщения – это устойчивые формы информационного обмена. Всего предусмотрено 10 типов сообщений. Например, передача данных от контроллера шины к удаленному терминалу происходит посредством сообщения вида
<Команда приема [адрес удаленного терминала]>
<Слово данных 1> <Слово даных 2> … <Слово данных N> <Слово статуса (подтверждение приема)>
Сообщение передачи данных между двумя удаленными терминалами выглядит как
<Команда приема [адрес удаленного терминала 1]>
<Команда передачи [адрес удаленного терминала 2]>
<Слово статуса (подтверждение приема команды от тримнала 2)> <Слово данных 1> <Слово даных 2> … <Слово данных N>
<Слово статуса (подтверждение приема данных от терминала 1)>
Важно отметить, что поскольку стандарт MIL-STD-1553 разрабатывался для специальных применений, требующих высокой надежности работы сети, зачастую в реальных сетях одновременно используются две шины данных. Причем и контроллер шины, и удаленные терминалы подключены к каждой из них (рис.3). Эти шины могут использоваться как независимо, так и в качестве основной и дублирующей. Часто на схемах их обозначают как шины А и В. Поэтому практически все современные ИС трансиверов для сетей стандарта MIL-STD-1553 содержат две пары приемник/передатчик.
Подключение устройств к шине данных возможно двумя способами – напрямую (через разделительные резисторы) и через согласующий трансформатор. В первом случае нормированная длина шлейфа – 1 фут. Используя же согласующий трансформатор, можно удалить устройство от шины на 20 футов (т.е. свыше 6 м).
Элементная база компании Holt IC для стандарта MIL-STD-1553B
Одним из наиболее известных и признанных мировых производителей электронных компонентов для шины данных стандарта MIL-STD-1553/1760 является компания Holt IC. Одна из ее последних разработок в данной области – специальная серия микросхем сдвоенных трансиверов и кодека Манчестер-2 (см. таблицу). Все они выполнены на основе КМОП-технологии с низким энергопотреблением.
Блок-схемы всех трансиверов данной серии практически одинаковы (рис.4). Наиболее простыми являются ИС HI-1567 / HI-1568. Они содержат по два трансивера (каналы А и В). ИС трансиверов HI-1573 / HI-1574 отличаются от них пониженным до 3,3 В напряжением питания. При этом размах напряжения бифазного сигнала, поступающего в шину данных, остается не менее 7,5 В – как у 5-В микросхем. Отметим, что снижение до 3,3 В напряжения питания у трансиверов HI-1573/HI-1574 нисколько не влияет на их помехоустойчивость, как этого можно было бы ожидать, учитывая предполагаемые условия эксплуатации.
Для передатчиков входными сигналами являются двоичные последовательности в коде Манчестер-2 (с КМОП/ТТЛ-уровнями), поступающие от кодера на прямой и инверсный входы ТХ А/В. Передатчики преобразуют их в дифференциальный бифазный сигнал (рис.5) с размахом 7,5 В, который через разделительный трансформатор и схему сопряжения поступает в шину данных. Если значения сигналов на прямом и инверсном входах передатчика совпадают, его выходы переводятся в высокоимпедансное состояние. Для этой же цели служит вход TXINH A/B.
Приемник реализует обратную функцию – преобразует биполярный сигнал в сигнал с уровнями КМОП/ТТЛ для сопряжения с декодером. У каждого приемника есть отдельный вход RXEN A/B, подача на который "0" приводит к появлению на выходе приемника ИС HI-1567 логического "0", а на выходе HI-1568 – логической "1". В этом – единственное различие данных микросхем, такое же, как и в паре HI-1573 / HI-1574.
Сдвоенный трансивер HI-1570 позволяет изменять напряжение выходного сигнала передатчика. При подаче сигнала "0" на вход RXEN А/В приемника на выходе появится логический "0", как у трансивера HI-1567.
Кодек Манчестер-2 в серии микросхем компании Holt IC представлен ИС HI-15530, содержащей независимые кодер и декодер Манчестер-2. Кодер преобразует двоичные данные (по 16 бит) в формат Манчестер-2, вычисляет и добавляет к ним бит контроля четности, а также формирует синхоропоследовательность заданного типа и добавляет ее в начало 20-битного слова стандарта MIL-STD-1553. Декодер непрерывно контролирует линию и, как только распознает синхропоследовательность и два правильных бита данных в формате Манчестер-2, приступает к декодированию всего слова, выдавая двоичные данные в формате без возврата к нулю (NRZ). Он также определяет тип слова по синхропоследовательности и производит контроль четности принятого слова.
Шина данных, несмотря на свою простую структуру, требует тщательности в согласовании импедансов линии и подключаемых устройств (рис.6). Компания Holt IC выпускает разнообразные согласующие и разделительные трансформаторы для использования с ИС ее производства. Такой комплексный подход компании Holt IC максимально упрощает проектирование, построение и наладку последовательной шины данных, сводит все к решению типовой задачи по стандартному алгоритму.
В заключение добавим, что описанная серия ИС компании Holt IC для передачи данных по стандартам MIL-STD-1553/1760 сегодня применяется не только в авиакосмических и оборонных областях. Простота построения ЛВС с помощью этой серии ИС, высокая скорость передачи и надежность привлекают внимание разработчиков оборудования для скоростного железнодорожного транспорта, промышленной автоматики, медицины и т.д.
Отзывы читателей
