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第21卷 第20期
Vo1.2 1 No.2O
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2013年1O月
Oct.2013
基亏ARM—Linux的1553B仿真测试前端系统
王彬1,2,3,张涛
(1.中国科学院空间应用工程与技术中心,北京100094;
2.中国科学院大学北京100049;3.中国科学院光电研究院,北京100094)
摘要:针对1553B总线仿真测试融入到分布式测试系统中的需求,提出了一种基于ARM和Linux的仿真测试前端
系统方案 该系统的硬件部分主要用来完成对1553B协议芯片的模式配置,软件基于嵌入式Linux编程,完成对
1553B消息和测试命令的处理,结合1553B通信协议对其测试和分析,结果表明,该分布式前端系统能够严格按照
1553B协议发送消息,时间误差精度小于l s。
关键词:ARM;1553B;测试;嵌入式系统
中图分类号:TN91 文献标识码:A 文章编号:1674-6236(2013)20—0147—04
1553B simulation test system based on ARM—-Linux
WANG Bin ’ .ZHANG Tao。
(1.Technology and Engineering Centerfor nce Utilization,Chinese Academy ofSciences,Bering 100094,China;
2.Unwemi ̄ofChinese Academy fScioences,Beijing 100049,Chia;n
3.Aeademy ofOpto-Electronics,Chiesen Academy ofSciences,Bering 100094,Ch/na)
Abstract:In order to satisfy the requirement of the 1553B bus simulation test front-end system into distributed simulation
testing platform,the structure of distributed s ̄tem based Off ARM and Linux is adopted in this paper.The hardware system is
used tO configure 1553B protocol chip.The software system adopts embedded Linux system as development environment.The
1553B bus simulation test front-end system can process test instuctrions and 1553B messages.The performance of the 1553B
bus simulation test front-end system is tested and analyzed according to the 1553B communication protocol severely.It shows
that the distibutred system can achieve the 1553B communication protocol design requirement,the accuracy of time eITor is
lessthan 1
Key words:ARM;1553B;test;embedded system
1553B总线是一种军用标准的数据总线.利用它可以实
现多个系统间的数据和信息交换。由于1553B总线的高可靠
性,它广泛应用于航空、航天和军事领域的电子联网系统中[1]。
目前市面上的1553B仿真开发系统的产品很多。但一般
都是用于通用的目的,用户应用程序的操作界面繁琐,为了
统的测试指令.灵活的对1533B总线协议芯片BU一61580的
工作模式和消息进行配置.用户只需要根据自己的测试需
要,在测试监控系统中就可以完成对1553B总线进行的故
障测试和强度测试。
完成实际的测试任务,常常需要进行大量的设置和操作,有
时无法融人到整个测试系统中,对构建分布式集成测试系统
会产生很大的影响。
本文对分布式测试系统的结构和功能分析的基础上.
1仿真测试系统的组成结构和功能概述
分布式仿真测试平台DSTP(Distributed Simulation
Testing Platform)是采用半实物仿真原理,通过对被测试的目
标板进行仿真测试,模拟出被测目标的运作环境,从而实现
对被测试目标系统进行动态、闭环、非侵入式的系统仿真测
试[21。通常DSTP系统由测试服务器、监视终端、测试前端和被
测设备(DUT)组成,如图1所示。
测试服务器一般采用大型的关系型数据库。例如DB2
Express V9.5等.测试服务器主要完成功能如下:
1)测试指令存储:根据被测设备的测试需求,将构建的
根据配置项级的嵌入式软件测试中MIL—STD一1553B总线
(以下简称1553B总线)的仿真测试需求,设计了针对
1553B总线测试的嵌入式仿真测试前端系统.将1553B帧
和消息的调度运行ARM处理器中.ARM处理器f¥3C6410)
上面运行的是经过改造的实时Linux嵌入式操作系统,以
ARM+FPGA为核心的控制处理器可以根据仿真测试监控系
收稿日期:2013—04—01 稿件编号:201304004
测试序列进行存储。
基金项目:国家重大专项(Y214010RN)
作者简介:王彬(1986一),男,山东诸城人,硕士研究生。研究方向:高可靠软件、嵌入式软件测试。
..
147-
王彬.等基于ARM—Linux的1553B仿真测试前端系统
基本的组件嘲:Boot Loader、Kernel(Unux内核)和root
iflesystem(根文件系统)。
Boot Loader是硬件板上一加电就运行的程序.它主要完
多种高端接口如SD、以太网和RS232、工业CAN总线接口。
1553B协议芯片和ARM处理器之间时序转换是通过Virtex一
5FPGA芯片.与ARM处理器之间通过三态总线(地址总线、
数据总线、控制总线)连接;FPGA输出是3-3 V的信号而
1553B协议芯片逻辑电平和供电电平都是5 V,因此FPGA
成硬件的初始化,同时也为嵌入式Linux系统提供了虚拟的
平台,设置Linux启动所需要的参数,然后跳到Linux内核的
与1553B芯片之间需要通过电平转换芯片LVC16245A连接
来实现3.3 V到5 V双向传输。
2.4 1553B协议芯片
ACE(Advanced Communication Engine)系列芯片是美国
DDC推出的1553B总线协议芯片,本文基于BU一61580设计
的,整个电路由BU一61580协议芯片、控制器(FPGA控制器
和ARM处理器)、时钟、隔离变压器、耦合器等5部分组成,
其中BU一61580是实现协议的核心芯片,芯片工作在非零等
待缓冲模式下.使用协议芯片本身内置的RAM,在该模式下
将引脚16/8#置为高电平.TRANSPARENT/BUFFERD#置为
低电平,ZERO_WAIT#置为高电平,工作在此模式下,占用16
位数据总线和12位地址总线,其所用的控制信号由FPGA
的译码电路产生.通过中断的方式与ARM处理器通信,因此
1553B协议芯片的中断引脚INT通过FPGA与ARM的
XINT0连接:1553B协议芯片的总线接口有两个数据通道,采
用冗余设计,本文也使用了2个通道,通过监控终端来控制
实现数据在A/B总线上传输数据;16 MHz的有源晶振作为
时钟输入。
1553B协议芯片的初始化步骤主要有:复位芯片;清空内
部RAM;内部RAM初始化;寄存器初始化设置;设置堆栈;
启动芯片。
3 1553B仿真测试前端系统软件设计
本文中的1553B仿真测试前端系统使用ARM处理器,
要求系统不仅需要控制1553B协议芯片的运行,而且能够及
时响应测试管理前端系统发送的指令并将1553B协议芯片
处理的结果反馈到测试管理系统之中便于实现测试自动化。
因此有必要使用嵌入式操作系统.在操作系统的基础上进行
开发,不仅能够提高运行的效率而且大大降低了开发网络芯
片的难度,提高了芯片编程的效率、可靠性和可维护性。
本文中的1553B仿真测试前端系统选用嵌入式Linux系
统,嵌入式Linux系统是一个使用非常广泛的嵌入式操作系
统,具有内核小且结构完整、功能强大、运行稳定、效率高等
诸多优点,尤其是Linux操作系统对网络的支持能力强,能够
支持多种CPU,具有良好的移植性,开发简单,有很多种交叉
编译环境程序加载容易.用SD卡就可以进行系统移植和程
序加载。
本文中,嵌入式IAnux系统开发主要包括:Bootloader引
导程序的修改编译、嵌入式Linux系统内核的配置编译、驱动
程序和应用程序的开发。
3.1 Bootloader和嵌入式Linux内核的配置编译
在嵌入式系统中运行一个完整的Linux最少需要有3个
启动代码的第一个字节引导Linux系统。本文选用的U—
Boot1.1.6作为启动引导U—Boot源码结构主要包括:
1)Board:和一些已有开发板卡有关的文件,比如
Makefile和U—Boot.1ds等都和具体开发板的硬件和地址分配
有关.本文中的ARM处理器采用DM9000的网络芯片,需要
修改Board/Samsung/smdk6410下的smdk6410.c将原有
CS8900宏定义修改为DM9000,修改函数DM90OO_pre—init()
将SROM—BC4_REG和SROM—BC5_REG改为0x22032200,
为以后开发ARM与FPGA之间的驱动提供l6位数据传输
支持。
2)CPU:CPU相关文件,其中的子目录都是以U—Boot所
支持的CPU为名.每个特定的子目录中都包括cpu.c和
interrupt.c.start.s。其中cpu.c初始化CPU、设置指令Cache和
数据Cache等;Interrupt.c设置系统的各种中断和异常,比如
快速中断、开关中断、时钟中断、软中断等等。
3)Drivers:通用设备驱动程序,比如各种网卡,支持CFI
的Flash、串口和USB总线等。
对U—Boot源码修改完成之后,在交叉编译环境下对u—
Boot进行编译生成U—boot.bin的二进制文件.即为需要烧写
到Nandflash的uboot映像文件。
嵌入式Linux系统内核编译根据不同的情况会有不同
的步骤,主要分为3个步骤:内核配置、建立依存关系、建立
内核。
在内核源码文件下运行make menuconfig,来选择目标处
理器的所用选项。本文中对没有用到的内核模块进行裁剪.
精简内核结构,去掉“Device Drivers一>Multimedia capabilities
port drivers”等模块,让外部中断接口空闲出来,便于ARM处
理器与FPGA芯片的驱动开发.提供系统支持,裁剪完成之
后保存menuconfig文件,自动形成依存关系,然后运行make
zlmage,进行编译。编译结束之后会在arch/arm/boot中得到
Linux内核压缩映像文件:zlmage。
3.2驱动程序的开发
ARM处理器和FPGA之间的驱动开发都是在linux内核
上进行的昀,Linux的一个重要特点就是将所有的设备都作为
文件进行处理,本文中的驱动设计按照字符设备驱动编写
的,struct ifle_operations fdev
_
fops用来定义顶层应用程序调
用设备文件的常用函数,其中包括读写设备,设备的打开与
释放。static int init fdev_init(void)来完成设备的注册和设
备内存空间的开辟等:static void exit fdev_exit(void)用来实
现设备的注销和文件系统结构的清空。对驱动开发完成之
后,编译成系统的驱动模块生成.ko的文件,将生成的驱动文
件insmod到系统当中,成为系统的一部分,之后做应用程序
一
】49-
《电子设计工程}2013年第20期
编写的时候,可以根据设备的文件名直接调用相应的设备。
3.3应用程序的开发
应用程序根据任务的种类和处理的优先级.来划分任务
和开启线程的数量。本文中根据实际需要处理的数据和仿真
测试中的任务,将任务分为3个主要的部分,每个任务运行
分配足够的堆栈空间,避免堆栈溢出;任务之间的通信通过
信号量来处理。
在实际的1553B仿真测试中,1553B总线设备一般工作
在BC、RT两种状态下;不同的测试任务可能需要不同的工
作状态。所以在实现时,必须考虑这两种模式下的功能实现
和具体数据的堆栈分配,同时还需要实时的将数据反馈到测
试仿真前端中去。考虑到上面的因素.本文中ARM处理器上
运行的应用程序框架如图4所示
开始应用程序函数
任务
1 55 3B仿真测试
执行线程
/,
-/
根据接收
配置命令,对
嚣
以Bc模式通信 L ̄)RT模式通信
医
通信的具体数据内容,l
根据配置的数据设置l l
并将接收到的数据放}l接收到命令和
入缓冲区中,
将要发送的数据
建
到缓冲区中,等待回传I l数据做回传处理
图4系统软件设计结构图
Fig.4 Schematic diagram of the software test system
1553B通信协议的参数设置是实现通信的基础71,通过应
用程序中1553B线程来执行的。对于BC模式,设置每一条消
息的各种参数,如通信方式(BC一>RT、RT一>BC、RT一>RT等)、
RT地址、RT子地址、数据字的长度、控制字等。设置帧的执
行周期、帧对应的消息地址、消息的数量、消息顺序,对消息
中断的数据采集和矢量字的判别等;对于RT模式,RT的地
址是通过硬件的拨码开关来实现的,通过配置数据来设置
RT的各个子地址要用到的数据表,对发送和接受到的指令
进行合法化检查。
4 1553B通信协议实现的结果分析
为了验证1553B通信协议实现的完整性和通用性.本文
使用DDC公司BU一6557OT1—300仿真板卡对设计的1553B
仿真测试系统进行测试,分析仿真测试系统实现通信协议的
时序和容错能力;所涉及的消息有周期性消息、突发式消息
和定时消息。通过仿真测试板卡提供的查找、过滤和分析功
能,可以很容易检测消息的周期、命令、数据字的内容、AB总
线的选择,返回的状态字等:本文根据实际测试的需要重点
分析了周期性消息和服务请求消息的整个内容。
一
150-
1)周期性消息:根据实际的测试内容设置不同的周期
性消息的消息时间间隔、AB总线交替发送、数据字内容等
来验证性能,从截取的测试结果图5的B图可以看出32 ms
的发送周期RT一>BC数据,消息时间误差精度在1 s的范
围内,A图AB总线交替发送每个周期内A总线完成之后的
200 s,B总线发送,总线交替的误差也在1 s的范围内,
发送的数据字是按照测试命令来变化的。
图5测试结果图
Fig.5 Result chart of the test
2)服务请求消息:RT设置服务请求,从图5的C可以看
出BC矢量字查询,BC通过A总线向RT10发送0x57F0的
模式码命令,1O代表RT地址,31表示RT接受子地址,16表
示矢量字查询,RT10通过A总线返回数据字是FFFF,表示
发生服务请求的RT子地址,同时相应的状态字Ox5100来设
置服务请求位。
实际测试应用中,常常需要BC和RT工作在临界状态
下,用来测试被测设备是否满足『晦界要求,因此还设置了不
同个数的数据字消息发送需要的最短时间,更好的便于测试
临界点:同时对于RT的合法化检查区域去掉,对于BC发出
的命令都可以接受,防止被测设备发送的错误指令遗漏,提
高测试方便性。
5结 论
本文给出了基于ARM+Linux嵌入式系统的1553B仿真
测试系统的设计方案和具体实现。本文中的1553B仿真测试
前端系统作为分布式测试系统的一部分,具有很好的融合性
和通用性;可以方便地设置具体的通信协议;已在某型有效
载荷的测试任务中完成测试工作。
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(下转第154页)
《电子设计工程)2o13年第20期
高字节 低字节 高字节 低字节 高字节 低字节 高字节 低字节
21H
0CH X X X X X X X X LPC OOH
命令码说明:表示设置噪声滤波器带通频率,终端需按照此命令的数据段进行相应控制电阻和电容的继电器开关的吸
合,应答命令码为A1H。
表2调节滤波器参数命令相对应的应答命令报文
Tab.2 Reply message of set cutoff frequency instruction
AlH RTAT
高位
OOH
低位
O6H
LPC 0OH
命令码说明:表示终端对参数调节命令的应答命令。RTAT值为0表示正常接收,0x01表示超时错误,Ox02表示溢出错误,OxO4表示帧错误
0x08表示奇偶校验错误,0xl0表示接收字节数超出最大范围错误,0x20表示LPC校验错误。
声这3种不同频率范围的噪声,达到了设计要求。
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