| 标题 | 虚拟试验系统协议转换模块研制 |
| 范文 | 姜守达,邓舒予,魏长安 摘 ?要： 哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所研发了试验和训练体系结构HIT?TENA平台，用于搭建虚拟试验系统；为了将靶场实物资源接入该系统，研制了基于PCI总线和1553B总线的协议转换模块。采用DSP+FPGA的硬件结构，利用FPGA实现了并行协议帧头识别，利用DSP实现了协议转换。测试表明，该模块能完成协议转换，并将延时降低到1 ms以内，解决了试验设备接入虚拟试验系统时转换效率低下、延时较大等问题。 关键词： 虚拟试验系统； 1553B； 协议识别； 协议转换 中图分类号： TN91?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2014）23?0100?04 Development of protocol conversion module for virtual test system JIANG Shou?da， DENG Shu?yu， WEI Chang?an （Department of Automatic Test and Control， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China） Abstract： A testing and training architecture HIT?TENA platform was developed by Automatic Test and Control Institute of Harbin Institute of Technology to establish virtual test system. In order to connect the testing resourse in the system， a protocol conversion module based on PCI bus and 1553B bus was designed. The logic of 1553B protocol and concurrent protocol identification were achieved on the basis of hardware structure with DSP + FPGA and FPGA. The DSP is used to realize the protocol conversion. The testing result shows the the module can perform the function of protocol conversion and reduce the delay to 1 ms. It solves the problem of low efficiency and long delay occurred when the test equipments join up with virtual test system. Keywords： virtual test system； 1553B； protocol identification； protocol conversion 0 ?引 ?言 试验与训练使能体系结构（Test and Training Enabling Architecture，TENA）是美国国防部针对试验和训练领域的需求，为促进各试验靶场、设施、实验室和各种仿真建模活动之间的共享、重用、互操作和可组合而开发的测试训练体系结构。TENA专门针对试验训练领域的特点进行开发，并针对试验与训练领域的特定需求进行扩展，提供了试验和训练所需的更多特定功能[1]。 哈工大测控所在研究和学习美军TENA体系结构的基础上，针对靶场试验领域的特殊需求，结合目前国内试验与训练领域建设的现状，提出一种试验和训练体系结构，即HIT?TENA平台。HIT?TENA平台通过整合各种试验与训练资源，能够快速构建虚拟试验系统，引导靶场试验由“任务驱动型”向“能力建设型”转变[2]。但是，国内靶场中还存在大量采用硬件协议的实物资源设备，而虚拟试验系统采用名为HIT?TENA对象模型的专用协议进行通信，硬件协议和对象模型之间不能兼容，因此需要人工开发专用接口网关才能实现和虚拟试验系统之间的通信。由于上位机操作系统的非实时性，实物资源通过接口网关接入试验系统时会产生不稳定的时间延迟，同时随着武器装备复杂性的日渐提高，上述模式存在开发周期长、网关软件测试难度大以及可靠性差等缺点，造成虚拟试验系统搭建周期长、费用高和风险大等问题。 为了解决上述问题，本文创新性地提出一种在硬件设备内进行协议转换的方案。该设备具有靶场实物资源常用硬件接口1553B总线接口及用于连接上位机的PCI接口，用户只需提前定义对象协议对应关系并加载到模块内即可实现HIT?TENA对象模型和硬件协议之间的快速转换。研制虚拟试验系统协议转换模块（以下简称协议转换模块），对于支持不同实物资源快速接入虚拟试验系统参与虚拟仿真试验，保障高性能试验设备的实时性，将起到非常重要的作用。 1 ?总体方案设计 HIT?TENA平台搭建的虚拟试验系统由多台计算机或实物资源通过以太网连接组成，每台计算机都独立作为一个节点加入系统。而实物资源因为接口不同且传输协议不兼容，不能直接接入系统，需要通过协议转换模块才能参与虚拟仿真试验。 根据协议转换模块的功能要求，设备应当通过PCI接口连接上位机，并可通过1553B总线接口与实物资源通信。板上还应该具有处理器资源和逻辑阵列器件，用于控制数据传输，并完成协议转换。经过需求分析及对多个可行方案的比较，选择采用DSP+FPGA的硬件核心架构实现协议转换模块。为了节约成本，不再新开发硬件板卡，而是采用实验室已开发的PCI?1553B通信板[3]。 PCI?1553B通信板是哈工大测控所自行开发用于组建1553B总线产品仿真和测试系统的通信模块，它的控制器采用TI公司的高速DSP TMS320DM642。这款芯片内部集成了PCI2.2协议模块，支持PCI主从协议的DMA数据传输[4]。相较于采用专用芯片或FPGA等方式实现PCI协议，这种方法开发方式简单，成本低[5]。FPGA选用Altera公司Cyclone Ⅲ系列的EP3C55型芯片[6]，并通过FPGA逻辑实现传输速率为1 Mb/s的1553B的接口协议模块 [7]。在PCI?1553B通信板已经实现1553B总线和PCI总线两个通信接口的基础上，设计协议转换模块总体框图如图1所示。在板卡内开发协议识别模块和协议编解码模块，实现设备最主要的协议转换功能。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼18t1.tif>； 图1 总体方案框图 实物资源通过1553B总线将数据传输给模块板卡，传入协议识别模块进行协议类型识别，得到该硬件协议的协议号。在FPGA内进行协议类型识别，可实现多个协议帧头的并行识别，极大地提高了实时性。DSP内的协议编解码模块从协议识别模块中读取实物资源发送的数据并识别得到的协议号；通过协议号查找用户事先定义的对象协议对应关系，将硬件协议快速转换为HIT?TENA资源对象；再通过PCI接口将数据发送给上位机，接入虚拟仿真试验系统。 2 ?协议识别模块设计 协议识别模块是协议转换的重要模块，它对经过1553B协议通信模块解析的数据进行协议类型识别。通过对事先存入的协议帧头与接收数据按字节进行比对，得到源数据所属协议的协议号，为下一步的协议转换提供索引[8]。在FPGA里面进行协议类型识别，可以实现多个协议帧头的并行识别，在该设计中，最大可支持64种协议，比起在DSP内进行串行识别，极大地减少所需时间，提高了实时性[9]。 协议识别模块的核心构成是协议识别单元，其功能框图如图2所示。它主要由比对单元、数据拆分单元、字节计数器、协议帧头存储区、完成信号生成单元5个部分构成。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼18t2.tif>； 图2 协议识别单元功能框图 数据拆分单元的功能是对传输进协议识别单元的数据进行拆分。1553B协议解析得到的数据data长度为16位，而一般采用的协议帧头每个帧头数据都为字节长度，因此需要通过数据拆分单元将数据拆为单个字节byte，方便进行识别。 协议帧头存储区用于存储一种协议的全部帧头内容，存储区第一个字节用于存储该帧头的长度fhlength，接下来的空间按顺序存储帧头数据fheader。字节计数器以字节为单位对接收数据包进行计数，每到来一个新数据，计数器值cnt加1。 比对单元是协议识别单元的最基本组成元件，它对输出的两个字节数据进行比对，在内部寄存器保存比对结果result并输出。当一个新的数据data到来时，前段逻辑会同时生成一个开始信号start，字节计数器接收到这个信号后，计数值cnt加1，然后发送给协议帧头存储器；协议帧头存储器将第cnt个帧头数据fheader发送给比对单元。比对单元对byte和fheader进行比对，若数据不同，则将结果寄存器值赋0，输出0；若两数据相同，则结果寄存器值为1，且输出1。这样保证了接收到的数据必须每个字节都与协议帧头相同，比对单元才能输出有效结果。 完成信号生成单元读取比对单元的输出结果result、计数值cnt和帧头长度fhlength。当result为0时，说明识别失败，生成结束信号finish，识别成功信号succeed为无效；当result为1且cnt值和fhlength值相同时，说明识别成功，生成结束信号finish，同时产生一个时钟高电平的识别成功信号succeed。 协议识别模块主要由协议识别单元阵列和协议号生成单元组成，其总体框图见图3。 单个协议识别单元只能完成一种协议的识别，而64个协议识别单元组成协议识别阵列便能完成最多64种协议的识别，大大提高了协议识别速度。当所有协议识别单元都完成识别后，协议识别阵列输出各64位的结束信号finish和识别成功信号succeed。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼18t3.tif>； 图3 协议识别模块总体框图 协议号生成单元接收协议识别阵列输出的finish信号和succeed信号，根据这两个信号进行协议号判断。协议号生成单元对finish的64位元素进行全与处理，若结果为1，说明协议识别阵列已完成协议识别。然后对succeed信号的64位元素进行全或处理，若结果为0，说明匹配失败，无法识别数据的协议；若结果为1，说明匹配成功。因为每个协议识别单元产生的succeed信号只持续一个时钟，此时只有成功识别出数据协议的协议识别单元输出的succeed信号才为有效，所以对64位succeed信号进行按位查询，得到第[k]位值为1，[k]即为接收数据对应的协议号，将其存入pro_id寄存器中，同时产生pause信号通知DSP来读取协议号。 3 ?协议编解码模块设计 协议转换模块是资源接入设备的核心部分，其功能是快速完成虚拟试验系统的对象模型和实物资源的硬件协议之间的相互转换。转换实现的具体过程就是根据源协议格式对数据进行解码，再根据目的协议对数据进行编码。对于待转换的数据包，首先根据源协议号从事先加载的协议描述文件中定位源协议描述内容和其对应的目的协议号，根据源协议的格式从数据包中解码出所需要的有效元素值集合；再根据目的协议号查询目的协议描述内容，按照该内容信息，从解码得到的元素值集合进行元素值提取、函数处理、帧头帧尾封装等编码操作，得到目的协议数据包[10]。整个过程如图4所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼18t4.tif>； 图4 协议转换示意图 因为硬件应用协议和资源对象的相互转换是两个不同的操作，所以上下行两个协议转换在两个不同的转换单元中进行[11]，其流程示意图如图5所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼18t5.tif>； 图5 上下行协议转换流程示意图 上行协议转换过程如图5（a）所示，是将实物资源上传的数据包从硬件协议格式转换为虚拟试验系统上应用的的对象模型。协议转换模块的FPGA完成协议识别后，以中断模式通知DSP，DSP激活上行协议转换单元读取识别得到的源协议号，并从FPGA内的存储器读取接收到的数据包，然后存储到源协议数据存储区中。开始协议转换后，首先将源协议数据存储区中的数据进行初步解析得到元素值集合，然后从元素值中先后提取出对象模型需要的必选元素和可选元素，将它们按照在协议描述信息中的索引号排列顺序存储，并对有函数处理要求的元素进行相应处理。函数处理完成后，将缓存区的数据包内容拷贝至对象模型的实例化区域，然后通知上位机协议转换完成，等待上位机读取对象模型数据。 下行协议转换过程如图5（b）所示，是将对象模型转换为硬件协议数据包。当虚拟试验系统中有对象模型更新时，平台将新的对象数据打包发送给协议转换模块，模块接收到数据后启动协议转换。下行协议转换单元先读取对象的对象号，然后定位对象的协议描述信息和对象的实例化区域。为了对对象数据进行缓存，下行协议转换单元中也申请一定大小的缓冲区，按照硬件协议格式从缓冲区数据中解析元素，并进行函数处理。为了方便向实物资源输出数据包，下行协议转换线程中生成硬件协议数据包时，首先生成必选元素，然后再生成可选元素，这些元素依次排列，而不严格按照在协议描述信息中的索引号排列。 4 ?测试结果 首先对协议转换的功能进行测试，为了测试上行编解码单元和下行编解码单元的功能，设计了4条协议（A，B，C，D）用于测试。其中A和B为硬件协议，有帧头和帧尾，用于协议识别；C和D为HIT?TENA对象模型，没有帧头和帧尾。A和C，B和D分别为对应关系的协议。它们的格式定义如表1～表4所示。 表1 协议A的格式定义 [属性元素＼&；数据类型＼&；函数处理＼&；对应属性＼&；帧头＼&；ProtoA＼&；-＼&；-＼&；1＼&；double＼&；-＼&；-＼&；2＼&；double＼&；-＼&；-＼&；3＼&；char＼&；-＼&；-＼&；帧尾＼&；End＼&；-＼&；-＼&；] 表2 协议B的格式定义 [属性元素＼&；数据类型＼&；函数处理＼&；对应属性＼&；帧头＼&；ProtoB＼&；-＼&；-＼&；1＼&；double＼&；DIRECT＼&；2＼&；2＼&；double＼&；ADD2＼&；1，4＼&；3＼&；double＼&；DIRECT＼&；3＼&；帧尾＼&；End＼&；-＼&；-＼&；] 表3 协议C的格式定义 [属性元素＼&；数据类型＼&；函数处理＼&；对应属性＼&；1＼&；double＼&；ADD2＼&；1，2＼&；2＼&；char＼&；DIRECT＼&；3＼&；] 表4 协议D的格式定义 [属性元素＼&；数据类型＼&；函数处理＼&；对应属性＼&；1＼&；double＼&；-＼&；-＼&；2＼&；double＼&；-＼&；-＼&；3＼&；double＼&；-＼&；-＼&；4＼&；double＼&；-＼&；-＼&；] 测试上行协议转换时，从试验设备向资源接入设备发送满足协议A格式的数据：‘ProtoA，21.473 684，21.233 766，‘K，‘End。经过资源接入设备后，上位机接收到了数据：42.707 450，‘K。接收数据满足协议C的格式，同时42.707 450=21.473 684+21.233 766，函数处理无误，上行协议转换成功。 测试下行协议转换时，从上位机向资源接入设备发送满足协议D格式的数据：11.472 103，21.233 766，22.339 812，34.195 328。数据在资源接入设备进行协议转换，最终试验设备接收到数据：‘ProtoB，21.233 766，45.667 431，22.339 812，‘End。接收数据满足协议B的格式，同时45.667 431=11.472 103+34.195 328，函数处理无误，下行协议转换成功。 然后测协议转换模块的实时性，测试方法为在FPGA内设置计数器模块。当数据进入资源接入设备后计数器开始计数，协议转换完成后通知计数器停止计数，通过计数器值可以计算出资源接入设备造成的延时。测试结果见表5和表6。 表5 上行处理延迟 [＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；平均＼&；延迟 /ms＼&；0.67＼&；0.63＼&；0.71＼&；0.65＼&；0.62＼&；0.66＼&；] 表6 下行处理延迟 [＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；平均＼&；延迟 /ms＼&；0.42＼&；0.47＼&；0.37＼&；0.39＼&；0.35＼&；0.40＼&；] 通过测试数据可以看出，协议转换设备造成的延时都在1 ms以内，满足虚拟仿真试验对实时性的要求。 5 ?结 ?语 本文针对靶场实物资源接入虚拟试验系统时存在的协议转换效率低、延迟较大等问题，研制了一种以DSP+FPGA为核心并具备PCI总线和1553B总线接口的协议转换模块。通过对常用硬件协议和对象模型的分析，在FPGA设计协议识别模块实现了对数据协议的识别，在DSP内设计协议转换模块实现了硬件协议和对象模型间的快速转换。经过测试表明，本设备能很好地完成协议转换任务，产生延时在1 ms以内，满足虚拟仿真试验对实时性的要求。本协议转换设备在实际应用中，运行稳定，快速可靠，具有很高的工程应用价值，对于解决实物资源接入虚拟仿真试验系统的实时性问题有十分重要的意义。 参考文献 [1] 代坤，赵雯，张灏龙，等.基于TENA的虚拟试验实现技术研究[J].系统仿真学报，2011，23（5）：857?863. [2] 关萍萍，翟正军.虚拟靶场运行支撑体系结构研究[J].计算机测量与控制，2009，17（12）：2475?2478. [3] 李世良，许永辉.PCI总线智能GJB289A仿真卡设计[J].现代电子技术，2010，33（20）：114?116. [4] 许永辉，杨京礼，林连雷.TMS320DM642 DSP原理与应用实践[M].北京：电子工业出版社，2012. [5] 赵明阳，朱岩，张建东，等.基于PCI局部总线的1553B总线接口卡设计[J].现代电子技术，2012，35（10）：78?81. [6] 曾蓉.LXI集成通信模块的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013. [7] 黄树蔚.VXI总线高速1553B通信模块研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009. [8] 黄敬礼.通用协议转换设备研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [9] 张贤莉，翟正军，冯萍.靶场仿真中分布式异构网关技术研究[J].计算机测量与控制，2011，19（9）：2263?2265. [10] 张晓利，周荣辉.多模式匹配算法在协议识别中的应用[C]//中国电子学会第十六届信息论学术年会论文集.北京：电子工业出版社，2009：87?89. [11] 张阳，张海.一种系统测试中的快速多协议匹配算法[J].电光与控制，2010（7）：142?144. 表6 下行处理延迟 [＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；平均＼&；延迟 /ms＼&；0.42＼&；0.47＼&；0.37＼&；0.39＼&；0.35＼&；0.40＼&；] 通过测试数据可以看出，协议转换设备造成的延时都在1 ms以内，满足虚拟仿真试验对实时性的要求。 5 ?结 ?语 本文针对靶场实物资源接入虚拟试验系统时存在的协议转换效率低、延迟较大等问题，研制了一种以DSP+FPGA为核心并具备PCI总线和1553B总线接口的协议转换模块。通过对常用硬件协议和对象模型的分析，在FPGA设计协议识别模块实现了对数据协议的识别，在DSP内设计协议转换模块实现了硬件协议和对象模型间的快速转换。经过测试表明，本设备能很好地完成协议转换任务，产生延时在1 ms以内，满足虚拟仿真试验对实时性的要求。本协议转换设备在实际应用中，运行稳定，快速可靠，具有很高的工程应用价值，对于解决实物资源接入虚拟仿真试验系统的实时性问题有十分重要的意义。 参考文献 [1] 代坤，赵雯，张灏龙，等.基于TENA的虚拟试验实现技术研究[J].系统仿真学报，2011，23（5）：857?863. [2] 关萍萍，翟正军.虚拟靶场运行支撑体系结构研究[J].计算机测量与控制，2009，17（12）：2475?2478. [3] 李世良，许永辉.PCI总线智能GJB289A仿真卡设计[J].现代电子技术，2010，33（20）：114?116. [4] 许永辉，杨京礼，林连雷.TMS320DM642 DSP原理与应用实践[M].北京：电子工业出版社，2012. [5] 赵明阳，朱岩，张建东，等.基于PCI局部总线的1553B总线接口卡设计[J].现代电子技术，2012，35（10）：78?81. [6] 曾蓉.LXI集成通信模块的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013. [7] 黄树蔚.VXI总线高速1553B通信模块研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009. [8] 黄敬礼.通用协议转换设备研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [9] 张贤莉，翟正军，冯萍.靶场仿真中分布式异构网关技术研究[J].计算机测量与控制，2011，19（9）：2263?2265. [10] 张晓利，周荣辉.多模式匹配算法在协议识别中的应用[C]//中国电子学会第十六届信息论学术年会论文集.北京：电子工业出版社，2009：87?89. [11] 张阳，张海.一种系统测试中的快速多协议匹配算法[J].电光与控制，2010（7）：142?144. 表6 下行处理延迟 [＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；平均＼&；延迟 /ms＼&；0.42＼&；0.47＼&；0.37＼&；0.39＼&；0.35＼&；0.40＼&；] 通过测试数据可以看出，协议转换设备造成的延时都在1 ms以内，满足虚拟仿真试验对实时性的要求。 5 ?结 ?语 本文针对靶场实物资源接入虚拟试验系统时存在的协议转换效率低、延迟较大等问题，研制了一种以DSP+FPGA为核心并具备PCI总线和1553B总线接口的协议转换模块。通过对常用硬件协议和对象模型的分析，在FPGA设计协议识别模块实现了对数据协议的识别，在DSP内设计协议转换模块实现了硬件协议和对象模型间的快速转换。经过测试表明，本设备能很好地完成协议转换任务，产生延时在1 ms以内，满足虚拟仿真试验对实时性的要求。本协议转换设备在实际应用中，运行稳定，快速可靠，具有很高的工程应用价值，对于解决实物资源接入虚拟仿真试验系统的实时性问题有十分重要的意义。 参考文献 [1] 代坤，赵雯，张灏龙，等.基于TENA的虚拟试验实现技术研究[J].系统仿真学报，2011，23（5）：857?863. [2] 关萍萍，翟正军.虚拟靶场运行支撑体系结构研究[J].计算机测量与控制，2009，17（12）：2475?2478. [3] 李世良，许永辉.PCI总线智能GJB289A仿真卡设计[J].现代电子技术，2010，33（20）：114?116. [4] 许永辉，杨京礼，林连雷.TMS320DM642 DSP原理与应用实践[M].北京：电子工业出版社，2012. [5] 赵明阳，朱岩，张建东，等.基于PCI局部总线的1553B总线接口卡设计[J].现代电子技术，2012，35（10）：78?81. [6] 曾蓉.LXI集成通信模块的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013. [7] 黄树蔚.VXI总线高速1553B通信模块研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009. [8] 黄敬礼.通用协议转换设备研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [9] 张贤莉，翟正军，冯萍.靶场仿真中分布式异构网关技术研究[J].计算机测量与控制，2011，19（9）：2263?2265. [10] 张晓利，周荣辉.多模式匹配算法在协议识别中的应用[C]//中国电子学会第十六届信息论学术年会论文集.北京：电子工业出版社，2009：87?89. [11] 张阳，张海.一种系统测试中的快速多协议匹配算法[J].电光与控制，2010（7）：142?144. |
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