一種機(jī)載設(shè)備的通訊接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章介紹了一種機(jī)載設(shè)備的通訊接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該接口電路是機(jī)載設(shè)備接線盒的重要組成部分，其設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是接收前端的綜合處理機(jī)通過(guò)422接口輸出的目標(biāo)方位、目標(biāo)距離、目標(biāo)編號(hào)、目標(biāo)有效等命令信息，對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和電氣匹配后，再送到發(fā)控系統(tǒng)。此外，該通訊接口電路還對(duì)接收到的干纜高度數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換等相關(guān)處理，并發(fā)送到飛機(jī)控制系統(tǒng)和懸停器。
關(guān)鍵詞：通訊接口；MSP430；數(shù)模轉(zhuǎn)換

0 引言
通訊接口電路主要用于完成前端綜合處理機(jī)和后端的發(fā)送控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱發(fā)控系統(tǒng))、飛機(jī)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng))等的信號(hào)交聯(lián)。綜合處理機(jī)輸出的目標(biāo)信息經(jīng)過(guò)電氣匹配后送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行解析后，按照一定的幀協(xié)議將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)控系統(tǒng)，并將目標(biāo)信息中包含的干纜高度信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波放大后送至飛控系統(tǒng)和懸停器。

1 電路組成與工作原理
1．1 電路組成
根據(jù)通訊接口電路的主要功能，設(shè)計(jì)該電路的組成框圖如圖1所示。

1．2 電源電路
接線盒系統(tǒng)由一路28V直流電源供電，在此利用穩(wěn)壓芯片分別轉(zhuǎn)換得到以下三路電源：
1)運(yùn)算放大器電源：一路15．0V；2)MCU電源：兩路3．3V，分別為供數(shù)字電路和模擬電路使用；3)其他芯片電源：一路5．0V。
1．3 控制電路
通訊接口電路的控制單元MCU在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，除了需要根據(jù)綜合處理機(jī)與接線盒接口控制協(xié)議對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解析，還需要完成對(duì)干纜高度數(shù)據(jù)信號(hào)的D／A轉(zhuǎn)換，要求高度分辨率小于0．1m。
基于硬件資源需求，結(jié)合低功耗、集成化、開(kāi)發(fā)周期等因素，該控制電路選用了MSP430系列的單片機(jī)。該單片機(jī)具有兩個(gè)串口并內(nèi)置12位DA轉(zhuǎn)換器，在低功耗、可靠性方面表現(xiàn)出色，滿足設(shè)計(jì)需求。
我們選擇DAC12的基準(zhǔn)電壓為2．5V，理論上其電壓分辨率為2．5／4096=0．6mV，實(shí)際上由于器件本身的誤差加上電路噪聲的影響，其有效位可能降低為10位，則電壓分辨率隨之降低為2．5V／1024=2．4mV。
由于DAC12輸出的直流電壓模擬量的范圍為0～2．5V，而飛控系統(tǒng)和懸停器要求的電壓輸入范圍為0～12V，因此需要對(duì)DAC12的輸出電壓進(jìn)行比例放大，增益系數(shù)計(jì)算如下：G=Int(12／2．5)=5。同時(shí)，由于電壓放大的緣故，在飛控系統(tǒng)的輸入端，電壓分辨率相應(yīng)降至2．4×5= 12mV。此外，已知電壓與干纜高度之間的比例關(guān)系為80mV／m，據(jù)此計(jì)算出高度分辨率為12／80=0．15(mV／m)，滿足小于0．2m的設(shè)計(jì)要求。
1．4 電氣匹配
在電路設(shè)計(jì)中，由于綜合處理機(jī)、MCU和與發(fā)控系統(tǒng)之間的通訊信號(hào)的輸入／輸出邏輯不協(xié)調(diào)，需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，我們?cè)诖瞬捎玫碾姎馄ヅ湫酒瑸锳DM485。
對(duì)于不出戶外的422端口，我們采取了單向的保護(hù)措施，設(shè)計(jì)了由TVS管P6KE6．8CA和WE-SL2型共模電感組成的接口保護(hù)電路。當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

2 通訊協(xié)議
為保證綜合處理機(jī)、接口電路MCU和與發(fā)控系統(tǒng)之間能有效、可靠地進(jìn)行通信，我們對(duì)數(shù)據(jù)的格式、順序和速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認(rèn)和接收，差錯(cuò)檢測(cè)，重傳控制和詢問(wèn)等操作做出了約定，形成了通訊協(xié)議。
2．1 綜合處理機(jī)與接線盒通訊標(biāo)準(zhǔn)
綜合處理機(jī)通過(guò)一個(gè)串行通訊鏈和接線盒進(jìn)行交聯(lián)。通訊標(biāo)準(zhǔn)如下：電氣標(biāo)準(zhǔn)：EIA RS-422；信號(hào)：RxD+、RxD-、TxD+、TxD-、GND；字節(jié)：起始位1位、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無(wú)校驗(yàn)位；速率：9．6kb／s；方式：異步。
2．2 綜合處理機(jī)與接線盒的數(shù)據(jù)包格式
綜合處理機(jī)向接線盒發(fā)送固定格式、固定數(shù)據(jù)周期的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括目標(biāo)信息、干纜高度、聲納有效標(biāo)識(shí)和狀態(tài)查詢命令標(biāo)識(shí)。當(dāng)接線盒接收到的數(shù)據(jù)包狀態(tài)查詢命令標(biāo)識(shí)為有效時(shí)，接線盒向綜合處理機(jī)發(fā)回狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。