一種機(jī)載設(shè)備的中央處理單元模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章介紹了一種機(jī)載設(shè)備的中央處理單元模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。機(jī)載設(shè)備通過RS422通訊接收飛行控制系統(tǒng)發(fā)來的指令信號(hào)，中央處理單元完成控制、數(shù)據(jù)解算、A/D轉(zhuǎn)換等功能，將結(jié)果反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的預(yù)期功能。本設(shè)備己在飛機(jī)上使用，使用結(jié)果良好，因此具有較強(qiáng)的參考性和實(shí)用性。

0 引言

不管是在公共航空運(yùn)輸事業(yè)，還是通用航空領(lǐng)域，抑或是軍事領(lǐng)域，飛行器的先進(jìn)性已足可代表一個(gè)國家科技發(fā)達(dá)的實(shí)力，更是可以作為先進(jìn)生產(chǎn)力的代表。然而，安全性、可靠性仍是飛行器首先要達(dá)到的指標(biāo)要求。本文中，提出了一種以DSP作為核心處理器的機(jī)載設(shè)備中央處理單元，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以安全、可靠地應(yīng)用在飛行器中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)載設(shè)備中央處理單元的核心功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 電源監(jiān)測(cè)電路

機(jī)載設(shè)備由1路28V電源供電，通過電源模塊完成二次電源轉(zhuǎn)換，其中，+5V、+15V和-15V電源由機(jī)載設(shè)備其他模塊負(fù)責(zé)前端處理，再送至DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路。

1.3 功能電路

中央處理單元主要完成高速數(shù)字信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、串行RS422/RS232通訊。包括串行口通訊、存儲(chǔ)電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路、離散量輸入電路。

DSP核心處理器指令周期為50ns，含有片內(nèi)RAM，具有強(qiáng)有力的事件管理功能，含雙10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換控制功能模塊，具有28路獨(dú)立的可編程多路復(fù)用I/O引腳，同時(shí)具有時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊、看門狗定時(shí)模塊、串行通信接口、串行外設(shè)接口及中斷處理能力。

中央處理單元模塊的通信接口設(shè)計(jì)為兩路RS232和一路RS422接口。RS422接口電路采用一片通用異步串行通信控制芯片實(shí)現(xiàn)。控制芯片接口數(shù)據(jù)總線為8位數(shù)據(jù)寬度。提供一路串行通訊接口，配置為RS422，工作時(shí)鐘采用3.6864MHz，最大速率230.4kbps。第一路RS232通信接口由接口芯片配置，另一路RS232通信接口由DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，送至底板總線。

存儲(chǔ)電路包括FLASH存儲(chǔ)器和RAM存儲(chǔ)器。FLASH存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)驗(yàn)證軟件的目標(biāo)代碼，在空中狀態(tài)下，中央處理單元模塊通過加載FLASH存儲(chǔ)器中的代碼進(jìn)行機(jī)載設(shè)備的功能驗(yàn)證工作。RAM存儲(chǔ)器包含DSP片內(nèi)RAM和DSP片外RAM，片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，片外擴(kuò)展RAM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)運(yùn)行程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，在驗(yàn)證軟件調(diào)試過程中用來加載過程代碼。

DSP的A/D轉(zhuǎn)換電路可同時(shí)采樣和處理2路0～5V模擬量輸入信號(hào)，由2個(gè)可同時(shí)工作的ADC模塊組成，每個(gè)ADC模塊包括一個(gè)8選1多路器、S/H電路、10位A/D轉(zhuǎn)換器和2級(jí)深度的FIFO。ADC是10位轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換碼值計(jì)算公式：

式(1)中ADDC為轉(zhuǎn)換碼值，其值為000h～3ffh;Vin為輸入模擬量，其值為0～5V;Vreflo=0為參考地;Vrefli=5為參考電源。

離散量輸入電路主要使用了DSP的離散量口PB口和PC口，兩個(gè)口都為復(fù)用端口，需要設(shè)置定義成輸入端口。8個(gè)PB口和4個(gè)PC口組成12位TTL電平離散量，通過軟件設(shè)置寄存器的方式分別配置PB口地址和PC口地址進(jìn)行離散量數(shù)據(jù)采集。

1.4 功能輔助電路

作為功能電路的輔助電路，主要包括復(fù)位電路、定時(shí)計(jì)數(shù)電路、看門狗電路。其中，復(fù)位電路產(chǎn)生DSP處理器復(fù)位信號(hào)和底板總線復(fù)位信號(hào)。復(fù)位電路是由復(fù)位芯片來完成的，復(fù)位芯片復(fù)位產(chǎn)生的條件包括：加電復(fù)位、掉電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位。

定時(shí)計(jì)數(shù)功能是作為中央處理單元模塊的常用功能。定時(shí)計(jì)數(shù)功能由DSP自帶的定時(shí)計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)，共包含三個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器有4個(gè)寄存器：定時(shí)計(jì)數(shù)器TCNT、定時(shí)比較寄存器TCMPR、定時(shí)周期寄存器TPR和定時(shí)控制寄存器TCON。三個(gè)計(jì)數(shù)器的寄存器地址定義在數(shù)據(jù)空間。定時(shí)時(shí)鐘選用內(nèi)部的輸入時(shí)鐘。定時(shí)時(shí)鐘比例因子可編程。

看門狗電路主要用于檢測(cè)程序運(yùn)行周期的超時(shí)故障，它是中央處理單元模塊提高可靠性和保證系統(tǒng)完整性所要求的功能。如果在定時(shí)周期內(nèi)不喂狗，則看門狗計(jì)數(shù)器會(huì)溢出，從而引起機(jī)載設(shè)備復(fù)位。

2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于完成的硬件設(shè)計(jì)電路，依靠軟件進(jìn)行驗(yàn)證是一種必要的手段，不僅可以檢查硬件設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)又可驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能是否滿足要求。

中央處理單元模塊作為機(jī)載設(shè)備的核心模塊，驗(yàn)證軟件依靠2000開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)，該工具包括代碼生成和代碼調(diào)試兩部分，集編譯、連接、加載、調(diào)試于一體;支持ANSI C和匯編的混合編程及邏輯仿真;驗(yàn)證軟件可以動(dòng)態(tài)從宿主機(jī)加載到目標(biāo)機(jī)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，通過比較程序校驗(yàn)和，能正確將生成的目標(biāo)碼燒錄入中央處理單元的外部FLASH中。通過對(duì)電源監(jiān)測(cè)電路、通訊電路、存儲(chǔ)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、離散量輸入電路等進(jìn)行編碼，同時(shí)依靠DSP芯片進(jìn)行解算，完成各種電路的回路測(cè)試，從而驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的合理性。軟件驗(yàn)證概略流程如圖2所示。

3 安全性可靠性設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中對(duì)元器件采用降額設(shè)計(jì)，使電路工作在可靠穩(wěn)定的狀態(tài)，保證系統(tǒng)控制的安全可靠，例如降低微處理器芯片的使用功率，二極管、穩(wěn)壓管的設(shè)計(jì)(功耗)不得超過額定值的70%等，同時(shí)加強(qiáng)電磁兼容設(shè)計(jì)和分析，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在可靠性設(shè)計(jì)方面，要優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，對(duì)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，取得一組最佳參數(shù)，使電路工作于一個(gè)最穩(wěn)定的工作狀態(tài)，對(duì)于較復(fù)雜的功能和較關(guān)鍵的邏輯電路要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮模塊上功能單元的可測(cè)試性。

4 小結(jié)

本文介紹的中央處理單元模塊已在機(jī)載設(shè)備中通過了高低溫、振動(dòng)等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)需求，并且安裝在飛行器上完成了多種飛行任務(wù)，可靠性安全性都得到了驗(yàn)證?？梢?，本文提出的設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的參考性及實(shí)用性。