一種機載設備的中央處理單元模塊的設計與實(shí)現

摘要：文章介紹了一種機載設備的中央處理單元模塊設計與實(shí)現。機載設備通過(guò)RS422通訊接收飛行控制系統發(fā)來(lái)的指令信號，中央處理單元完成控制、數據解算、A/D轉換等功能，將結果反饋給執行機構，從而實(shí)現機載設備的預期功能。本設備己在飛機上使用，使用結果良好，因此具有較強的參考性和實(shí)用性。

0 引言

不管是在公共航空運輸事業(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到的指標要求。本文中，提出了一種以DSP作為核心處理器的機載設備中央處理單元，經(jīng)過(guò)試驗驗證，可以安全、可靠地應用在飛行器中。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統結構

根據機載設備中央處理單元的核心功能，系統結構如圖1所示。

1.2 電源監測電路

機載設備由1路28V電源供電，通過(guò)電源模塊完成二次電源轉換，其中，+5V、+15V和-15V電源由機載設備其他模塊負責前端處理，再送至DSP芯片的A/D轉換電路。

1.3 功能電路

中央處理單元主要完成高速數字信號處理、A/D轉換、串行RS422/RS232通訊。包括串行口通訊、存儲電路、A/D轉換器電路、離散量輸入電路。

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

中央處理單元模塊的通信接口設計為兩路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?？刂菩酒涌跀祿偩€(xiàn)為8位數據寬度。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)現數據串并轉換，送至底板總線(xiàn)。

存儲電路包括FLASH存儲器和RAM存儲器。FLASH存儲器可以存儲驗證軟件的目標代碼，在空中狀態(tài)下，中央處理單元模塊通過(guò)加載FLASH存儲器中的代碼進(jìn)行機載設備的功能驗證工作。RAM存儲器包含DSP片內RAM和DSP片外RAM，片內RAM存儲器主要用于存儲少量數據和中間結果，片外擴展RAM存儲器用于存儲運行程序、數據和中間結果，在驗證軟件調試過(guò)程中用來(lái)加載過(guò)程代碼。

DSP的A/D轉換電路可同時(shí)采樣和處理2路0～5V模擬量輸入信號，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轉換器和2級深度的FIFO。ADC是10位轉換器，轉換碼值計算公式：

式(1)中ADDC為轉換碼值，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)口都為復用端口，需要設置定義成輸入端口。8個(gè)PB口和4個(gè)PC口組成12位TTL電平離散量，通過(guò)軟件設置寄存器的方式分別配置PB口地址和PC口地址進(jìn)行離散量數據采集。

1.4 功能輔助電路

作為功能電路的輔助電路，主要包括復位電路、定時(shí)計數電路、看門(mén)狗電路。其中，復位電路產(chǎn)生DSP處理器復位信號和底板總線(xiàn)復位信號。復位電路是由復位芯片來(lái)完成的，復位芯片復位產(chǎn)生的條件包括：加電復位、掉電復位、手動(dòng)復位。

定時(shí)計數功能是作為中央處理單元模塊的常用功能。定時(shí)計數功能由DSP自帶的定時(shí)計數電路實(shí)現，共包含三個(gè)16位定時(shí)計數器，每個(gè)計數器有4個(gè)寄存器：定時(shí)計數器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)計數器的寄存器地址定義在數據空間。定時(shí)時(shí)鐘選用內部的輸入時(shí)鐘。定時(shí)時(shí)鐘比例因子可編程。

看門(mén)狗電路主要用于檢測程序運行周期的超時(shí)故障，它是中央處理單元模塊提高可靠性和保證系統完整性所要求的功能。如果在定時(shí)周期內不喂狗，則看門(mén)狗計數器會(huì )溢出，從而引起機載設備復位。

2 軟件設計

對于完成的硬件設計電路，依靠軟件進(jìn)行驗證是一種必要的手段，不僅可以檢查硬件設計的正確性，同時(shí)又可驗證產(chǎn)品設計的功能是否滿(mǎn)足要求。

中央處理單元模塊作為機載設備的核心模塊，驗證軟件依靠2000開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)試驗，該工具包括代碼生成和代碼調試兩部分，集編譯、連接、加載、調試于一體;支持ANSI C和匯編的混合編程及邏輯仿真;驗證軟件可以動(dòng)態(tài)從宿主機加載到目標機進(jìn)行調試運行，通過(guò)比較程序校驗和，能正確將生成的目標碼燒錄入中央處理單元的外部FLASH中。通過(guò)對電源監測電路、通訊電路、存儲電路、A/D轉換電路、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試，從而驗證硬件電路設計的合理性。軟件驗證概略流程如圖2所示。

3 安全性可靠性設計

在設計中對元器件采用降額設計，使電路工作在可靠穩定的狀態(tài)，保證系統控制的安全可靠，例如降低微處理器芯片的使用功率，二極管、穩壓管的設計(功耗)不得超過(guò)額定值的70%等，同時(shí)加強電磁兼容設計和分析，滿(mǎn)足系統設計要求。在可靠性設計方面，要優(yōu)化電路設計，對電路結構設計、參數計算時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，取得一組最佳參數，使電路工作于一個(gè)最穩定的工作狀態(tài)，對于較復雜的功能和較關(guān)鍵的邏輯電路要經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，設計時(shí)要考慮模塊上功能單元的可測試性。

4 小結

本文介紹的中央處理單元模塊已在機載設備中通過(guò)了高低溫、振動(dòng)等試驗，試驗結果顯示，各項技術(shù)指標均滿(mǎn)足設計需求，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證?？梢?jiàn)，本文提出的設計方法具有較強的參考性及實(shí)用性。