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精品文檔-下載后可編輯CPLD與16C554在航空發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用0引言隨著航空工業(yè)和計(jì)算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表已經(jīng)逐漸被數(shù)字顯示儀表所替代,嵌入式系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于航空儀表之中。航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)上重要的部件之一,需要測量的數(shù)據(jù)較多,而其各項(xiàng)參數(shù)對于駕駛員來說都是非常重要的信息,并且對信號采集的精度和實(shí)時性要求非常高。
發(fā)動機(jī)參數(shù)采集顯示系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分,也是座艙顯示系統(tǒng)的一部分,它在飛行過程中顯示發(fā)動機(jī)的狀態(tài)給飛行員,使飛行員能夠?qū)崟r了解到發(fā)動機(jī)的工作情況。發(fā)動機(jī)參數(shù)采集顯示系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器和發(fā)動機(jī)參數(shù)顯示器2部分組成。發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器的主要功能是對發(fā)動機(jī)主要傳感器輸出的信號進(jìn)行調(diào)理、采集和處理并輸出給顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。隨著航空發(fā)動機(jī)及其附屬系統(tǒng)越來越復(fù)雜,需要測量的參數(shù)以及需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交聯(lián)的設(shè)備越來越多。這就要求發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器具有實(shí)時性、可靠性、嵌入性等特點(diǎn)。同時還要考慮到低成本的設(shè)計(jì)原則和實(shí)際工程應(yīng)用中低功耗的特點(diǎn)。這些條件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時都需要綜合考慮以達(dá)到化的性能設(shè)計(jì)。
隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展,可編程集成電路的集成度越來越高,功能越來越強(qiáng)大,用可編程邏輯器件進(jìn)行的集成設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步取代了基于標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的設(shè)計(jì),成為專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)的一個重要分支。更重要的是,利用新的Top-Down設(shè)計(jì)方法,使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從一開始就能夠在系統(tǒng)級的行為描述上得到驗(yàn)證,有效避免了系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的錯誤,減少了設(shè)計(jì)過程的反復(fù)。因此,在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用可編程邏輯器件,是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化、集成化、高可靠性、低成本和低功耗等的有效途徑。
1航空發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器系統(tǒng)概述
航空發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器的主要任務(wù)是采集發(fā)動機(jī)以及滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、旋翼和主減速器的各項(xiàng)參數(shù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打包后,通過串行通訊鏈路發(fā)送給顯示系統(tǒng)以及其他設(shè)備進(jìn)行顯示或使用;并且當(dāng)出現(xiàn)告警時,將告警信號發(fā)送給告警系統(tǒng);此外還輸出傳感器激勵電源為傳感器供電。需要采集的參數(shù)較多,主要類型有:模擬量、開關(guān)量以及頻率量。根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器系統(tǒng)的信號處理及數(shù)據(jù)通訊任務(wù)的特點(diǎn),我們采用了美國德州儀器公司(以下簡稱美國TI公司)的TMS320C31浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器作為發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器的控制。TMS320C31是TI公司的浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器,它是一種高性能32位微處理器,其內(nèi)部總線采用了哈佛結(jié)構(gòu),即程序和數(shù)據(jù)采用2個獨(dú)立的存儲器,每個存儲器獨(dú)立編址和取址,故取址和編址能完全重疊運(yùn)行;并采用流水線作業(yè)方式,1個時鐘周期可執(zhí)行1條指令;片內(nèi)具有專用硬件乘法器,片上集成有40位浮點(diǎn)運(yùn)算和其它功能,具有支持邊界掃描測試功能等。TMS320C31處理器的中斷資源包括4種外部中斷:串口發(fā)送、接收中斷,2個定時器中斷及DMA中斷,這些均為電平觸發(fā)中斷并且都可通過軟件設(shè)置來完成。此外,TMS320C311個仿真器接口、2個互鎖信號:XF0、XF1以及其它的保持、復(fù)位等信號。TMS320C31上述功能和特點(diǎn),使得復(fù)雜的控制和算法完全可以在規(guī)定時間內(nèi)完成,而且滿足精度要求。
2CPLD和16C554在航空發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器中的應(yīng)用
2.1復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)
可編程邏輯器件通??煞譃?大類:通用陣列邏輯(genericarraylogic)、現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray)和復(fù)雜可編程邏輯器件(complexprogrammablelogicdevice)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器系統(tǒng)選用了Xilinx公司的CPLD(XC95144)。按照邏輯關(guān)系,編寫出邏輯控制方程,XC95144的程序通過JTAG接口的在線動態(tài)可編程專用電纜后,即可實(shí)現(xiàn)邏輯控制。
2.2CPLD的接口電路
利用復(fù)雜可編程器件CPLD設(shè)計(jì)DSP擴(kuò)展外設(shè)電路的譯碼電路,可以使設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行編程,布局、布線都很方便。芯片不必脫離線路板就可以更新設(shè)計(jì)并邏輯電路程序,真正實(shí)現(xiàn)了硬件軟件化,從而使開發(fā)周期大大縮短,使設(shè)計(jì)風(fēng)險大大縮小,CPLD的接口電路框圖如圖1所示。
本文終實(shí)現(xiàn)的發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器系統(tǒng)是在原有DSP組成的高速信號處理的基礎(chǔ)上,外加了CPLD芯片構(gòu)成。接口器件A/D、16C554和DSP的連接完全是通過CPLD實(shí)現(xiàn)的。由于使用了CPLD,在PCB設(shè)計(jì)階段可根據(jù)需要調(diào)整引腳位置,走線距離縮短,使線路的抗電磁干擾能力增強(qiáng),有效地減少了PCB設(shè)計(jì)的工作難度和系統(tǒng)的開發(fā)周期。
數(shù)據(jù)線、地址線等時序信號按照規(guī)定的邏輯關(guān)系工作。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連,所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時間的可測性。本文設(shè)計(jì)所選用的CPLD是Xilinx公司的XC95144芯片,它有144個宏單元,3200個可用邏輯門,100個輸入輸出引腳(81個可用I/O引腳)。這一基于EEPROM的器件能夠提供組合和傳輸延遲在15ns以內(nèi),它的輸入寄存器建立時間非常短,而且能夠提供多個系統(tǒng)時鐘,具有可編程的速度/功率控制。通過對系統(tǒng)所需的邏輯控制信號數(shù)目的分析,調(diào)試硬件時更改邏輯控制信號。按照邏輯關(guān)系,編寫出邏輯控制方程,通過JTAG接口的在線動態(tài)可編程用專用電纜后,即可實(shí)現(xiàn)邏輯控制。
2.316C554在串口擴(kuò)展中的應(yīng)用
本文所設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)參數(shù)采集器系統(tǒng)需要多個串行口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,而TI公司的TMS320C31數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)串口的方法一般是利用通用的I/O口線來構(gòu)成串口,并由軟件來設(shè)定波特率。這在DSP使用率較低的情況下比較有用;但是當(dāng)通信實(shí)時性要求較高時,就應(yīng)該通過擴(kuò)展異步通信芯片來實(shí)現(xiàn)高速串行通信。
對于并口的設(shè)計(jì)方法,因?yàn)镈SP輸入/輸出資源有限,因此,只能利用擴(kuò)展異步通信芯片或者總線接口來擴(kuò)展打印口。EXAR公司的異步通信芯片ST16C554正是可以同時實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展串行口和并行口通信的理想芯片。該芯片內(nèi)含4個16C550異步通信單元,每個單元獨(dú)立控制發(fā)送與接收,且具有16字節(jié)FIFO以減少中斷請求次數(shù),波特率發(fā)生器可編程??梢岳脝我坏闹袛嘣磥砉芾矶鄠€擴(kuò)展串口,并保證多個串口中斷的無漏檢測與應(yīng)答。16C554與DSP的連接如圖2所示。16C554內(nèi)部共有12個寄存器,可分別用于對通信參數(shù)的設(shè)置、對線路狀態(tài)的訪問、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及中斷管理等功能。通過外加電平轉(zhuǎn)換芯片就可以實(shí)現(xiàn)RS232,RS422,RS485通信(本文所設(shè)計(jì)的發(fā)參系統(tǒng)沒有采用RS485通信)。
2.4串行口中斷處理說明
DSPTMS320C31不支持邊沿觸發(fā)中斷方式只支持電平觸發(fā)中斷方式,而串行口ST16C554為邊沿觸發(fā)中斷方式,因此需用CPLD將上邊沿轉(zhuǎn)化為一個脈寬合適的低電平窄脈沖。由于TMS320C31正H1時鐘的下降沿檢測中斷引腳,因此,低電平窄脈沖的脈寬必須大于一個H1。另一方面,TMS320C31每兩個H1時鐘周期在同一個中斷引腳檢測中斷,因此為了使DSP能識別外中斷而且不被重復(fù)檢測以免再次進(jìn)入中斷使系統(tǒng)混亂,必須使低電平窄脈沖的脈寬τ滿足:1T≤τ≤2T(T為H1/H3的周期)。
因?yàn)镈SP外部中斷引腳為4個,可用外部中斷只有3個,而4路串口可以產(chǎn)生4個中斷源,因此需通過CPLD處理,產(chǎn)生1路中斷送至DSP,處理原理為當(dāng)4路中任何一路有中斷請求時就產(chǎn)生中斷信號,并將4路中斷的狀態(tài)存入寄存器,DSP可利用數(shù)據(jù)線訪問寄存器以確定具體是哪路產(chǎn)生的中斷。
串行口中斷處理仿真圖如圖3所示,功能是把串行口中斷高電平轉(zhuǎn)換為2個H3寬度的低脈沖。
3軟件設(shè)計(jì)
本文使用的CPLD開發(fā)系統(tǒng)是Xilinx公司的ISE6.x系列,該開發(fā)工具功能強(qiáng)大,使用方便。使用美國國防部開發(fā)的超高速集成電路硬件描述語言(VHDL)、Verilog公司開發(fā)的VerilogHDL和電路圖(schematic)中的任意一種設(shè)計(jì)方法均可。
3.1CPLD的邏輯實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)通過地址線來對外部接口器件進(jìn)行尋址,16C554的片選信號是通過CPLD來實(shí)現(xiàn)的,下面給出了VerilogHDL描述語言的程序:
3.2異步串口通信程序的設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中,外部晶振頻率為1.8432MHz,通信格式為8位數(shù)據(jù)位,1
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