CPLD與16C554在航空發(fā)動機參數(shù)采集器中的應用

0 引 言

隨著航空工業(yè)和計算機工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的機械式儀表已經(jīng)逐漸被數(shù)字顯示儀表所替代，嵌入式系統(tǒng)越來越多地應用于航空儀表之中。航空發(fā)動機是飛機上最重要的部件之一，需要測量的數(shù)據(jù)較多，而其各項參數(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時性要求非常高。

發(fā)動機參數(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)動機的狀態(tài)給飛行員，使飛行員能夠實時了解到發(fā)動機的工作情況。發(fā)動機參數(shù)采集顯示系統(tǒng)由發(fā)動機參數(shù)采集器和發(fā)動機參數(shù)顯示器2部分組成。發(fā)動機參數(shù)采集器的主要功能是對發(fā)動機主要傳感器輸出的信號進行調理、采集和處理并輸出給顯示設備進行顯示。隨著航空發(fā)動機及其附屬系統(tǒng)越來越復雜，需要測量的參數(shù)以及需要進行數(shù)據(jù)交聯(lián)的設備越來越多。這就要求發(fā)動機參數(shù)采集器具有實時性、可靠性、嵌入性等特點。同時還要考慮到低成本的設計原則和實際工程應用中低功耗的特點。這些條件在系統(tǒng)設計時都需要綜合考慮以達到最優(yōu)化的性能設計。

隨著集成電路技術的高速發(fā)展，可編程專業(yè)集成電路的集成度越來越高，功能越來越強大，用可編程邏輯器件進行的集成設計已經(jīng)逐步取代了基于標準邏輯器件的設計，成為專用集成電路(ASIC)設計的一個重要分支。更重要的是，利用新的Top-Down設計方法，使得系統(tǒng)的設計從一開始就能夠在系統(tǒng)級的行為描述上得到驗證，有效避免了系統(tǒng)設計上的錯誤，減少了設計過程的反復。因此，在嵌入式系統(tǒng)設計中使用可編程邏輯器件，是實現(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)動機參數(shù)采集器系統(tǒng)概述

航空發(fā)動機參數(shù)采集器的主要任務是采集發(fā)動機以及滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、旋翼和主減速器的各項參數(shù)，進行數(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)以及其他設備進行顯示或使用；并且當出現(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、開關量以及頻率量。根據(jù)發(fā)動機參數(shù)采集器系統(tǒng)的信號處理及數(shù)據(jù)通訊任務的特點，我們采用了美國德州儀器公司(以下簡稱美國TI公司)的TMS320C31浮點型數(shù)字信號處理器作為發(fā)動機參數(shù)采集器的控制核心。TMS320C31是TI公司的浮點型數(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構，即程序和數(shù)據(jù)采用2個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址和取址，故取址和編址能完全重疊運行；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位浮點運算和其它功能，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、復位等信號。TMS320C31上述功能和特點，使得復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。

2 CPLD和16C554在航空發(fā)動機參數(shù)采集器中的應用

2.1 復雜可編程邏輯器件(CPLD)

可編程邏輯器件通?？煞譃?大類：通用陣列邏輯(generic array logic)、現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammable gate array)和復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device)。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)動機參數(shù)采集器系統(tǒng)選用了Xilinx公司的CPLD(XC95144)。按照邏輯關系，編寫出邏輯控制方程，XC95144的程序通過JTAG接口的在線動態(tài)可編程專用電纜下載后，即可實現(xiàn)邏輯控制。

2.2 CPLD的接口電路

利用復雜可編程器件CPLD設計DSP擴展外設電路的譯碼電路，可以使設計者在系統(tǒng)內(nèi)進行編程，布局、布線都很方便。芯片不必脫離線路板就可以更新設計并下載邏輯電路程序，真正實現(xiàn)了硬件軟件化，從而使開發(fā)周期大大縮短，使設計風險大大縮小，CPLD的接口電路框圖如圖1所示。

本文最終實現(xiàn)的發(fā)動機參數(shù)采集器系統(tǒng)是在原有DSP組成的高速信號處理的基礎上，外加了CPLD芯片構成。接口器件A／D、16C554和DSP的連接完全是通過CPLD實現(xiàn)的。由于使用了CPLD，在PCB設計階段可根據(jù)需要調整引腳位置，走線距離縮短，使線路的抗電磁干擾能力增強，有效地減少了PCB設計的工作難度和系統(tǒng)的開發(fā)周期。

數(shù)據(jù)線、地址線等時序信號按照規(guī)定的邏輯關系工作。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連，所以設計的邏輯電路具有時間的可測性。本文設計所選用的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15 ns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，調試硬件時更改邏輯控制信號。按照邏輯關系，編寫出邏輯控制方程，通過JTAG接口的在線動態(tài)可編程用專用電纜下載后，即可實現(xiàn)邏輯控制。

2.3 16C554在串口擴展中的應用

本文所設計的發(fā)動機參數(shù)采集器系統(tǒng)需要多個串行口與外界進行數(shù)據(jù)通信，而TI公司的TMS320C31數(shù)字信號處理器設計串口的方法一般是利用通用的I／O口線來構成串口，并由軟件來設定波特率。這在DSP使用率較低的情況下比較有用；但是當通信實時性要求較高時，就應該通過擴展異步通信芯片來實現(xiàn)高速串行通信。

對于并口的設計方法，因為DSP輸入／輸出資源有限，因此，只能利用擴展異步通信芯片或者總線接口來擴展打印口。EXAR公司的異步通信芯片ST16C554正是可以同時實現(xiàn)擴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。可以利用單一的中斷源來管理多個擴展串口，并保證多個串口中斷的無漏檢測與應答。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。通過外加電平轉換芯片就可以實現(xiàn)RS232，RS422，RS485通信(本文所設計的發(fā)參系統(tǒng)沒有采用RS485通信)。

2.4 串行口中斷處理說明

DSP TMS320C31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一次中斷，因此為了使DSP能識別外中斷而且不被重復檢測以免再次進入中斷使系統(tǒng)混亂，必須使低電平窄脈沖的脈寬τ滿足：1T≤τ≤2 T(T為H1／H3的周期)。

因為DSP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，最后產(chǎn)生1路中斷送至DSP，處理原理為當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換為2個H3寬度的低脈沖。

3 軟件設計

本文使用的CPLD開發(fā)系統(tǒng)是Xilinx公司的ISE 6.x系列，該開發(fā)工具功能強大，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Verilog HDL和電路圖(schematic)中的任意一種設計方法均可。

3.1 CPLD的邏輯實現(xiàn)

系統(tǒng)通過地址線來對外部接口器件進行尋址，16C554的片選信號是通過CPLD來實現(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計

在本系統(tǒng)中，外部晶振頻率為1.843 2MHz，通信格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗，工作在中斷方式，16C554四個串口通道各自獨立工作。串口初始化程序以及接收、發(fā)送中斷讀取程序如下：

4 結束語

通過16C554擴展串口，其硬件接口電路簡單；復雜可編程器件CPLD的使用，將DSP較強的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理能力以高集成度、高可靠性、高速度有機地結合起來，從而使設計的系統(tǒng)具有較高的性能價格比，設計成本和風險大大降低。