基于PIC18LF6520的專用接口板設(shè)計(jì)

　　在低成本MIMU/MR/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，不僅系統(tǒng)內(nèi)部各種設(shè)備之間存在大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，而且系統(tǒng)與外界的一些設(shè)備之間也要進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。然而，協(xié)同工作的不同設(shè)備的接口各不相同而且傳輸協(xié)議也有差異，導(dǎo)致這些設(shè)備之間不能夠直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。市場(chǎng)上常見的接口卡，綜合考慮其性能、尺寸和成本等因素不適合于低成本MIMU/MR/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，研制一種專用的接口板，滿足組合導(dǎo)航系統(tǒng)中不同設(shè)備間數(shù)據(jù)交互的需要，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

　　2、設(shè)計(jì)要求

　　低成本MIMU/MR/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從圖中可以地看到，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)分機(jī)設(shè)備以及系統(tǒng)外部相關(guān)設(shè)備的接口各不相同而且傳輸協(xié)議也有差異：OEM板使用RS-232異步串口交換數(shù)據(jù);導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;MIMU、磁傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等直接輸出模擬差分信號(hào);系統(tǒng)則通過RS-485和RS-232與系統(tǒng)外設(shè)備進(jìn)行通訊。這些設(shè)備之間不能夠直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因而要求研制一種專用接口板，在各種設(shè)備間架起一座通訊的“橋梁”，對(duì)接口板的各項(xiàng)要求參見表1。

　　3、硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 控制器的選擇

　　本設(shè)計(jì)中控制器選用Microchip公司的PIC18LF6520單片機(jī)。該單片機(jī)包含2個(gè)RS232串口，配置有一個(gè)主控同步串行端口(MSSP)模塊，復(fù)用一個(gè)從動(dòng)并行端口(PCP)，完全可以滿足本系統(tǒng)中各種設(shè)備的接口要求。另外，PICLF6520有7個(gè)并行端口,每個(gè)端口中的每根引腳都可以用軟件的方式單獨(dú)編程，控制能力強(qiáng)大;自帶1K字節(jié)的電可擦寫EEPROM存儲(chǔ)器，擁有32K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器，2048字節(jié)的RAM、豐富的中斷源，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)?？撮T狗可以提高軟件運(yùn)行的可靠性，RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))指令易學(xué)易用，ICSP(在線可編程)方便可調(diào)。

　　3.2 接口板與OEM板的接口設(shè)計(jì)

　　接口板與GPS接收機(jī)接口的主要作用是接收GPS數(shù)據(jù)，并向GPS接收機(jī)發(fā)送控制指令。主要通過接口板上的PIC18LF6520來實(shí)現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)采用的GPS接收機(jī)是NovAtel公司的SuperStar II GPS-OEM板，它采用RS-232異步串行口(波特率范圍在300Hz到38.4KHz)通過報(bào)文的形式與外部設(shè)備進(jìn)行信息的交換并對(duì)其控制。SuperStar II GPS-OEM接收機(jī)具有20針的接口端子，設(shè)計(jì)中使用部分的管腳定義如表2所示。

　　PIC18LF6520本身帶有全雙工的異步串行口(UART)，因此兩者之間的接口電路只需增加一個(gè)ADM232AARN電平轉(zhuǎn)換芯片即可，原理圖參見圖2。在初始化SuperStar II GPS-OEM接收機(jī)和單片機(jī)串行口時(shí)定義相同的波特率、字符長(zhǎng)度、停止位數(shù)、偶/奇/無校驗(yàn)等，兩者之間的通信采用中斷工作方式。

　　3.3 接口板與主慣導(dǎo)、控制機(jī)構(gòu)的接口設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，低成本的MIMU/MR/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)需要從主慣導(dǎo)傳送初始化數(shù)據(jù)和初始對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，由于通常傳輸距離較遠(yuǎn)，為保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，采用RS-485/422通信協(xié)議。初始化完成后，該端口可用于向控制機(jī)構(gòu)傳遞經(jīng)過運(yùn)算后的導(dǎo)航參數(shù)，這時(shí)距離較近，可采用RS-232通信協(xié)議。本設(shè)計(jì)中采用PIC18LF6520、ADM232AARN和ADM3491芯片并輔以少量其它電路，僅需要通過對(duì)相應(yīng)管腳進(jìn)行編程控制，方便地實(shí)現(xiàn)了RS-232/485/422多協(xié)議異步串口，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航處理器與主慣導(dǎo)或控制機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信。

　　PIC18LF6520通過ADM232AARN、ADM3491芯片實(shí)現(xiàn)與主慣導(dǎo)和控制機(jī)構(gòu)間通訊的多協(xié)議串口硬件電路如圖3所示。當(dāng)接口板需要與主慣導(dǎo)通訊時(shí)，由控制機(jī)構(gòu)發(fā)送指令給接口板上PIC18LF6520的UART1端口，UART1端口響應(yīng)中斷并分別使能ADM3491芯片的輸入/出管腳;在導(dǎo)航解算工作模式下，將ADM3491設(shè)置為節(jié)電模式，切斷接口板與主慣導(dǎo)的通訊。

　　
圖3 接口板與外部設(shè)備的接口

　　3.4 接口板與MIMU、磁傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器的接口設(shè)計(jì)

　　MIMU、磁傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器輸出的都是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能被系統(tǒng)使用。其中，MIMU輸出三個(gè)軸向的加速度信號(hào)、三個(gè)角速度信號(hào)和三個(gè)溫度補(bǔ)償信號(hào);磁傳感器輸出三個(gè)軸向的磁強(qiáng)信號(hào);溫度傳感器的量程為-400C～+1250C;壓力傳感器的量程為15kPa～115kPa。上述信號(hào)都以差分形式輸出，差分電壓范圍為-2.5V～+2.5V。

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片選用AD公司生產(chǎn)的ADS1254E，ADS1254E是具有24位精度的4通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，每路通道均為差分輸入信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中使用了4片ADS1254E芯片組成一個(gè)16通道的A/D轉(zhuǎn)換電路。

　　ADS1254E芯片的精密參考電壓輸入管腳接入2.5V，由接口板上一個(gè)2.5V的精密電壓產(chǎn)生模塊供給。ADS1254E有4路差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入通道，而每次僅能串行輸出1路通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，切換通道的控制信號(hào)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供。另外，ADS1254E還需要2路時(shí)鐘信號(hào)，即采樣時(shí)鐘信號(hào)和串行輸出時(shí)鐘信號(hào)，4片ADS1254E的時(shí)鐘信號(hào)嚴(yán)格同步，均由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供。詳細(xì)的硬件結(jié)構(gòu)圖參見圖4。

　　3.5 接口板與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的接口設(shè)計(jì)

　　接口板與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的接口比較多，主要接口有：與PIC18LF6520通訊的SPI總線，包括電源、地、仿真口、LED指示燈輸入電壓、PPS信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換電路輸入/出信號(hào)等相關(guān)I/O口，與外部設(shè)備通訊的擴(kuò)展UART端口。

　　PIC18LF6520與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過SPI總線通訊，利用PIC18LF6520的MSSP模塊來實(shí)現(xiàn)。PIC18LF6520的MSSP模塊可以工作在兩種模式，即SPI模式和I2C模式，本設(shè)計(jì)中使用SPI工作模式，需要復(fù)用單片機(jī)的RC3、RC4、RC5和RF7管腳;導(dǎo)航計(jì)算機(jī)需要為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的AD芯片提供2路時(shí)鐘信號(hào)、2路通道選擇信號(hào)，并且接收4路數(shù)字串行輸出信號(hào);最后，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和接口板之間還留有2個(gè)UART擴(kuò)展端口，為以后的系統(tǒng)升級(jí)提供了方便。硬件結(jié)構(gòu)圖參見圖5，需要注意的是SEL0、SEL1是AD芯片的通道選擇信號(hào)，4片AD芯片的通道選擇信號(hào)相同，CLK、SCLK分別是AD芯片的采樣時(shí)鐘信號(hào)和串行數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘信號(hào)，4片AD的時(shí)鐘同步。

　　4、軟件設(shè)計(jì)

　　接口板的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)PIC18LF6520的編程，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、GPS-OEM板、控制機(jī)構(gòu)和主慣導(dǎo)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。軟件設(shè)計(jì)分為主程序設(shè)計(jì)部分和中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)部分。主程序上電后執(zhí)行參數(shù)的初始化和端口設(shè)置(SPI端口初始設(shè)置為主模式)，然后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài);中斷服務(wù)子程序響應(yīng)UART端口的中斷請(qǐng)求，判斷中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序流程圖參見圖6。

　　如果是UART1端口的中斷，則程序跳轉(zhuǎn)到UART1的中斷服務(wù)子程序中來。UART1端口負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的指令，控制切換整個(gè)系統(tǒng)的工作模式，并且根據(jù)需要設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)。程序流程圖參見圖7。

　　如果是UART2端口的中斷，則程序跳轉(zhuǎn)到UART2的中斷服務(wù)子程序中來。UART2端口主要是根據(jù)當(dāng)前的工作模式，響應(yīng)OEM板GPS數(shù)據(jù)的中斷，實(shí)時(shí)采集OEM接收板串行輸出的導(dǎo)航電文，同時(shí)完成電文的解碼。具體執(zhí)行流程圖參見圖8。

　　5、結(jié)論

　　本文所設(shè)計(jì)的接口板成功地解決了低成本MIMU/MR/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中具有不同接口的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊問題。對(duì)比市場(chǎng)上常見的一些接口卡，本接口板成本低、尺寸小(只有134mm×116mm)，功能集成度高，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試、使用，證明其性能可靠，功能強(qiáng)大，具有一定的通用性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]種秩萌 王 亮 韓崇昭 李峰. 基于DSP和FPGA的ARINC429機(jī)載總線接口板的硬件設(shè)計(jì)[J], 集成電路應(yīng)用，2004,29(4):65-67

　　[2]NovAtel Company. SUPERSTAR II Firmware Reference Manual[EB/OL]. Publication No. OM-20000086,2005.06