基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２多種總線的ＩＳＡ卡設(shè)計(jì)

（西北工業(yè)大學(xué)， 陜西 西安 710072）

摘 要：針對(duì)某型無人機(jī)導(dǎo)航/飛控聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)多種通信接口的需求，采用DSP處理器、雙口RAM和工控PC機(jī)的ISA總線來完成CAN，RS 422，RS 485，TTL232/RS 232等多總線接口電路的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。可方便無人機(jī)飛控系統(tǒng)的調(diào)試和仿真，且可廣泛應(yīng)用到多總線的工控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī)； DSP； ISA； CAN總線

中圖法分類號(hào)： TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1001 3695(2006)08 0209 03

Design of Multi bus Card for Based on TMS320F2812 DSP

JIA Wei， YAN Jian guo， QU Yao hong， GAO Jian yao

（Northwestern Polytechnical University， Xi’ an Shanxi 710072， China）

Abstract: In order to meeting some UAV’ s flight controller’ s communication，digital signal processor TMS320F2812，dual port RAM，bus driver chip and industrial PC’ s ISA Bus are introduced in the design of multi bus interface circuit. The design is simple and applied which is not only convenient for testing UAV’ s flight controller and hardware in loop emulation，but also fit for industrial control system with multi bus.

Key words: UAV； DSP； ISA； CAN bus

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，低成本、高可靠性、多功能結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航/控制系統(tǒng)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一[1]。為了減小開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低設(shè)計(jì)成本，搭建多種總線的地面仿真和測(cè)試平臺(tái)是非常必要的。目前，無人機(jī)導(dǎo)航/飛控系統(tǒng)的GPS模塊多采用RS 232總線結(jié)構(gòu)，無線電鏈路和任務(wù)管理采用RS 422/RS 485總線結(jié)構(gòu)[2，3]，而在閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)及故障檢測(cè)中，通常采用CAN總線和RS 232總線結(jié)構(gòu)。另一方面，為了便于調(diào)試，通常需要在工控PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)這些總線接口。然而目前采用的通信接口卡大都存在功能單一的缺點(diǎn)，盡管可以利用PC機(jī)串口通過轉(zhuǎn)接線來實(shí)現(xiàn)總線接口的轉(zhuǎn)換，但PC機(jī)的串口是有限的，往往滿足不了上述要求。為了適應(yīng)實(shí)際當(dāng)中多種總線應(yīng)用的變化，縮短開發(fā)周期，本文主要研究了基于ISA總線接口卡的開發(fā)。利用DSP器件TMS320F2812和雙口RAM器件IDT70V27以及相應(yīng)的總線驅(qū)動(dòng)芯片，以簡(jiǎn)潔的電路實(shí)現(xiàn)了多串行總線到ISA總線的通信轉(zhuǎn)換。

1 硬件原理設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要分兩部分：一是板上處理器如何實(shí)現(xiàn)多種串行總線的連接；二是板上處理器與SA總線如何實(shí)現(xiàn)橋接。前者在采用含多串口的處理器（F2812）的同時(shí)，利用相應(yīng)器件進(jìn)行串口擴(kuò)展，后者一般采用多端口RAM進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

由于TI公司的DSP器件TMS320F2812（F2812）具有150MHz的工作頻率和內(nèi)部128KB Flash和豐富的串行口(包括CAN，McBSP，SPI和2SCI)[4]，因此以該DSP為核心，很容易實(shí)現(xiàn)多串行總線的連接。采用3.3V供電的 RS 485/ RS 422驅(qū)動(dòng)芯片MAX3490分別與F2812的兩個(gè)SCI相連RS 485/RS 422通信；通過MAX3111與SPI相連，擴(kuò)展了通用異步串行接口（UART），可實(shí)現(xiàn)RS 232 和RS 422復(fù)用的總線[6]；CAN總線接口通過SN65HVD232來實(shí)現(xiàn)。另外，為了保證板卡的司令部F2812的安全，需要進(jìn)行電路隔離：①在F2812各對(duì)外串行接口中進(jìn)行光電隔離。②進(jìn)行電源隔離。串口隔離采用高頻光隔6N137實(shí)現(xiàn)，由于其上限頻率達(dá)10MHz，滿足上述各總線的通信速率要求；電源隔離采用TI公司的隔離式 DC\\DC 模塊DCR010503P對(duì)總線驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行供電。

為了滿足多串口通信帶來的數(shù)據(jù)負(fù)荷，F(xiàn)2812與ISA總線通過IDT公司的雙口RAMIDT70V27完成數(shù)據(jù)交換。由于IDT70V27具有＋3.3V和＋5V電壓的兼容性，所以可以直接與F2812和ISA總線相連，且其容量大、讀寫時(shí)間短，滿足大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。基于以上設(shè)計(jì)，多種總線的ISA接口卡原理框圖如圖1所示。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 ISA總線、DSP和雙口RAM間的接口

PC機(jī)對(duì)接口的尋址有兩種方法：①將雙口RAM當(dāng)成外部設(shè)備，使用端口I／O指令進(jìn)行訪問，該方法一次只能傳送一個(gè)字節(jié)或字，因而傳送速度較慢；②內(nèi)存映像法，將雙口RAM地址配置于PC機(jī)主存儲(chǔ)器的高端(一般為C0000H DFFFFH)，以使PC機(jī)像訪問主存儲(chǔ)器一樣訪問雙口RAM，同時(shí)使所有能夠訪問主存儲(chǔ)器的指令也能以同樣的方式訪問雙口RAM。內(nèi)存映像法能以字符塊為單位進(jìn)行傳送，因而可實(shí)現(xiàn)快速訪問雙口RAM。因此這里采用存儲(chǔ)器內(nèi)存映射的尋址方式。

雙口RAM存儲(chǔ)器IDT70V27具有32KB的尋址空間，其特點(diǎn)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。但是，兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)訪問雙口RAM的同一存儲(chǔ)單元?jiǎng)荼卦斐蓴?shù)據(jù)訪問失真。為了防止沖突的發(fā)生，就必須存在訪問仲裁控制。IDT70V27利用BUSY引腳信號(hào)提供的內(nèi)部硬件判優(yōu)的方式，當(dāng)兩端口同時(shí)訪問同一地址單元時(shí)，由片內(nèi)電路根據(jù)兩邊的地址，片選讀寫信號(hào)到達(dá)的先后順序，裁決哪個(gè)端口有使用權(quán)。BUSY信號(hào)可直接接至支持插入等待時(shí)序引腳；為了防止選擇不當(dāng)引起地址沖突而導(dǎo)致死機(jī)，用比較器選擇開關(guān)組成了開關(guān)式可選端口的地址譯碼電路，通過切換開關(guān)狀態(tài)來改變分配給IDT70V27的地址空間，以避免發(fā)生沖突。

ISA總線共有20條地址線，其中A0～A14接IDT70V27的A0L～A14L， A15～A19接74LS686的P0～P4， ALE接P7。74LS686的Q0～Q4接了一個(gè)多位開關(guān)，Q6和Q7都置1。74LS686的輸出信號(hào)作為IDT70V27的左片選信號(hào)。因此，IDT70V27的地址分配在C0000H～DFFFFH之間。由多位開關(guān)的通斷來決定置1還是置0，實(shí)現(xiàn)地址范圍的切換。

DSP側(cè)，地址線的低15線直接與雙口RAM另一側(cè)的地址線相連，片選信號(hào)Zone6、狀態(tài)線和讀寫線分別與雙口RAM的片選線、忙信號(hào)線和讀寫線直接相連，三者的接口電路如圖2所示。

2.2 隔離電路和各總線收發(fā)接口設(shè)計(jì)

為了保證核心器件F2812的安全，在其引出的各個(gè)總線上加隔離是非常必要的。光隔6N137的最高工作頻率是10MHz。該ISA插卡上各串行通信的接口中，波特率最高的是CAN總線，其最高波特率為1MHz，所以采用光隔6N137可以滿足設(shè)計(jì)的要求。板卡除CAN總線外，其他總線均由UART通用異步串行接口與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)芯片相連接構(gòu)成，而CAN總線在結(jié)構(gòu)上與UART相同，所以隔離電路的設(shè)計(jì)基本相同；另外需要進(jìn)行電源隔離，這里主要采用TI公司的隔離DC\\DC模塊DCR010503P進(jìn)行電源隔離，DCR010503P是貼片式封裝，節(jié)省電路板空間，其接口電路如圖3所示。

2.3 串口擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

MAX3111芯片可以實(shí)現(xiàn)SPI至UART的轉(zhuǎn)換，且內(nèi)部具有發(fā)送和接收的雙向FIFO緩存，可以減少對(duì)CPU的中斷并保證高速的數(shù)據(jù)通信。它與F2812 通過SPI總線連接：DSP的發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)(SPICLK)作為MAX3111的串行時(shí)鐘輸入，狀態(tài)信號(hào)(SPISTEA)作為MAX3111的片選信號(hào)(CS)，主機(jī)發(fā)送引腳SPISIMO與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，主機(jī)接受引腳SPISOMI與DOUT連接作為接收數(shù)據(jù)線，為了保證F2812通過SPI接口接收數(shù)據(jù)不丟幀，MZX3111的中斷信號(hào)(IRQ)與DSP的外部中斷相連。另外MAX3111的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，以便利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)ＵＡＲＴ到RS 232的電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)TX和RX分別以“Y”字形分線接至光隔用于擴(kuò)展一路RS 422總線。F2812與MAX3111的接口電路如圖4所示。 

2.4 電源管理電路設(shè)計(jì)

該ISA板上主要分兩部分供電：①光隔一側(cè)是F2812、雙口RAM及DSP外圍器件的供電，這部分器件的工作電壓是 3.3V 的，其中F2812是需要1.8V和3.3V兩種工作電源，而ISA總線插槽上B3引腳提供了5V電源，可以利用該5V電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，為了實(shí)現(xiàn)的方便，選用TI公司的TPS767D318雙輸出穩(wěn)壓芯片，該芯片具有1.8V和3.3V兩種輸出電壓，正常工作時(shí)每路最大輸出電流達(dá)1A，可以完全滿足ISA功耗的要求；②另一側(cè)對(duì)于總線驅(qū)動(dòng)所需的隔離電源，由于各總線驅(qū)動(dòng)選器件均需要3.3V的工作電壓，所以采用TI公司的DCR010503P芯片來實(shí)現(xiàn)，該隔離DC/DC模塊體積小，具有貼片封裝形式，能夠減少電路板的面積并可實(shí)現(xiàn)5V～3.3V隔離電壓的變換。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)多總線通信卡的多種通信協(xié)議及波特率的不同，就應(yīng)該有多種相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和DSP處理程序。接口卡軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：①卡上Flash駐留的F2812控制程序，用CCS實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)DSP與雙口RAM及總線收發(fā)器間的通信；②主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)程序，用C語(yǔ)言+WinDriver實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)完成主機(jī)與雙口RAM之間的通信，它提供了訪問接口的一系列函數(shù)，可以在應(yīng)用程序中調(diào)用。

3.1 F2812的片上Flash程序開發(fā)

當(dāng)卡安裝到主機(jī)中，主機(jī)自動(dòng)為卡分配一個(gè)相應(yīng)大小的內(nèi)存空間，映射為卡上的雙口RAM存儲(chǔ)空間。雙口RAM的存儲(chǔ)空間劃分為命令區(qū)和緩沖區(qū)兩部分。命令區(qū)存放各總線的波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度和發(fā)送與接收命令的首指針與尾指針，緩沖區(qū)用于存放各總線待發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)。

在默認(rèn)情況下各總線通信速率為19.2KHz波特率，在雙RAM分配四個(gè)獨(dú)立單元，分別存放PC機(jī)對(duì)四種總線通信波特率的設(shè)置信息，分配四個(gè)單元存放四種總線的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，再分配16個(gè)單元，每四個(gè)一組，分別存放四個(gè)總線DSP發(fā)送緩沖區(qū)的首指針和尾指針并接收緩沖區(qū)的首指針和尾指針；另外還需分配八個(gè)單元存放DSP接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾信息。在F2812完成初始化后，首先依次掃描波特率設(shè)置信息，如發(fā)現(xiàn)該設(shè)置與某總線當(dāng)前的波特率不同，則重新設(shè)置總線通信的波特率，然后依次掃描各接收緩沖區(qū)的首尾指針是否相同，相同則繼續(xù)掃描，當(dāng)某一對(duì)首尾指針不同則讀取數(shù)據(jù)并檢測(cè)和記錄數(shù)據(jù)幀頭與幀尾，讀取完一幀后，在相應(yīng)的總線上發(fā)出去。同樣，當(dāng)某總線上接收數(shù)據(jù)達(dá)到FIFO緩沖深度時(shí)會(huì)中斷DSP，F(xiàn)2812在中斷程序里只需將接收的數(shù)據(jù)依次寫入雙口RAM的發(fā)送緩沖區(qū)即可，其數(shù)據(jù)幀的解碼交由工控PC機(jī)來完成。F2812的主程序流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采用環(huán)形隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以先進(jìn)先出方式工作，每個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置1024Bytes的長(zhǎng)度。當(dāng)要進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)，先讀出尾指針，根據(jù)尾指針?biāo)傅刂贩湃霐?shù)據(jù)，然后將命令區(qū)中的尾指針改為指向緩沖區(qū)中下一個(gè)地址單元，而頭指針保持不變，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)要接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查首尾指針是否相等，如果相等，則表明緩沖區(qū)沒有新數(shù)據(jù)；如果不等，表明有新數(shù)據(jù)，這時(shí)應(yīng)根據(jù)頭指針?biāo)傅刂纷x出數(shù)據(jù)，然后修改頭指針指向下一個(gè)地址單元，這樣就接收了一個(gè)數(shù)據(jù)。如此循環(huán)可完成多個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。當(dāng)尾指針?biāo)傅刂愤_(dá)到緩沖區(qū)最后一個(gè)單元時(shí)，其下一個(gè)所指地址則返回到緩沖區(qū)第一個(gè)單元，循環(huán)使用緩沖區(qū)；當(dāng)尾指針追上頭指針時(shí)，頭指針則自動(dòng)下移一個(gè)單元，放棄最先放入的一個(gè)數(shù)，保持最新一拍數(shù)據(jù)。F2812向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要判斷從雙口RAM緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)是否滿一幀并檢驗(yàn)幀頭和幀尾，當(dāng)滿一幀時(shí)向相應(yīng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)于串口中斷接收的數(shù)據(jù)，同樣以循環(huán)隊(duì)列的形式由F2812寫入雙口RAM。F2812中斷服務(wù)程序如圖6所示。

由于SCIA，SCIB和CAN總線接口均屬于F2812的片上資源，對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫纯赏瓿上鄳?yīng)的功能。但由SPI接口擴(kuò)展的UART的程序設(shè)計(jì)，首先需要初始化SPI 模塊寄存器，然后通過PI總線向MAX3111寫控制字以進(jìn)行 UART的初始化。需要注意的是SPI接口必須設(shè)置成上升沿非延時(shí)模式才能進(jìn)行正常通信。

3.2 ISA卡驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

驅(qū)動(dòng)程序主要采用Windriver開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序主要對(duì)各總線通信波特率、幀頭與幀尾的設(shè)置提供接口函數(shù)以及數(shù)據(jù)發(fā)送接口函數(shù)。對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送的接口函數(shù)流程可參照?qǐng)D6；PC定時(shí)掃描雙口RAM的命令區(qū)的首尾指針，首尾指針地址相異，則讀取數(shù)據(jù)并存入緩存，以供接口函數(shù)調(diào)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本接口卡能滿足快速性、可靠性等系統(tǒng)性能的要求，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，具有一定的智能性，已應(yīng)用在某型無人機(jī)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的軟件測(cè)試和飛控系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)中。其中接口卡的RS 232用于虛擬PS信號(hào)輸出，一路RS 422模擬地面站指令，另一路RS 422進(jìn)行任務(wù)平臺(tái)模擬，CAN總線用于飛機(jī)模型和故障模型注入。通過聯(lián)機(jī)調(diào)試后可以看出，本接口卡可很好地滿足無人機(jī)導(dǎo)航/飛控系統(tǒng)仿真測(cè)試時(shí)多總線通信的要求。 

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作者簡(jiǎn)介： 賈偉(1980-)，男，黑龍江安達(dá)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、無人機(jī)飛行控制等；閆建國(guó)(1956-)，男，上海人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?dǎo)航制導(dǎo)與控制等； 屈耀紅(1971-)，男，陜西河陽(yáng)人，博士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)與控制、航跡規(guī)劃等；高建堯 (1981-)， 男，浙江龍游人，碩士研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)、UAV導(dǎo)航控制。

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