基于TMS320 的通用接口處理模塊設計

徐葉斌，張靜璇，馮 偉，吳 超，王云鵬

（航空工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

在機載系統(tǒng)中，控制器類設備類型較多，對安全性的要求極為嚴格，因此基于控制器的接口處理模塊在多個機電系統(tǒng)中得到了廣泛應用。隨著民機產業(yè)的迅猛發(fā)展，產品類型呈爆發(fā)式增長，若為各系統(tǒng)單獨研制基于控制器的接口處理模塊，不僅會耗費大量的人力物力資源，還可能存在重復開發(fā)、研制周期不一致等問題[1-4]。例如，在某型飛機的研制過程中，發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)均基于控制器的接口處理設備完成系統(tǒng)內的數據處理和信息轉換等工作。文章通過梳理各系統(tǒng)的處理器選型、數據傳輸總線和轉換接口，以TMS320處理器為核心，設計一種通用接口處理模塊。

1 通用接口處理模塊設計

1.1 機載控制器設備調研

在梳理某型飛機的控制器設備的過程中發(fā)現(xiàn)，控制器設備主要應用于燃油系統(tǒng)、機輪剎車系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)等多個關鍵部分，共梳理出17 型設備。通過匯總并類比這17 型設備的功能，識別到部分設備功能需求、硬件構型和設計基本一致。因此，采用統(tǒng)型設計的方式，可以滿足70%的設備對控制器接口處理模塊的使用要求。

1.2 控制器通用接口處理模塊功能及參數

通用接口處理模塊的具體功能及接口參數主要包括以下幾部分內容。

第一，電源轉換功能。模塊需將外部提供的28 V直流電源轉換為內部各電路所需的供電電源，并具有輸入過壓、輸出過壓/過流保護功能和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）防護功能。

第二，離散量采集功能。通用接口處理模塊能提供20 路28 V/開離散量采集功能、56 路地/開離散量采集功能。

第三，離散量輸出功能。通用接口處理模塊能提供20 路28 V/開0.5 A 的離散量輸出功能、12 路地/開的離散量輸出功能。

第四，模擬量采集功能。通用接口處理模塊能提供26 路單端模擬量采集功能，且可配置為13 路差分模擬量采集。其中，模擬量的輸入范圍可配置。

第五，模擬量輸出功能。通用接口處理模塊提供4 路0 ～10 V 的模擬量輸出功能。

第六，接口功能。接口主要涉及控制器局域網（Controller Area Network，CAN）、ARINC429、RS-232 以及RS-422，用于實現(xiàn)模塊與外部設備的數據交換、模塊調試、工作狀態(tài)控制。

第七，輔助功能。該功能主要用于監(jiān)控模塊的狀態(tài)，包括看門狗功能、復位功能等。

1.3 通用接口處理模塊架構設計

根據各系統(tǒng)需求，設計通用接口處理模塊的架構。通過梳理可知，控制器接口模塊主要由電源電路、接口電路、復位電路、調試電路以及看門狗電路等部分組成，以實現(xiàn)核心處理器對接口信號的處理。通用接口處理模塊架構如圖1 所示。

圖1 通用接口處理模塊架構

2 硬件設計

2.1 電源轉換電路設計

通用接口處理模塊采用+28 V 供電，電源轉換電路由+28 V 直流電源輸入保護電路、+12 V 直流變換電路、+5 V 直流變換電路、+3.3 V 直流變換電路以及+1.8 V 直流電源變換電路組成[5]。

2.1.1 輸入保護電路

采用具有理想二極管控制器的LTC 系列浪涌抑制器，結合輸入電源保護芯片、2 個N 溝道金屬氧化物半導體型場效應管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOS）及其外圍電路，共同構成輸入保護電路。該電路同時具備輸入過壓鎖定、輸入欠壓鎖定、過流關斷、軟起動、輸入浪涌鉗位、輸出防反灌以及故障消失后自動恢復等多種功能。

2.1.2 電壓變換電路

為滿足通用接口處理模塊的輸入電壓范圍性能需求，一次電源轉換模塊采用直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）模塊搭建。DC/DC電路選用開關頻率較高、采用同步整流方式工作的DC/DC 電源輸出模塊和外圍電路實現(xiàn)，有利于降低傳導噪聲和磁場輻射干擾。

2.1.3 電源電路EMI 防護

為滿足產品的EMI 防護需求，在電源并接電路后設計EMI 濾波電路。EMI 濾波電路不僅可以有效降低傳導噪聲和磁場輻射干擾，而且可以滿足模塊的供電特性要求。

2.2 處理器電路設計

2.2.1 核心處理器

通過梳理各系統(tǒng)對控制器性能和功能的需求，統(tǒng)籌考慮各系統(tǒng)的功能應用需要，其中核心處理器選用TMS320F28335 系列處理器。TMS320F2835 處理器是針對數字控制設計的，主頻最高可達150 MHz。其內部集成了2 路I2C、4 路串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）、多通道緩沖串行口（Multichannel Buffered Serial Port，McBSP）、2 路通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、2路CAN、16路ADC、88路通用輸入/輸出接口（General-Purpose Input Output，GPIO）、3 個32 位計時器以及小端字節(jié)序等。經評估，TMS320F28335 的芯片資源滿足通用接口處理模塊的設計要求。

2.2.2 最小系統(tǒng)電路

處理器最小系統(tǒng)電路由看門狗、晶振、電源以及調試支持電路等部分組成，通過最小系統(tǒng)電路支持控制器芯片完成工作。

2.2.3 存儲電路

存儲電路包括非易失性隨機訪問存儲器（Non-Volatile Random Access Memory，NVRAM）和FLASH等，以滿足通用接口處理模塊的存儲功能。

2.2.4 RS-232 調試電路

通用接口處理模塊通過RS-232 電路，實現(xiàn)模塊與維護設備之間的數據傳輸。通信電路選用MAXIM系列的RS-232收發(fā)器及其外圍電路，實現(xiàn)電平的轉換，同時通過處理器的UART 實現(xiàn)協(xié)議傳輸。

2.3 接口電路設計

2.3.1 通信接口電路設計

通用接口處理模塊通過核心處理器的接口和通信協(xié)議芯片與外部進行通信，主要滿足ARINC429、RS-422 和CAN 信號信息的收發(fā)需求。

ARINC429 通信接口電路由接口防護電路、ARINC429 接口芯片和協(xié)議轉換芯片組成。當信號通過連接器進入控制器處理模塊時，首先會經過接口防護電路，防止外部沖擊對通信電路造成損傷；其次通過ARINC429 接口芯片接收ARINC429 信號；最后通過協(xié)議芯片將接收的ARINC429 信號進行轉換，通過局部總線發(fā)送至處理器完成數據處理。ARINC429信號的發(fā)送與之相反。

2.3.2 模擬量采集

為滿足各系統(tǒng)的需求，通用接口處理模塊需要具備直流電壓、溫度信號和電流信號等模擬量的采集功能。直流電壓模擬量的采集先是向精密電阻提供電流，采集被測電阻兩端的電壓值，然后通過線性光耦、差分放大、二階濾波以及電壓跟隨等電路，將采集到的電壓信號放大成可被捕獲與度量的信號，完成對電壓信號的采集。

2.3.3 離散量采集和輸出

離散量采集電路由地/開離散量采集和28 V/開離散量組成。地/開離散量輸入主要通過晶體管型或開關的開路和接地狀態(tài)進行信號的采集。28 V/開離散量輸入主要通過晶體管型或開關的開路和接通28 V時的狀態(tài)進行采集。

2.3.4 離散量輸出

離散量輸出電路由地/開離散量輸出電路和28 V/開離散量輸出電路組成。地/開離散量輸出接口應提供2 種狀態(tài)的離散量輸出，一種對外表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，另一種是模塊自身的地信號。這2 種信號通過總線指令控制開關，實現(xiàn)光電轉換器的切換。

28 V/開離散量輸出是一種針對外部功率設備驅動的輸出接口，可以為提供28 V 的輸出供電。該接口電路可以提供2 種狀態(tài)的離散量輸出，一種為高阻狀態(tài)（開路），另一種為28 V 狀態(tài)。通過總線接收到的命令控制開關，以實現(xiàn)2 種狀態(tài)之間的切換。

3 軟件設計

為實現(xiàn)通用接口處理模塊的數據處理和信息轉換功能，在硬件電路設計的基礎上，需要為通用接口處理模塊設計適配的處理軟件。

3.1 BIT 檢測程序

機內測試（Built-In Test，BIT）具有上電BIT、周期BIT 和維護BIT 功能。上電BIT 主要用于在上電后指示模塊的工作狀態(tài)；周期BIT 則負責在系統(tǒng)運行過程中，使后臺自動進行周期性的自檢測；維護BIT 則需結合地面檢測設備進行，可對系統(tǒng)的各個模塊進行針對性檢測，并將自檢結果和日志中的歷史數據傳至BIT 管理平臺界面，通過分析數據提供維護建議和定位故障器件。

3.2 驅動程序

接口驅動程序負責控制硬件接口，確保CAN總線、RS-429 總線、RS-422 總線、模擬量以及離散量等硬件接口能夠實現(xiàn)各自對應的功能。

3.3 調度程序

控制器調度程序由定時器驅動，確?？刂栖浖凑疹A設的周期穩(wěn)定運行。該程序調度的功能主要包括通用數據16 位循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）功能、數據存儲功能、數據下載功能、ARINC825 通信協(xié)議發(fā)送和接收功能以及ARINC429通信協(xié)議發(fā)送和接收功能。

4 結 論

基于TMS320F28335 設計的通用接口處理模塊，具有數據處理、通信轉換和信號發(fā)送等功能，能夠滿足當前大多數民用飛機控制類設備對數據處理的需求。該設計解決了目前控制類數據處理模塊種類繁多、設計投入大、調試復雜等問題，同時為減少重復開發(fā)、縮短開發(fā)周期、提高設計質量以及實現(xiàn)敏捷開發(fā)和交付提供了有益的借鑒和參考。