基于C8051F020接口電路設計

陜西寶成航空儀表有限責任公司 李坤武 馬大兵

接口信號種類很多，如ARINC407、ARINC429、RS422，SPI等，雖然數據通信板接口功能很全，但重量大、功耗大、價格昂貴，而且依賴操作系統，采用高集成度的可編程邏輯器件實現與總線之間的數據通信，可有效節省硬件資源，并且具有體積小、成本低、性能穩定的優點。

1 系統整體方案

接口電路主要處理信號為：

a)接收、處理兩路ARINC429接口信號；發送一路ARINC429接口信號。

b)通過一路全雙口串行接口，對外部接收、發送信息。

c)通過串口控制內部液晶屏工作。

d)接收1路符合ARINC407標準信號。

e)處理按鍵信息。

f)通過雙口RAM傳送數據。

接口原理框圖見圖1，接口主處理器為C8051F020，采用HI-8282和HI-3182芯片通過兩路ARINC429接口分別接收設備信息，通過一路ARINC429接口向設備發送信息，處理器通過數據線和讀寫控制線，由CPLD產生讀寫控制邏輯，分次讀取ARINC429數據；通過單片機的UART0口、RS422接口芯片實現RS422格式通信信號接收和發送；通過單片機的UART1口實現RS232格式信號接收和發送、控制液晶屏工作；通過SDC轉換模塊，接收1路符合ARINC407標準的無線電信號轉換為數字信號；通過I/O讀取按鍵信號；單片機將各參數信息，按照要求數據格式進行調整解算，并通過單片機傳遞給雙口RAM。

圖1 接口原理框圖

2 硬件設計

接口輸入輸出處理考慮功能、處理能力、功耗的需求，選用Silicon公司生產工作主頻為25 MHz的C8051F020型單片機作為核心處理器。C8051F020處理器是面向嵌入式控制領域的高檔混合信號微控制器。C8051F020處理器采用高速8051微控制器內核，指令結構為流水線方式，70%指令的執行時間只需一個或兩個系統時鐘周期，執行指令速度可達25MIPS。

C8051F020處理器具有4K＋256字節的RAM，可以運行較大的嵌入式控制軟件。其內置的64K flash存儲器可以方便地將應用程序內置其中，省去了外擴程序存儲器，簡化了電路的設計，也節省了CPU的資源。

C8051F020處理器具有8組8位字節寬的I/O端口，所有端口均耐5V電壓，可以通過軟件對交叉開關配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2進行設置，按需要將其中的端口設置為數據總線、地址總線、控制總線和I/O口，端口靈活的可選擇方式大大方便了系統的構成和軟件編程。

數據采集處理的設計中，C8051F020處理器的端口配置如下：

1）P0.0、P0.1設置為串行總線，轉換為RS422進行通訊；

2）P0.2、P0.3設置為串行總線，用于RS232格式信號通訊；

3）P0.4、P0.5設置為中斷0（INT0）和中斷1（INT1），用于兩路ARINC429數據的中斷輸入信號；

4）P1.0～P1.5設置為輸入端口，用于采集6路按鍵信息；

5）P3.5～P3.7設置為輸出端口，用于控制ARINC429數據采集；

6）P4.1、P4.2設置為輸出端口，用于控制SDC轉換模塊工作及同步器信號采集；

7）P4.6、P4.7設置為讀/寫端口，用于控制CPLD的數據交換；

8）P5、P6口設置為16為地址總線接口；

9）P7口設置為8位數據總線接口。

通過以上配置，滿足對系統控制及數據處理的要求。

根據接口選用的元器件，需要進行邏輯控制的器件包括HI-8282、14ZSZ3412、雙口RAM數據存儲空間的尋址控制，采用ALTER公司的MAX 7000A系列EMP7128AETI100可編程邏輯器，CPLD內部通過硬件描述語言進行讀寫控制，產生接收、發送ARINC429、ARINC407、雙口RAM數據的控制邏輯，選用HI-8282芯片接收兩路ARINC429參數、通過HI-3182芯片發送ARINC429參數，主要控制信號CWSTR用于設置HI-8282狀態寄存器工作控制字，SEL信號用于片選選通，EN1、EN2為接收器的接收控制信號，ENTX、TX/R用于發送控制；通過1塊SDC模塊接收無線電信息，經過模數轉換、由處理器讀取數據并處理，無線電同步器信號數據采集處理采用716所14ZSZ3412型14位自整角機/數字轉換器，14ZSZ3412型自整角機/數字轉換器轉換誤差為±5.3′，14ZSZ3412主要控制信號為使能信號“EN”，字節選擇信號“BYSEL”，BYSEL信號：高字節使能端，當BYSEL信號為邏輯高電平時，轉換器高字節輸出數據，當BYSEL信號為邏輯低電平時，低字節傳送到輸出端。當BUSY為低電平時，表示轉換器內部已轉換結束，此時數據輸出穩定有效，可以讀取。

應用Altera Quartus軟件設計平臺，根據邏輯關系，通過CPLD地址總線與讀寫信號產生所有控制信號時序，該芯片擁有可用I/O引腳84個，滿足HI8282、HI3182、14ZSZ3412信號、雙口RAM的綜合邏輯控制，接口處理將參數轉換為數字信號，再把信息按照內部數據格式進行調整解算，解算后的各種信息直接傳送給雙口RAM。

接口處理的按鍵信息采用循環掃描法，并按照識別出來按鍵信息，通過RS232接口進行液晶屏的控制和工作狀況監測，進行顯示屏亮度調節以及狀態切換。

圖2 軟件執行過程

3 軟件設計實現

接口軟件主要完成對ARINC 407、ARINC429、串口數據、按鍵的識別處理四大功能。設計時采用模塊化的設計方法，便于程序管理和維護升級，模塊主要分六個模塊：初始化模塊、自檢測模塊、定時按鍵識別模塊、數據采集處理模塊、按鍵處理模塊、液晶屏控制模塊。

初始化模塊：主要用來設置產品運行所需的硬件及軟件環境，完成CPU端口配置、看門狗、系統時鐘、定時器、串口等的初始化。

自檢測模塊：主要用來實現產品的開機自檢和周期自檢。

定時按鍵識別模塊：通過定時器的使用實現對按鍵的周期掃描處理，識別按鍵位置。

數據采集處理：循環對ARINC 407、ARINC429、串口數據進行采集處理，轉換為內部的數據格式發送給雙口RAM。

按鍵處理模塊：處理識別的按鍵，根據按鍵來決定控制功能。

液晶屏控制模塊：通過與處理器進行串行通信，實現液晶的加熱、亮度調整控制等。

4 結束語

本系統針對機載設備接口板尺寸小的特點，介紹了基于單片機和CPLD的接口設計，可以方便快捷地接收、讀取多種數據信息，使用CPLD不僅大大節省了硬件資源和PCB的空間，而且也大幅度節約了整體成本，同時系統的升級和擴展也變得非常容易，并解決了板卡的小尺寸給設計帶來的困難。由于使用VHDL 語言進行設計，對不同接口可以更改其片內邏輯，具有良好的移植性。本文所述接口電路在工程實際中已經得到應用，證明本設計合理、通信可靠，具有一定的實用意義。

[1]潘琢金,施國君.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[2]MAX 7000A Programmable Logic Device.

[3]HI8282 AR INC429 Serial Transmitter and Dual Receiver.