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

（航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

在機載系統中，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中得到了廣泛應用。隨著民機產業的迅猛發展，產品類型呈爆發式增長，若為各系統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、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，發現各系統均基于控制器的接口處理設備完成系統內的數據處理和信息轉換等工作。文章通過梳理各系統的處理器選型、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現，控制器設備主要應用于燃油系統、機輪剎車系統以及電力系統等多個關鍵部分，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，用于實現模塊與外部設備的數據交換、模塊調試、工作狀態控制。

第七，輔助功能。該功能主要用于監控模塊的狀態，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，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

通過梳理各系統對控制器性能和功能的需求，統籌考慮各系統的功能應用需要，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 最小系統電路

處理器最小系統電路由看門狗、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收發器及其外圍電路，實現電平的轉換，同時通過處理器的UART 實現協議傳輸。

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 信號信息的收發需求。

ARINC429 通信接口電路由接口防護電路、ARINC429 接口芯片和協議轉換芯片組成。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；最后通過協議芯片將接收的ARINC429 信號進行轉換，通過局部總線發送至處理器完成數據處理。ARINC429信號的發送與之相反。

2.3.2 模擬量采集

為滿足各系統的需求，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 種狀態的離散量輸出，一種對外表現為高阻狀態，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 種狀態的離散量輸出，一種為高阻狀態（開路），另一種為28 V 狀態。通過總線接收到的命令控制開關，以實現2 種狀態之間的切換。

3 軟件設計

為實現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；周期BIT 則負責在系統運行過程中，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，確保控制軟件按照預設的周期穩定運行。該程序調度的功能主要包括通用數據16 位循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）功能、數據存儲功能、數據下載功能、ARINC825 通信協議發送和接收功能以及ARINC429通信協議發送和接收功能。

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、縮短開發周期、提高設計質量以及實現敏捷開發和交付提供了有益的借鑒和參考。