基于C8051F020接口電路設(shè)計(jì)

陜西寶成航空儀表有限責(zé)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(shù)據(jù)通信板接口功能很全，但重量大、功耗大、價(jià)格昂貴，而且依賴操作系統(tǒng)，采用高集成度的可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)與總線之間的數(shù)據(jù)通信，可有效節(jié)省硬件資源，并且具有體積小、成本低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)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(fā)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(fā)送信息。

c)通過串口控制內(nèi)部液晶屏工作。

d)接收1路符合ARINC407標(biāo)準(zhǔn)信號。

e)處理按鍵信息。

f)通過雙口RAM傳送數(shù)據(jù)。

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(shè)備信息，通過一路ARINC429接口向設(shè)備發(fā)送信息，處理器通過數(shù)據(jù)線和讀寫控制線，由CPLD產(chǎn)生讀寫控制邏輯，分次讀取ARINC429數(shù)據(jù)；通過單片機(jī)的UART0口、RS422接口芯片實(shí)現(xiàn)RS422格式通信信號接收和發(fā)送；通過單片機(jī)的UART1口實(shí)現(xiàn)RS232格式信號接收和發(fā)送、控制液晶屏工作；通過SDC轉(zhuǎn)換模塊，接收1路符合ARINC407標(biāo)準(zhǔn)的無線電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；通過I/O讀取按鍵信號；單片機(jī)將各參數(shù)信息，按照要求數(shù)據(jù)格式進(jìn)行調(diào)整解算，并通過單片機(jī)傳遞給雙口RAM。

圖1 接口原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

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(chǎn)工作主頻為25 MHz的C8051F020型單片機(jī)作為核心處理器。C8051F020處理器是面向嵌入式控制領(lǐng)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(nèi)核，指令結(jié)構(gòu)為流水線方式，70%指令的執(zhí)行時(shí)間只需一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，執(zhí)行指令速度可達(dá)25MIPS。

C8051F020處理器具有4K＋256字節(jié)的RAM，可以運(yùn)行較大的嵌入式控制軟件。其內(nèi)置的64K flash存儲器可以方便地將應(yīng)用程序內(nèi)置其中，省去了外擴(kuò)程序存儲器，簡化了電路的設(shè)計(jì)，也節(jié)省了CPU的資源。

C8051F020處理器具有8組8位字節(jié)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(guān)配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2進(jìn)行設(shè)置，按需要將其中的端口設(shè)置為數(shù)據(jù)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(tǒng)的構(gòu)成和軟件編程。

數(shù)據(jù)采集處理的設(shè)計(jì)中，C8051F020處理器的端口配置如下：

1）P0.0、P0.1設(shè)置為串行總線，轉(zhuǎn)換為RS422進(jìn)行通訊；

2）P0.2、P0.3設(shè)置為串行總線，用于RS232格式信號通訊；

3）P0.4、P0.5設(shè)置為中斷0（INT0）和中斷1（INT1），用于兩路ARINC429數(shù)據(jù)的中斷輸入信號；

4）P1.0～P1.5設(shè)置為輸入端口，用于采集6路按鍵信息；

5）P3.5～P3.7設(shè)置為輸出端口，用于控制ARINC429數(shù)據(jù)采集；

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

7）P4.6、P4.7設(shè)置為讀/寫端口，用于控制CPLD的數(shù)據(jù)交換；

8）P5、P6口設(shè)置為16為地址總線接口；

9）P7口設(shè)置為8位數(shù)據(jù)總線接口。

通過以上配置，滿足對系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理的要求。

根據(jù)接口選用的元器件，需要進(jìn)行邏輯控制的器件包括HI-8282、14ZSZ3412、雙口RAM數(shù)據(jù)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(nèi)部通過硬件描述語言進(jìn)行讀寫控制，產(chǎn)生接收、發(fā)送ARINC429、ARINC407、雙口RAM數(shù)據(jù)的控制邏輯，選用HI-8282芯片接收兩路ARINC429參數(shù)、通過HI-3182芯片發(fā)送ARINC429參數(shù)，主要控制信號CWSTR用于設(shè)置HI-8282狀態(tài)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(fā)送控制；通過1塊SDC模塊接收無線電信息，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、由處理器讀取數(shù)據(jù)并處理，無線電同步器信號數(shù)據(jù)采集處理采用716所14ZSZ3412型14位自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，14ZSZ3412型自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換誤差為±5.3′，14ZSZ3412主要控制信號為使能信號“EN”，字節(jié)選擇信號“BYSEL”，BYSEL信號：高字節(jié)使能端，當(dāng)BYSEL信號為邏輯高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器高字節(jié)輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)BYSEL信號為邏輯低電平時(shí)，低字節(jié)傳送到輸出端。當(dāng)BUSY為低電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換器內(nèi)部已轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定有效，可以讀取。

應(yīng)用Altera Quartus軟件設(shè)計(jì)平臺，根據(jù)邏輯關(guān)系，通過CPLD地址總線與讀寫信號產(chǎn)生所有控制信號時(shí)序，該芯片擁有可用I/O引腳84個(gè)，滿足HI8282、HI3182、14ZSZ3412信號、雙口RAM的綜合邏輯控制，接口處理將參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再把信息按照內(nèi)部數(shù)據(jù)格式進(jìn)行調(diào)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(huán)掃描法，并按照識別出來按鍵信息，通過RS232接口進(jìn)行液晶屏的控制和工作狀況監(jiān)測，進(jìn)行顯示屏亮度調(diào)節(jié)以及狀態(tài)切換。

圖2 軟件執(zhí)行過程

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

接口軟件主要完成對ARINC 407、ARINC429、串口數(shù)據(jù)、按鍵的識別處理四大功能。設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，便于程序管理和維護(hù)升級，模塊主要分六個(gè)模塊：初始化模塊、自檢測模塊、定時(shí)按鍵識別模塊、數(shù)據(jù)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(shè)置產(chǎn)品運(yùn)行所需的硬件及軟件環(huán)境，完成CPU端口配置、看門狗、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、串口等的初始化。

自檢測模塊：主要用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的開機(jī)自檢和周期自檢。

定時(shí)按鍵識別模塊：通過定時(shí)器的使用實(shí)現(xiàn)對按鍵的周期掃描處理，識別按鍵位置。

數(shù)據(jù)采集處理：循環(huán)對ARINC 407、ARINC429、串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給雙口RAM。

按鍵處理模塊：處理識別的按鍵，根據(jù)按鍵來決定控制功能。

液晶屏控制模塊：通過與處理器進(jìn)行串行通信，實(shí)現(xiàn)液晶的加熱、亮度調(diào)整控制等。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對機(jī)載設(shè)備接口板尺寸小的特點(diǎn)，介紹了基于單片機(jī)和CPLD的接口設(shè)計(jì)，可以方便快捷地接收、讀取多種數(shù)據(jù)信息，使用CPLD不僅大大節(jié)省了硬件資源和PCB的空間，而且也大幅度節(jié)約了整體成本，同時(shí)系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展也變得非常容易，并解決了板卡的小尺寸給設(shè)計(jì)帶來的困難。由于使用VHDL 語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，對不同接口可以更改其片內(nèi)邏輯，具有良好的移植性。本文所述接口電路在工程實(shí)際中已經(jīng)得到應(yīng)用，證明本設(shè)計(jì)合理、通信可靠，具有一定的實(shí)用意義。

[1]潘琢金,施國君.C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[2]MAX 7000A Programmable Logic Device.

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