一种机载设备的中央处理单元模块的设计与实现

摘要：文章介绍了一种机载设备的中央处理单元模块设计与实现。机载设备通过RS422通讯接收飞行控制系统发来的指令信号，中央处理单元完成控制、数据解算、A/D转换等功能，将结果反馈给执行机构，从而实现机载设备的预期功能。本设备己在飞机上使用，使用结果良好，因此具有较强的参考性和实用性。

0 引言

不管是在公共航空运输事业，还是通用航空领域，抑或是军事领域，飞行器的先进性已足可代表一个国家科技发达的实力，更是可以作为先进生产力的代表。然而，安全性、可靠性仍是飞行器首先要达到的指标要求。本文中，提出了一种以DSP作为核心处理器的机载设备中央处理单元，经过试验验证，可以安全、可靠地应用在飞行器中。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

根据机载设备中央处理单元的核心功能，系统结构如图1所示。

1.2 电源监测电路

机载设备由1路28V电源供电，通过电源模块完成二次电源转换，其中，+5V、+15V和-15V电源由机载设备其他模块负责前端处理，再送至DSP芯片的A/D转换电路。

1.3 功能电路

中央处理单元主要完成高速数字信号处理、A/D转换、串行RS422/RS232通讯。包括串行口通讯、存储电路、A/D转换器电路、离散量输入电路。

DSP核心处理器指令周期为50ns，含有片内RAM，具有强有力的事件管理功能，含双10位的模数转换控制功能模块，具有28路独立的可编程多路复用I/O引脚，同时具有时钟锁相环模块、看门狗定时模块、串行通信接口、串行外设接口及中断处理能力。

中央处理单元模块的通信接口设计为两路RS232和一路RS422接口。RS422接口电路采用一片通用异步串行通信控制芯片实现。控制芯片接口数据总线为8位数据宽度。提供一路串行通讯接口，配置为RS422，工作时钟采用3.6864MHz，最大速率230.4kbps。第一路RS232通信接口由接口芯片配置，另一路RS232通信接口由DSP实现数据串并转换，送至底板总线。

存储电路包括FLASH存储器和RAM存储器。FLASH存储器可以存储验证软件的目标代码，在空中状态下，中央处理单元模块通过加载FLASH存储器中的代码进行机载设备的功能验证工作。RAM存储器包含DSP片内RAM和DSP片外RAM，片内RAM存储器主要用于存储少量数据和中间结果，片外扩展RAM存储器用于存储运行程序、数据和中间结果，在验证软件调试过程中用来加载过程代码。

DSP的A/D转换电路可同时采样和处理2路0～5V模拟量输入信号，由2个可同时工作的ADC模块组成，每个ADC模块包括一个8选1多路器、S/H电路、10位A/D转换器和2级深度的FIFO。ADC是10位转换器，转换码值计算公式：

式(1)中ADDC为转换码值，其值为000h～3ffh;Vin为输入模拟量，其值为0～5V;Vreflo=0为参考地;Vrefli=5为参考电源。

离散量输入电路主要使用了DSP的离散量口PB口和PC口，两个口都为复用端口，需要设置定义成输入端口。8个PB口和4个PC口组成12位TTL电平离散量，通过软件设置寄存器的方式分别配置PB口地址和PC口地址进行离散量数据采集。

1.4 功能辅助电路

作为功能电路的辅助电路，主要包括复位电路、定时计数电路、看门狗电路。其中，复位电路产生DSP处理器复位信号和底板总线复位信号。复位电路是由复位芯片来完成的，复位芯片复位产生的条件包括：加电复位、掉电复位、手动复位。

定时计数功能是作为中央处理单元模块的常用功能。定时计数功能由DSP自带的定时计数电路实现，共包含三个16位定时计数器，每个计数器有4个寄存器：定时计数器TCNT、定时比较寄存器TCMPR、定时周期寄存器TPR和定时控制寄存器TCON。三个计数器的寄存器地址定义在数据空间。定时时钟选用内部的输入时钟。定时时钟比例因子可编程。

看门狗电路主要用于检测程序运行周期的超时故障，它是中央处理单元模块提高可靠性和保证系统完整性所要求的功能。如果在定时周期内不喂狗，则看门狗计数器会溢出，从而引起机载设备复位。

2 软件设计

对于完成的硬件设计电路，依靠软件进行验证是一种必要的手段，不仅可以检查硬件设计的正确性，同时又可验证产品设计的功能是否满足要求。

中央处理单元模块作为机载设备的核心模块，验证软件依靠2000开发环境进行开发试验，该工具包括代码生成和代码调试两部分，集编译、连接、加载、调试于一体;支持ANSI C和汇编的混合编程及逻辑仿真;验证软件可以动态从宿主机加载到目标机进行调试运行，通过比较程序校验和，能正确将生成的目标码烧录入中央处理单元的外部FLASH中。通过对电源监测电路、通讯电路、存储电路、A/D转换电路、离散量输入电路等进行编码，同时依靠DSP芯片进行解算，完成各种电路的回路测试，从而验证硬件电路设计的合理性。软件验证概略流程如图2所示。

3 安全性可靠性设计

在设计中对元器件采用降额设计，使电路工作在可靠稳定的状态，保证系统控制的安全可靠，例如降低微处理器芯片的使用功率，二极管、稳压管的设计(功耗)不得超过额定值的70%等，同时加强电磁兼容设计和分析，满足系统设计要求。在可靠性设计方面，要优化电路设计，对电路结构设计、参数计算时进行优化，取得一组最佳参数，使电路工作于一个最稳定的工作状态，对于较复杂的功能和较关键的逻辑电路要经过实验验证，设计时要考虑模块上功能单元的可测试性。

4 小结

本文介绍的中央处理单元模块已在机载设备中通过了高低温、振动等试验，试验结果显示，各项技术指标均满足设计需求，并且安装在飞行器上完成了多种飞行任务，可靠性安全性都得到了验证。可见，本文提出的设计方法具有较强的参考性及实用性。