基于TMS320 的通用接口处理模块设计

徐叶斌，张静璇，冯 伟，吴 超，王云鹏

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

在机载系统中，控制器类设备类型较多，对安全性的要求极为严格，因此基于控制器的接口处理模块在多个机电系统中得到了广泛应用。随着民机产业的迅猛发展，产品类型呈爆发式增长，若为各系统单独研制基于控制器的接口处理模块，不仅会耗费大量的人力物力资源，还可能存在重复开发、研制周期不一致等问题[1-4]。例如，在某型飞机的研制过程中，发现各系统均基于控制器的接口处理设备完成系统内的数据处理和信息转换等工作。文章通过梳理各系统的处理器选型、数据传输总线和转换接口，以TMS320处理器为核心，设计一种通用接口处理模块。

1 通用接口处理模块设计

1.1 机载控制器设备调研

在梳理某型飞机的控制器设备的过程中发现，控制器设备主要应用于燃油系统、机轮刹车系统以及电力系统等多个关键部分，共梳理出17 型设备。通过汇总并类比这17 型设备的功能，识别到部分设备功能需求、硬件构型和设计基本一致。因此，采用统型设计的方式，可以满足70%的设备对控制器接口处理模块的使用要求。

1.2 控制器通用接口处理模块功能及参数

通用接口处理模块的具体功能及接口参数主要包括以下几部分内容。

第一，电源转换功能。模块需将外部提供的28 V直流电源转换为内部各电路所需的供电电源，并具有输入过压、输出过压/过流保护功能和电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）防护功能。

第二，离散量采集功能。通用接口处理模块能提供20 路28 V/开离散量采集功能、56 路地/开离散量采集功能。

第三，离散量输出功能。通用接口处理模块能提供20 路28 V/开0.5 A 的离散量输出功能、12 路地/开的离散量输出功能。

第四，模拟量采集功能。通用接口处理模块能提供26 路单端模拟量采集功能，且可配置为13 路差分模拟量采集。其中，模拟量的输入范围可配置。

第五，模拟量输出功能。通用接口处理模块提供4 路0 ～10 V 的模拟量输出功能。

第六，接口功能。接口主要涉及控制器局域网（Controller Area Network，CAN）、ARINC429、RS-232 以及RS-422，用于实现模块与外部设备的数据交换、模块调试、工作状态控制。

第七，辅助功能。该功能主要用于监控模块的状态，包括看门狗功能、复位功能等。

1.3 通用接口处理模块架构设计

根据各系统需求，设计通用接口处理模块的架构。通过梳理可知，控制器接口模块主要由电源电路、接口电路、复位电路、调试电路以及看门狗电路等部分组成，以实现核心处理器对接口信号的处理。通用接口处理模块架构如图1 所示。

图1 通用接口处理模块架构

2 硬件设计

2.1 电源转换电路设计

通用接口处理模块采用+28 V 供电，电源转换电路由+28 V 直流电源输入保护电路、+12 V 直流变换电路、+5 V 直流变换电路、+3.3 V 直流变换电路以及+1.8 V 直流电源变换电路组成[5]。

2.1.1 输入保护电路

采用具有理想二极管控制器的LTC 系列浪涌抑制器，结合输入电源保护芯片、2 个N 沟道金属氧化物半导体型场效应管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOS）及其外围电路，共同构成输入保护电路。该电路同时具备输入过压锁定、输入欠压锁定、过流关断、软起动、输入浪涌钳位、输出防反灌以及故障消失后自动恢复等多种功能。

2.1.2 电压变换电路

为满足通用接口处理模块的输入电压范围性能需求，一次电源转换模块采用直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）模块搭建。DC/DC电路选用开关频率较高、采用同步整流方式工作的DC/DC 电源输出模块和外围电路实现，有利于降低传导噪声和磁场辐射干扰。

2.1.3 电源电路EMI 防护

为满足产品的EMI 防护需求，在电源并接电路后设计EMI 滤波电路。EMI 滤波电路不仅可以有效降低传导噪声和磁场辐射干扰，而且可以满足模块的供电特性要求。

2.2 处理器电路设计

2.2.1 核心处理器

通过梳理各系统对控制器性能和功能的需求，统筹考虑各系统的功能应用需要，其中核心处理器选用TMS320F28335 系列处理器。TMS320F2835 处理器是针对数字控制设计的，主频最高可达150 MHz。其内部集成了2 路I2C、4 路串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）、多通道缓冲串行口（Multichannel Buffered Serial Port，McBSP）、2 路通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、2路CAN、16路ADC、88路通用输入/输出接口（General-Purpose Input Output，GPIO）、3 个32 位计时器以及小端字节序等。经评估，TMS320F28335 的芯片资源满足通用接口处理模块的设计要求。

2.2.2 最小系统电路

处理器最小系统电路由看门狗、晶振、电源以及调试支持电路等部分组成，通过最小系统电路支持控制器芯片完成工作。

2.2.3 存储电路

存储电路包括非易失性随机访问存储器（Non-Volatile Random Access Memory，NVRAM）和FLASH等，以满足通用接口处理模块的存储功能。

2.2.4 RS-232 调试电路

通用接口处理模块通过RS-232 电路，实现模块与维护设备之间的数据传输。通信电路选用MAXIM系列的RS-232收发器及其外围电路，实现电平的转换，同时通过处理器的UART 实现协议传输。

2.3 接口电路设计

2.3.1 通信接口电路设计

通用接口处理模块通过核心处理器的接口和通信协议芯片与外部进行通信，主要满足ARINC429、RS-422 和CAN 信号信息的收发需求。

ARINC429 通信接口电路由接口防护电路、ARINC429 接口芯片和协议转换芯片组成。当信号通过连接器进入控制器处理模块时，首先会经过接口防护电路，防止外部冲击对通信电路造成损伤；其次通过ARINC429 接口芯片接收ARINC429 信号；最后通过协议芯片将接收的ARINC429 信号进行转换，通过局部总线发送至处理器完成数据处理。ARINC429信号的发送与之相反。

2.3.2 模拟量采集

为满足各系统的需求，通用接口处理模块需要具备直流电压、温度信号和电流信号等模拟量的采集功能。直流电压模拟量的采集先是向精密电阻提供电流，采集被测电阻两端的电压值，然后通过线性光耦、差分放大、二阶滤波以及电压跟随等电路，将采集到的电压信号放大成可被捕获与度量的信号，完成对电压信号的采集。

2.3.3 离散量采集和输出

离散量采集电路由地/开离散量采集和28 V/开离散量组成。地/开离散量输入主要通过晶体管型或开关的开路和接地状态进行信号的采集。28 V/开离散量输入主要通过晶体管型或开关的开路和接通28 V时的状态进行采集。

2.3.4 离散量输出

离散量输出电路由地/开离散量输出电路和28 V/开离散量输出电路组成。地/开离散量输出接口应提供2 种状态的离散量输出，一种对外表现为高阻状态，另一种是模块自身的地信号。这2 种信号通过总线指令控制开关，实现光电转换器的切换。

28 V/开离散量输出是一种针对外部功率设备驱动的输出接口，可以为提供28 V 的输出供电。该接口电路可以提供2 种状态的离散量输出，一种为高阻状态（开路），另一种为28 V 状态。通过总线接收到的命令控制开关，以实现2 种状态之间的切换。

3 软件设计

为实现通用接口处理模块的数据处理和信息转换功能，在硬件电路设计的基础上，需要为通用接口处理模块设计适配的处理软件。

3.1 BIT 检测程序

机内测试（Built-In Test，BIT）具有上电BIT、周期BIT 和维护BIT 功能。上电BIT 主要用于在上电后指示模块的工作状态；周期BIT 则负责在系统运行过程中，使后台自动进行周期性的自检测；维护BIT 则需结合地面检测设备进行，可对系统的各个模块进行针对性检测，并将自检结果和日志中的历史数据传至BIT 管理平台界面，通过分析数据提供维护建议和定位故障器件。

3.2 驱动程序

接口驱动程序负责控制硬件接口，确保CAN总线、RS-429 总线、RS-422 总线、模拟量以及离散量等硬件接口能够实现各自对应的功能。

3.3 调度程序

控制器调度程序由定时器驱动，确保控制软件按照预设的周期稳定运行。该程序调度的功能主要包括通用数据16 位循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）功能、数据存储功能、数据下载功能、ARINC825 通信协议发送和接收功能以及ARINC429通信协议发送和接收功能。

4 结 论

基于TMS320F28335 设计的通用接口处理模块，具有数据处理、通信转换和信号发送等功能，能够满足当前大多数民用飞机控制类设备对数据处理的需求。该设计解决了目前控制类数据处理模块种类繁多、设计投入大、调试复杂等问题，同时为减少重复开发、缩短开发周期、提高设计质量以及实现敏捷开发和交付提供了有益的借鉴和参考。