基于TMS320F28335的无人机机载智能接口卡设计

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基于TMS32OF28335的无人机机载智能接口卡设计口 肖 垄 口 闰 杰 口 靳文平西北工业大学 航天学院 西安 710072摘 要：针对某型无人机机载飞行控制计算机多种接 口需求以及集成度要求高的特点，采用 DSP处理器、双口RAM和 PC104总线来完成 CAN、RS422、TFL232／RS232等多总线接口以及多路 A／D和 PWM舵机控制电路的设计．具有结构简单、实用性强的特点。简化 了无人机飞控计算机的设计，具有一定的推广价值。

关键词 ：无人机 DSP PC104 CAN总线中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1000—4998f2013)10—0017—04随 着无 人 机 技术 的 迅猛 发 展 ，低 成 本 、高 可 靠 性 、多 功 能 结 构 的 飞 行 控 制 系 统 已成 为 当 前 研 究 的 热 点 之 一 [。 为减 小 开 发风 险 ，降 低设 计 成本 ，采 用 集 成度 高的片上 系统 DSP器件 进行 外部 接 口板 设计 是 合适 的 。

目前 ，一 方 面 中小 型 无人 机 飞控 系统 接 口种类 较多 ，如 卫 星 定 位 模 块 多 采 用 RS232总 线 结 构 ．无 线 电链 路 和 任 务 管 理 采用 R$422总 线 结 构 _2]。惯 性 及 大 气传 感器 一 般 采用 A／D采 集 方式 ．舵机 以 PWM 方 式 进行 控 制 [3 3．另 外 飞行 控 制 计 算 机 在 闭环 仿 真 实 验 及 故障检测 中 ，通常 采 用 CAN总线 。另一 方 面 ，为 了便于 机载 自主 软 件 开 发 ． 主 控 计 算 机 一 般 采 用 PC104或ETX，这 些 嵌 入 式 主 板 接 口 单 一 ，难 以 满 足飞行 控 制 系统 多接 口需 求 。因此需 要集 成 度高 的 接 口板 ．通 过 PC104总线 。实 现 飞 控 系统 多 接 口扩 展 。

为 了适 应 多 种 接 口应 用 的 变 化 。缩 短 开发周 期 ．本 文主 要研 究 了基 于 PC104总线 接口 卡 的 开 发 。 利 用 片 上 系 统 的 DSP 器 件 TMS320F28335 和 双 口 RAM 器 件 1DT7OV27以 及 相 应 的 总 线 驱 动 芯 片 和 接 口电 路 ， 以 简 洁 的 方 式 实 现 了 多 种 接 口到PC104总线 的通 信转 换 。

1 硬件原理设计收稿 日期：2013年5月·+ ”+ “+ “+ ”+ ”+ ”+ -+ 一+ 一+ [3][4][5]硬 件设计 主 要分 两部 分 ：一是 板上 处理 器 如何 实现 多 种 接 口 的 连 接 ；二 是 板 上 处 理 器 与 PC104总 线 的桥接 。前 者在 采用 含 多种 接 口的处 理器 (F28335)的同时 ，利 用相 应外 围转换 器件 进行 接 口扩展 。后 者一 般采用多 端 口 RAM 进 行高 速数 据传 输 。

由 于 TI公 司 的 DSP器 件 TM$320F28335(以 下 简称 F28335)具 有 150 MHz的工作 频率 和 内部 256 K字Flash。 片 上 含 多 种 串 行 口 f包 括 CAN、McBSP、SPI和2SCI)[ ]以及 16路 A／D采集 通 道 、6个脉 冲计 数 通 道 和12路 PWM 脉 宽 调 制 控 制 通 道 ． 因此 以该 DSP为 核心 ，很 容 易 实 现 多 种 接 口 的 连 接 。 采 用 3．3V 供 电 的山大学 ．2011.

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为 了满 足 多种 接 口通 信 带 来 的数 据 负 荷 ，F28335与 PCl04 总 线 通 过 IDT公 司 的 双 口 RAM ID1_70V27完 成 数 据 交 换 ：由 于 IDTTOV27具 q~-+3．3V 和 +5V 电 压的 兼 容 性 ，可 以 直 接 与 F28335和 PC104总 线 相 连 ，且其容量 大 ，读写 时 间短 ，满 足大量 数 据 的高 速传 输 。基于 以 上 设 计 ，多 种 接 口 的 PC104扩 展 卡 原 理 框 图 如 图l所 示 。

2 电路实现2．1 PCl04总 线 、DSP和 双 口 RAM 间 的 接 口PC104总 线 对 接 口的 寻 址 有 两 种 方 法 ：一 种 是 把 双 口 RAM 当成外 部设 备 ，使 用 端 口 I／O 指令 进 行访问 ．这种 方法 一次 只能传 送 一个字 节或 字 ，因而 传送 速度 较慢 ；另一 种 是 内存 映像 法 ，把 双 口 RAM 地址 配 置于 PC机 主存 储 器 的高端 (一 般为 C0000H—DFFFFH1，以使 PC机 像访 问主存储 器一 样访 问双 口 RAM．同时使 所有 能够 访 问主存储 器 的指令 也 以 同样 的方 式访 问双 口 RAM。 内存 映 像 法 可 以 以字 符 块 为单 位 进 行 传送 ，因 而 可 实 现 快 速 访 问 双 口 RAM ，因 此 这 里 采 用 存储 器 内存 映射 的寻址 方式 。

双 口 RAM 存储 器 IDT70V27具 有 32K 的 寻址 空间 ，其 特点 是存储 数 据共享 。但 是 ，两个 独立 的 CPU或控制 器 同 时访 问双 口 RAM 的同 一存 储单 元 ．势 必造成数据 访 问失真 。为 了防止 冲突 的发生 ，就必 须存 在访D0～D7AO～A14SMEMWSMEMRIOCHRDYAENA15~A19PC104总线IOL0～7 IOR0~7AL0～14 ARO~14WRL W RROEL OERRII,RYT． CSL CSR BUSYRIDT70V27垂'[P7 =Q74LS686▲图2 双口RAM的桥接电路DO～D7A0～A14WRRDREADYZ0NE6F28335问仲 裁控制 ，IDT70V27利 用 BUSY引脚 信 号提 供 了 内部 硬 件 判 优 的方 式 ， 当 两 端 口 同 时 访 问 同 一 地 址 单 元时 ．由 片 内 电 路 根 据 两 边 的 地 址 ．片 选 读 写 信 号 到 达 的先后顺 序 。裁决 哪个 端 口有 使用 权 。BUSY信 号可 直接接 至支持插 入 等待 时序 引脚 ，为 了防止选 择 不 当引起地址 冲 突而导 致死 机 ．用 比较 器选 择开 关组 成 了开关式可 选端 口的地址译 码 电路 ．通过切 换 开关状 态 来 改变 分 配 给 IDT70V27的地 址 空 间 ，避 免 冲 突 。

PC104总 线 共 有 20条 地 址 线 ，其 中 A0～A14接 到IDT70V27 的 A0L～A14L．A15～A19接 到 74LS686 的P0～P4，ALE接 P7。74LS686的 Q0～Q4接 了 一 个 多 位开 关 ，Q6和 Q7都 置 1，74LS686 的 输 出 信 号 作 为IDT70V27的左 片选 信号 。因此 ，IDT70V27的地址 分配在 CO000H～DFFFFH 之 间 。 由 多 位 开 关 的通 断 来 决 定置 1还 是 置 0，实 现 地 址 范 围 的 切 换 。

DSP侧 ．地 址 线 的 低 15线 直 接 与 双 口 RAM 另 一侧 的地址 线 相 连 ，片选 信号 Zone6、状 态 线 和读 写 线分别 与双 口 RAM 的 片选 线 、忙 信号 线 和读 写 线 直 接相连 ，三者 的接 口电路 如 图 2所示 。

2．2 隔 离 电路 和 各 总 线 收 发 接 口设 计为 了保 证核 心器 件 F28335的安全 ，在其 引 出的各个 总线上 加隔 离是非 常必 要 的。光 隔 6N137的最高 工作频 率 是 l0 MHz．PC104扩 展 卡上 ，各 串行通 信 的 接口当中 ，波 特 率 最 高是 CAN总 线 ，其 最 高 波 特率 为 1MHz，所 以采用 光隔 6N137可 以满足设 计 的要求 。板 卡除 CAN总线 外 。其它 总线都 是 由 UART通 用异 步 串行接 口与 相 应 驱 动 芯 片 相 连 接 构 成 ．而 CAN 总 线 在 结 构上 与 UART相 同 ．所 以隔离 电路 的设 计基 本相 同 ，对 于PWM 驱 动 电路 和 脉 冲计 数 的 隔离 与 串行 线 发 送 端 作相 同 隔 离 处 理 ；另 外 需 要 进 行 电 源 隔 离 ，这 里 主 要 采 用TI公 司 的 隔离 DC／DC模 块 DCR010503P进 行 电源 隔离 ，DCRO10503P是 贴 片式 封 装 ，节 省 电路 板空 间 ，其隔 离 电 路 如 图 3所 示 。

2-3 串 口扩 展 电路 的 设 计MAX3111芯 片 可 以 实 现 SPI至 UART 的 转 换 ，且内部 具 有发 送 和接 受 的双 向 FIFO缓存 ，可 以减少 对▲图 3 总线隔离电路驱动芯片 Rx驱动 芯片 TxI回 2013／10 机械制造51卷第590期CPU的 中断 和保 证 高 速 的数 据 通 信 。它 与 F28335通过 SP／总 线 连 接 ：DSP 的发 送 时 钟 信 号 (SPICLK)作 为MAX31 11的 串行 时 钟 输 入 ，状 态 信 号 fSPISTEA)作MAX3ll1的片 选 信 号(cs1。主机 发 送 引 脚 SPISIMO与DIN连接 作 为 发送 数据 线 ，主机 接 受 引 脚 SPISOMI与DOUT连 接 作 为 接 收 数据 线 ．为 了保 证 F28335通 过SPI接 口接 受数 据 不 丢 帧 ，MAX3l1l的 中 断信 号 (IRQ1与 DSP 的外 部 中 断 相 连 。 另 外 MAX3111的 TX 与TlIN连 接 ，RX 与 R1OUT连接 ，以便 利用 其 片 内 的转换 器 实 现 UART到 R$232的 电 平 转 换 ．同 时 TX 和 RX分 别 以 Y字 形 分 线 接 至 光 隔 用 以扩 展 一 路 R$422总线 。F28335与 MAX3ll1的接 口电路 如 图 4所 示 。

2．4 A／D 采 集 调 理 电 路 设 计目前 大 多 数 MEMS惯 性 器 件 及 大 气 传 感 器 的输出 量 程 为 0～5V， 而 F28335的 有 效 测 量 范 围 为 0～3V。

因此需 要 增加 幅值 变换 和 滤波 的调 理 电路 。

笔 者 主 要 采 用 OP07放 大 器 先 实 现 输 入 电 压 跟 随 ，然 后 经 过两 级 反 向衰 减 ，将 输 入 0～5V 电 压实 现0．5倍 幅值 变换 。由于涉 及放 大 器反 向变 换需 要一5V 电压 ．采 用 ICL7660电 压泵 芯 片 来 实 现 5V 至一5V 的变换 ，调 理 电路 如 图 5所 示 。

2．5 电 源 管 理 电路 设 计该 接 口板上 主 要分 三部 分供 电 ，一 是光 隔 一侧 是F28335、双 口 RAM 及 DSP外 围器 件 的供 电 ．这部 分 器件 的工 作 电压 是 3．3V 的 ．其 中 F28335是需 要 1．8V和3．3V两种 工作 电源 。而 PC104总 线插 槽上 B3引脚 提供 了 5V电 源 ，可 以利 用该 5V电 源进 行 电压 转换 ，为了实现 方 便 ，选 用 了 TI公 司 的 TPS767D318双 输 出稳压芯 片 ，该 芯 片具 有 1．8V和 3．3V两 种输 出电 压 。正 常工作 时 每 路 最 大输 出 电流 达 1A，完 全 满 足 PC104功耗要 求 。二是 另 侧 对 于总 线驱 动所 需 的隔离 电源 ．由于各 总线 驱 动所 选器 件都 需 要 3．3V 的工作 电压 ．采用TI公 司 的 DCRO10503P芯 片 来实 现 。该 隔离 DC／DC模块 体 积小 ，具 有贴 片 封装 形式 ，能 够减 少 电路 板 的 面积 ，并 可实 现 5V 至 3．3V隔 离 电压 的变 换 。三是 调 理电 路 供 电 ，主 要 采 用 ICL7660实 现 (见 图 5)。

3 软件设计光隔 Rx光隔 TxRS232RxR$232TxINTl T
RIOUT —=IRQ
CS SPISTATERx 蓦 SCLK SPICLKTx 塞 DOUT SPIMIRIlN DIN SPIM0TlOUT▲图4 串口扩展电路TM$320F28335根据 多 总线通 信 卡 的多种 通信协 议 及波 特 率 的不同 ，应 该 有 多 种 相 应 的 驱 动 程 序 和 DSP处 理 程 序 来 凋理 。接 口卡软件 设计 包 括两 部分 ：一 是卡 上 Flash驻 留的 F28335控 制程 序 ，用 CCS实 现 ，负责 DSP与双 口RAM 及 总线 收 发 器 间 的通 信 。二 是 主 机 端 的 驱 动程序 ，用 C语 言 、WinDriver实 现 ，负责 完成 主机 与 双 口RAM 之 间 的通 信 ，它 提供 了访 问接 口的一 系 列 函数 .

可 以在 应 用 程 序 中 调 用 。

3．1 F28335的 片 上 Flash程 序 开 发当 接 口卡 与 主 控 机 连 接 ，主 机 自动 给 卡 分 配 一 个相 应 大小 的 内存 空 间 ，映射 为 卡上 的双 口 RAM 存 储空 间 。双 口 RAM 的存储 空 间划 分为 两部 分 ：命 令 区和缓 冲 区。命 令 区存放 各 总线 波特 率设 置 、数 据 帧长 度和发送 与接 收命 令 的首指 针 与尾 指针 ，缓 冲 区用 于存 放各 总线待 发送 和 接收 到 的数据 。

在 默认情 况 下 ，各 总 线通 信 速率 为 19．2K波 特率 ，在 双 RAM 分 配 4个 独立 单 元 ，分 别 存 放 主控 机 对 四种总线 通 信波 特率 设置 信 息 ，再 分 配 4个 单 元存 放 四种总 线 的数据 帧长 度 ，再 分 配 l6个 单元 ，每 4个 ～组 .

分别 存 放 4个 总 线 DSP发 送 缓 冲 区 的 首 指 针 和 尾 指针 以及 接 受缓 冲 区的首 指 针和尾 指 针 ：另外 还需 分 配8个 单元 存 放 DSP接 收缓 冲 区数据 帧的 帧头 和 帧尾信息 。在 F28335完 成 初 始 化 后 。首 先 依 次 扫 描 波 特 率 设 置信息 ，如 发现 该设 置 与某 总线 当前 的波 特率 不 同 ．则重新 设 置 总线通 信 的波特 率 ，然后 依 次扫 描各 接 收缓冲区 的首尾 指针 是否 相 同 ，相 同则 继续 扫描 ，当某 一对首 尾指 针不 同 ，则读 取数 据并 检 测 和记 录数据 帧 头和帧尾 ，当读 取完 整一 帧后 ，在 相应 的接 口上 发 出去 。同样 的 ，当某 接 口上 接 收 到数 据 达 到 FIFO缓 冲 深度 时厂 丑=二)—]、 上 ． 枷c101xF▲图5 调理电路图10p,F机械制造51卷第$90期 2013／10画会 中断 DSP，F28335在 中断程 序 中只需 将接 收 的数 据依 次 写 入 双 口 RAM 的发 送 缓 冲 区 即 可 ．其 数 据 帧 的 解码 交 由 主控 机来 完成 (F28335的主程 序流 程见 图 6)。

数据 缓 冲区采用 环形 队列 数据 结构 ，以先进先 出方式 工作 ，每个 数据 缓 冲区设 置 1024字节 的长度 。 当要进 行发 送操 作时 ．先读 出尾指 针 ．根据尾 指 针所 指地址放 人数 据 ，然后 把命令 区中的尾 指针 改为 指 向缓 冲区中下一 个地 址单元 ．而 首指针 保 持不变 ，这 样就 完成了一次 数据发 送 。当要 接 收数据 时 ，首 先检 查首尾 指 针是 否相 等 ，如 果相 等 ，则 表 明缓 冲区没 有 新 数据 ；如果不 等 ，表 明有新 数 据 ，这 时应根 据 首指针 所指 地址 读 出数 据 ，然 后修 改首 指针指 向下 一个 地址单 元 ，这样 就 接收 了一个 数据 。如此循 环可 完成 多个数 据 的发送 和接收 ，当尾 指针 所指 地址 达到缓 冲区最后 一个 单元 时 ，其下 一个 所指 地址 则返 回到缓 冲 区第一 个单元 ，循 环 使用 缓 冲区 ；当尾指 针追 上首 指针 时 ，首 指针 则 自动下 移一 个单 元 ，放 弃 最先放 入 的一个 数 ，保 持 最新 一拍 数据 。F28335向 扩 展 接 口 上 发 送 数 据 时 ，需 要 判 断 从 双口 RAM 缓 冲 区读 取 的数 据 是 否满 一 帧 ，需 要检 验 帧首 和 帧 尾 ，当 满 一 帧 时 向相 应 串 口发 送 数 据 。对 于 串 口中断接 受 的数据 ，同样 以循 环 队列 的形 式 由 F28335写入 双 口 RAM(F28335中断服务 程序 见 图 7)。由于 SCI和 CAN总线接 口都 属 于 F28335的 片上资 源 ．对相 应的 寄 存 器 进 行 适 当 的 配 置 ，即可 完 成 相 应 的 功 能 ．但 由SPI接 口扩 展 的 UART的程序 设 计 ．首 先需 要 初始 化2013／10中断人 口、r读尾指针 ／ } Y＼ 箩／ 写数据 l、 r l首指针加4 l尾指针加4 人 V指针大于／ — ＼ ＼ ＼ 1O24／ ／ ／ 尾指针大 、、.

、＼／ ＼、 1o2 ／ Y l
首指针等于0 l尾指针等于0 l 返回 l+、读 首指针▲图7 F28335中断服务程序流程SPI模 块 寄存 器 ，然 后通 SPI总 线 向 MAX3111写控 制字 进行 UART的初 始 化 ，需要 注 意 的是 ，SPI接 口必须设 置成上 升沿 非延 时模 式 ，才 能进行 正 常通信 。

3．2 接 口卡 驱 动 程 序 的 开 发驱 动 程 序 主 要 采 用 Windriver开 发 工 具 进 行 设 计 ，驱 动程序 主 要对各 总线通 信波 特率 、帧 首与 帧尾 的设置 提供 接 口函数 以及数 据发送 接 口函数 。对 于数 据 发送 的接 口函数 流 程 可 参 照 图 6；PC104主控 机 定 时 扫描 双 口 RAM 的 命令 区 的首 尾指 针 ，首 尾 指针 地 址 相异 ，则读 取数 据 ，存 人缓 存 ，供 接 口函数 调用 。

4 结束语本 接 口卡 能 满 足 快 速 性 、可 靠 性 等 系 统 性 能 的 要求 ，且设 计 简洁 ，具 有一 定 的智能 性 ，已成 功应 用 在 某型无人 机 的机载 飞控计 算机 上 。该接 口卡 工作稳 定 ，具备 数据 预处 理功 能 ，简 化 了主控 机软件 开 发 ，很 好 地满足 中小型无 人机 飞行 控制计 算 机集成 设计 要求 ，具 备多种 数据采 集 与控制 接 口能力 ，具有 普遍适 用性 。

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corn．2012—7． △ (编 辑 日 月 )机械制造51卷 第590期