基于32位高性能數(shù)字信號處理器實現(xiàn)飛機測控終端系統(tǒng)的設(shè)計

引言

作為飛機電氣系統(tǒng)的重要組成部分，飛機配電系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)電功功率的合理分配和控制。目前，我國大多數(shù)飛機采用的都是常規(guī)配電系統(tǒng)，但由于這種配電系統(tǒng)具有電網(wǎng)重量大、空勤人員負(fù)擔(dān)重、自動化程度低等缺點，在一定程度上已經(jīng)對飛機的研制進程產(chǎn)生了許多不利的影響，因此開發(fā)更為先進的飛機配電系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。隨著電子及計算機技術(shù)的發(fā)展，借鑒國外的研究現(xiàn)狀，采用分布式配電和負(fù)載自動管理技術(shù)的先進飛機配電系統(tǒng)是目前發(fā)展的總趨勢。本實驗室對先進飛機配電系統(tǒng)進行了多年研究，設(shè)計了包括電源系統(tǒng)處理機、負(fù)載管理中心、匯流條控制器及負(fù)載仿真器四部分的飛機配電地面實驗系統(tǒng)。本文所要介紹的飛機測控終端是適用于匯流條控制器和負(fù)載管理中心的通用測控終端，其主要實現(xiàn)對負(fù)載狀態(tài)的監(jiān)測并依據(jù)電源系統(tǒng)處理機發(fā)布的控制命令實現(xiàn)對負(fù)載的控制。下面將從硬件及軟件兩方面介紹測控終端的實現(xiàn)。

硬件設(shè)計

TMS320F2812 DSP介紹

TMS320F2812 DSP是德州儀器公司（TI）推出一種32位高性能數(shù)字信號處理器，它擁有峰值每秒運行150萬條指令（MIPS）的處理速度和單周期完成32×32位MAC運算的功能，同時它還具有128K×16的片上Flash、18K×16的片上RAM以及大量的片上外設(shè)，包括AD轉(zhuǎn)換模塊、兩個事件管理器（EVA和EVB）、CAN總線控制器、兩個串行通信接口模塊（SCIA和SCIB）、串行外設(shè)接口模塊（SPI）、多功能串行接口（McBSP）及56個通用IO口。該DSP以高效的32位定點CPU——TMS320C28xTM為核心處理器，其開發(fā)既可使用C28x匯編也可使用ANSIC/C++語言。此外TI公司還提供有虛擬浮點數(shù)學(xué)函數(shù)庫（IQ數(shù)學(xué)函數(shù)庫）、快速傅立葉變換（FFT）算法函數(shù)庫、濾波器庫等，這些函數(shù)庫可顯著簡化應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。TMS320F2812強大的功能使其完全能滿足測控終端的設(shè)計要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

作為飛機電氣系統(tǒng)測控平臺的組成部分，測控終端主要功能包括：處理主控模塊控制命令、監(jiān)控主電力匯流條、檢測開關(guān)量的狀態(tài)、控制開關(guān)量及傳送智能終端狀態(tài)數(shù)據(jù)等。為了實現(xiàn)上述功能，并充分利用DSPTMS320F2812強大的外設(shè)功能及嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點，設(shè)計中將系統(tǒng)分為交流電壓采集模塊、頻率采集模塊、開關(guān)量管理模塊及通信模塊四部分來實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流電壓采集模塊及頻率采集模塊用來實現(xiàn)對電力匯流條參數(shù)的檢測，開關(guān)量管理模塊用來實現(xiàn)對開關(guān)量狀態(tài)的檢測并依據(jù)電源系統(tǒng)處理機發(fā)來的控制命令及負(fù)載優(yōu)先級狀態(tài)實現(xiàn)對開關(guān)量的控制，通信模塊主要實現(xiàn)測控終端與電源系統(tǒng)處理機間的通信。

圖1 電氣測控終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通信模塊

國外先進飛機配電系統(tǒng)中均采用1553B總結(jié)實現(xiàn)各模塊的通信，考慮到本次設(shè)計的是地面實驗系統(tǒng)，因此各模塊的通信采用與1553B相似的CAN通信。由于F2812本身具有增強型CAN總線控制器，因此通信模塊的硬件設(shè)計主要是CAN總線驅(qū)動電路的設(shè)計，這里我們選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA820C250作為F2812的CAN控制器和物理總線間的接口，以實現(xiàn)對總線的差動發(fā)送和接收功能。為了防止干擾信號的引入，設(shè)計中采用高速光耦6N137對F2812及物理總線進行隔離。

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括系統(tǒng)軟件設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是實現(xiàn)μCOS_II在F2812上的移植;應(yīng)用軟件設(shè)計的主要任務(wù)是測控終端功能的實現(xiàn)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次設(shè)計系統(tǒng)軟件采用源代碼公開實時操作系統(tǒng)μC/OS_II，它是一個基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實時操作系統(tǒng)，其絕大部分源碼是用ANSIC寫的。μC/OS_II通過了聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證，符合RTCA（航空無線電技術(shù)委員會）DO-178B標(biāo)準(zhǔn)。這也是本次設(shè)計采用μC/OS_II的一個原因。要使用μC/OS2-II，首先要把這個內(nèi)核成功移植到所使用的CPU上。μC/OS_II在F2812上的移植工作包括以下幾個內(nèi)容：

①在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數(shù)據(jù)類型，例如關(guān)中斷和開中斷的定義分別為#defineOS_ENTER_CRITICAL（）asm“DINT”及#defineOS_EXIT_CRITICAL（）asm“EINT”。

②調(diào)整和修改頭文件OS_CFG.H，以裁減或修改μC/OS_II的系統(tǒng)服務(wù)，減少資源損耗。例如#defineOS_MBOXEN_0即禁止使用郵箱相關(guān)的代碼。

③編寫C語文件OS_CPU.C。由于本次設(shè)計中未用到其他幾個函數(shù)，因此這里主要完成函數(shù)OS-TaskStkInit（）的編寫。OS-TaskStkInit（）用來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，使其看起來象剛發(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧的情形一樣。

④編寫匯編語言文件OS_CPU.ASM。本文件包括4個子函數(shù)程序：OSStartHighRdy（）（運行最高優(yōu)先級任務(wù)）、OSCtxSw（）（任務(wù)級的任務(wù)切換）、OS-IntCtxSw（）（中斷級的任務(wù)切換）和OSTickISR（）（μC/OS_II的時間節(jié)拍中斷函數(shù)），這是μC/OS-II移植中的重點和難點，這幾個函數(shù)的合理實現(xiàn)，是保證μC/OS-II運行的基礎(chǔ)。上述工作完成后，μCOS_II就可以運行了。

應(yīng)用軟件設(shè)計

系統(tǒng)任務(wù)的構(gòu)成及優(yōu)先級分配

本測控終端要完成的任務(wù)包括：①16路模擬量的采集;②2路頻率采集;③32路狀態(tài)量采集;④16路控制量輸出;⑤與上位機的實時CAN總線通信;⑥自檢測。根據(jù)上述實現(xiàn)功能劃分系統(tǒng)的任務(wù)如表1所示，對任務(wù)優(yōu)先級的分配，這里主要考慮任務(wù)的實時性，對實時性要求高的任務(wù)分配較高的優(yōu)先級，使其得到優(yōu)先調(diào)度。

優(yōu)先級最高的是開始任務(wù)（TaskStart），這是系統(tǒng)啟動后運行的第一個任務(wù)。在該任務(wù)中要完成系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)的初始化，并進行必要的自檢測，然后創(chuàng)建其余的各個任務(wù)。在完成其余各個任務(wù)的創(chuàng)建之后，該任務(wù)要刪除自己，要系統(tǒng)資源讓給其它任務(wù)，整個系統(tǒng)開始正常運行。該任務(wù)的示意代碼如下：

/*系統(tǒng)及外設(shè)的初始化*/

/*系統(tǒng)自檢測*/

/*創(chuàng)建各個任務(wù)*/

StartCpuTimer2（）;; /*起動時間片*/

OSStatInit（）; /*統(tǒng)計任務(wù)初始化*/

創(chuàng)建智能終端的各個應(yīng)用任務(wù);

KickDog（）; /*WatchDog復(fù)位*/

OSTaskDel（OS_PRIO_SELF）; /*刪除開始任務(wù)*/

除了TaskStart（）之外，其余各個任務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)都是一個無限循環(huán)體，圖2給出了一般任務(wù)的任務(wù)流程圖。各任務(wù)的運行采用事件驅(qū)動方式，用戶創(chuàng)建任務(wù)后，初始化為掛起狀態(tài)，等待中斷或其他任務(wù)發(fā)相應(yīng)的事件來驅(qū)動該任務(wù)。

圖2任務(wù)流程圖

任務(wù)的通信與同步

μC/OS-II提供了五種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱、消息隊列、事件標(biāo)志及互斥型信號量。信號量可以控制共享資源的使用權(quán)，也可以協(xié)調(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)行，提供了任務(wù)間通信、同步和互斥的最快通信，μC/OS-II提供了3種類型的信號量，即二進制型、計數(shù)型和互斥型。事件標(biāo)志可使任務(wù)與多個事件同步，若與多個事件的任何一個同步，稱為獨立型同步，若與多個事件都同步，稱之為關(guān)聯(lián)型同步。郵箱是一種通信機制，它可以使一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個任務(wù)發(fā)送一個指針型的變量，該指針指向一個包含了特定消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息隊列是另一種通信機制，它可以使一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個任務(wù)發(fā)送以指針定義的變量，具體應(yīng)用不同，每個指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同?；コ庑托盘柫渴且环N特殊的二進制型信號量，主要用于解決內(nèi)在的互斥問題，減少實際應(yīng)用中所必需的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)。

在設(shè)計測控終端軟件時，充分利用了μC/OS-II提供的這些通信機制，來協(xié)調(diào)各個獨立任務(wù)的運行。這里以通信模塊為例介紹通信機制在設(shè)計中的應(yīng)用。通信模塊共包含四個任務(wù)TaskUnpack（）、TaskPack（）、TaskCANRX（）和TaskCANTX（）和一個中斷Intecan（），任務(wù)間的通信流程如圖3所示。在采集模塊中如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)某個信號發(fā)生異常則各采集模塊就會發(fā)送Qstate，從而使打包任務(wù)處于就緒狀態(tài)。終端對上位機數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，在中斷服務(wù)程序中發(fā)送標(biāo)志量給任務(wù)TaskCANRX（），使其處于就緒態(tài)。在接收任務(wù)函數(shù)中通過判斷自定義的數(shù)據(jù)包頭決定接收數(shù)據(jù)的類型，如果接收的數(shù)據(jù)是開關(guān)量控制命令，則發(fā)送郵箱標(biāo)志MboxUnpack給解包任務(wù)，如果接收的數(shù)據(jù)是發(fā)送狀態(tài)量請求命令，則發(fā)送標(biāo)志量FlagCANTX給發(fā)送任務(wù)。另外，在打包任務(wù)和發(fā)送任務(wù)處理中，為了防止對共享數(shù)據(jù)區(qū)Data_BusToSend［x］誤操作，我們使用了共享沖突信號量MutexSendEMPCMu-texSendDI和MutexSendBus。：其執(zhí)行表示意性代碼如下：

OSMutexPend（MutexSendBUS，0，&err）;/*對數(shù)據(jù)區(qū)DataBusToSend［x］進行操作*/

OSMutexPost（MutexSendBUS）;

圖3任務(wù)通信流程

通信及同步處理是保證μC/OS_II系統(tǒng)及各應(yīng)用任務(wù)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，通過在仿真軟件CCS2.2中調(diào)試，證明本次設(shè)計軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且能夠保證各任務(wù)的實時性要求，這也證明了設(shè)計中對通信及同步的處理合理正確。

結(jié)束語

作為飛機配電地面實驗系統(tǒng)的組成部分，測控終端必須滿足實時性的要求，因此我們選用了主頻為150MHz的數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為主CPU;在軟件設(shè)計方面，采用實時嵌入式系統(tǒng)μCOS_II不僅使各任務(wù)的實時性得到滿足，而且提高了軟件運行的可靠性。該測控終端具有軟件結(jié)構(gòu)簡單，模塊化程度高，便于系統(tǒng)調(diào)試、維護升級等優(yōu)點，其在工業(yè)控制領(lǐng)域也有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。

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