嵌入式SoC芯片S698-T的飛參采集器設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)航空業(yè)的發(fā)展，我國(guó)自主設(shè)計(jì)的飛機(jī)越來越多的飛行在天空中，為了記錄監(jiān)控飛機(jī)飛行過程中，飛機(jī)各種設(shè)備的參數(shù)，就需要飛行參數(shù)記錄儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。而飛機(jī)上設(shè)備種類、接口類型、信號(hào)種類都比較多，而為了滿足多種飛機(jī)型號(hào)的需求，就需要將飛行參數(shù)采集器設(shè)備的尺寸做的比較小，使得大飛機(jī)和小飛機(jī)都能夠使用。

為了滿足上述要求，最好的使用方式，就是采用一款具有多種功能模塊的芯片來進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，這樣可以避免采用多款單獨(dú)的功能芯片設(shè)計(jì)造成設(shè)備尺寸過大，系統(tǒng)協(xié)調(diào)性較差的情況。S698-T芯片是珠海歐比特控制工程股份有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的以SPARC V8（IEEE-1754）架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的32位RISC整數(shù)單元IΜ為主控內(nèi)核，配以IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的64位雙精度浮點(diǎn)處理單元FPΜ。采用130 nmCMOS工藝制造及使用BGA352封裝形式的高性能、高可靠性、高集成度的嵌入式SoC芯片。S698-T內(nèi)部還集成了1553B總線控制器、ARINC429總線控制器、CAN總線控制器、多功能IO接口、ΜART接口、在線硬件調(diào)試支持單位DSΜ、DAC模塊、ADC模塊等多種功能模塊。

1 飛參采集器硬件設(shè)計(jì)

飛參采集器的主要功能：完成輸入通道參數(shù)的高精度采集工作，并按一定的格式輸出到記錄器;通過以太網(wǎng)接口連接上位機(jī)可完成參數(shù)配置、履歷設(shè)置、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)卸載等功能;采集器內(nèi)部帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，采集結(jié)果數(shù)據(jù)帶有時(shí)鐘信息;具有8路高速采樣通道，這8個(gè)通道在調(diào)試模式下，可作為虛擬示波器使用，在采集模式下，可對(duì)信號(hào)正常采集;通過CAN總線可級(jí)聯(lián)設(shè)備擴(kuò)展采集通道;產(chǎn)品支持上電自檢、周期自檢和維護(hù)自檢，并能夠記錄并報(bào)告自檢測(cè)信息，方便定位故障;產(chǎn)品考慮EMI、EMC設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的抗電磁干擾能力。

采集器采用模塊化設(shè)計(jì)，其總體框圖如圖1所示。采集器由六部分組成：電源模塊、主控模塊、開關(guān)量信號(hào)采集模塊、模擬量信號(hào)采集模塊、交流信號(hào)采集模塊、母板。

圖1 產(chǎn)品整機(jī)組成框圖

其中電源模塊主要實(shí)現(xiàn)DC-DC電源轉(zhuǎn)換，為產(chǎn)品中其他功能模塊提供穩(wěn)定的電源。

主控模塊集成了系統(tǒng)控制器、航空總線接口（包括1553B總線接口、ARINC429總線接口、CAN總線接口、RS422接口、RS232總線接口、以太網(wǎng)總線接口）以及板載緩存等模塊。

開關(guān)量信號(hào)采集模塊主要完成90路開關(guān)信號(hào)的采集。

模擬量信號(hào)采集模塊主要完成5路耗油信號(hào)、5路0～100 mV模擬信號(hào)、5路-10～10V直流差分信號(hào)、30路±35 V直流信號(hào)、10路±200 V直流信號(hào)、8路高速采樣功能、8路頻率信號(hào)和10路電流比計(jì)信號(hào)的采集。

交流信號(hào)采集模塊主要是完成6路36～380 V交流模擬信號(hào)以及6路三相交流同步器信號(hào)的采集。

采集器采用模塊化設(shè)計(jì)，除電源模塊之外，主控模塊直接通過并行總線控制其他三個(gè)功能模塊，所有參數(shù)配置，采集結(jié)果數(shù)據(jù)幀組合都是在主控板完成，主控板提供以太網(wǎng)接口用于與上位機(jī)通訊，進(jìn)行參數(shù)配置、分析檢查采集時(shí)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出以及高速采集通道的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)提供RS422接口，用于將采集結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到記錄器。

母板主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外接口和各個(gè)功能模塊之間的連接以及功能模塊之間的互連。

2 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采集器中有4個(gè)功能模塊涉及到FPGA設(shè)計(jì)。

主控模塊功能框圖如圖2所示：

圖2 主控模塊功能框圖

主控模塊的FPGA主要實(shí)現(xiàn)以下功能模塊：

2 1路HDLC總線接口控制器，要求發(fā)送FIFO為1024 Byte，接收FIFO為64 Byte;

2 2路RS232總線控制器，要求發(fā)送FIFO為64 Byte，接收FIFO為1024 Byte;

2 4路RS422總線控制器，要求發(fā)送FIFO為64 Byte，接收FIFO為1024 Byte。

FPGA與S698T之間通過并行總線（地址、數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)）進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要具備并行總線控制接口;

2 16路GPIO接口;

2 板載緩存FLASH JKFC2G08VS48MM控制接口;

2 通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM AT24C16A控制接口;

2 RTC時(shí)鐘芯片接口;

2 1路FPGA自身心跳脈沖輸出。

該FPGA上電工作流程為：上電-》讀取通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM-》根據(jù)配置信息（各總線接口的參數(shù)包括波特率、奇偶校驗(yàn)等）設(shè)置各個(gè)總線接口的參數(shù)，并使能總線接口處于接收狀態(tài)-》等待S698T把接收在緩存的數(shù)據(jù)讀走;

開關(guān)量信號(hào)采集模塊功能框圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)量信號(hào)采集模塊功能框圖

開關(guān)量信號(hào)采集模塊的FPGA主要實(shí)現(xiàn)以下功能模塊：

2 ADC芯片ADS8555SPM 接口，該接口需要緩存空間，用于緩存ADC的采集結(jié)果;

2 通道選擇開關(guān)MAX354接口;

2 16路GPIO（用于控制采集通道輸入范圍的電阻選擇）;

2 通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM AT24C16A控制接口;

2 1路FPGA自身心跳脈沖輸出;

2 開關(guān)量信號(hào)采集的各種濾波算法;

該FPGA上電工作流程為：上電-》讀取通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM-》根據(jù)配置信息（通道是否使能、通道輸入范圍（根據(jù)范圍決定該通道是否加上拉電阻））設(shè)置通道的硬件-》開始每0.1 μs輪詢一個(gè)通道的采集結(jié)果并緩存起來-》等待S698T把緩存的數(shù)據(jù)讀走;

模擬信號(hào)采集模塊功能框圖如圖4所示。

圖4 模擬信號(hào)采集模塊功能框圖

模擬信號(hào)采集模塊的FPGA主要實(shí)現(xiàn)以下功能模塊：

2 ADC芯片ADS8555SPM 接口，該接口需要緩存空間，用于緩存ADC的采集結(jié)果;

2 通道選擇開關(guān)MAX354接口;

2 電流比測(cè)試量程控制開關(guān)MAX335MRG接口;

2 測(cè)頻控制模塊，支持8通道輸入（8選1輸入）;

2 通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM AT24C16A控制接口;

2 1路FPGA自身心跳脈沖輸出;

2 模擬量采集的濾波算法;

由于采集通道的數(shù)據(jù)采集完全由FPGA控制完成（包括采集流程），所以該FPGA上電工作流程為：上電-》讀取通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM-》根據(jù)配置信息（通道是否使能、通道輸入范圍）設(shè)置通道的硬件-》開始每0.1 μs輪詢一個(gè)通道的采集結(jié)果并緩存起來-》等待S698T把緩存的數(shù)據(jù)讀走;

交流信號(hào)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，主要完成以下功能：

圖5 交流信號(hào)采集模塊功能框圖

2 自整角機(jī)—數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片AD2S44接口，該接口需要緩存空間，用于緩存ADC的采集結(jié)果;

2 交流信號(hào)采集芯片MCP3903接口;

2 通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM AT24C16A控制接口;

2 1路FPGA自身心跳脈沖輸出;

2 交流信號(hào)采集的濾波算法;

該FPGA上電工作流程初定為：上電-》讀取通道配置信息存儲(chǔ)器EEPROM-》根據(jù)配置信息（通道是否使能等）設(shè)置通道的硬件-》開始每0.1 μs輪詢一個(gè)通道的采集結(jié)果并緩存起來-》等待S698T把緩存的數(shù)據(jù)讀走;

3 結(jié)論

通過板級(jí)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)表明：基于S698-T的飛參采集器設(shè)計(jì)完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求，目前該型飛參采集器已大量使用在實(shí)際產(chǎn)品中。