2024年6月2日发(作者：徐吉帆)
基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５的无人机机载智能接口卡设计
口肖垄口闫杰
口靳文平
西北工业大学航天学院西安７１００７２
摘要：针对某型无人机机栽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ＰＣＩ０４总线来完成ＣＡＮ、ＲＳ４２２、＇ＩＴＬ２３２／ＲＳ２３２等多总线接口以及多路ＭＤ和ＰＷＭ舵机控制电路的设计，具有结构
简单、实用性强的特点。简化了羌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
ＰＣＩ０４
ＣＡＮ总线
中图分类号：ＴＨｌ３３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—４９９８（２０１３）１０—００１７—０４
随着无人机技术的迅猛发展，低成本、高可靠性、
硬件设计主要分两部分：一是板上处理器如何实
多功能结构的飞行控制系统已成为当前研究的热点之现多种接口的连接：二是板上处理器与ＰＣＩ０４总线的
一…。为减小开发风险．降低设计成本．采用集成度高桥接。前者在采用含多种接口的处理器（Ｆ２８３３５）的同
的片上系统ＤＳＰ器件进行外部接口板设计是合适的。
时，利用相应外围转换器件进行接口扩展，后者一般采
目前，一方面中小型无人机飞控系统接口种类较用多端口ＲＡＭ进行高速数据传输。
多，如卫星定位模块多采用ＲＳ２３２总线结构，无线电由于Ⅱ公司的ＤＳＰ器件ＴＭ￥３２０Ｆ２８３３５（以下简
链路和任务管理采用ＲＳ４２２总线结构Ｃ２］。惯性及大气称Ｆ２８３３５）具有１５０ＭＨｚ的工作频率和内部２５６Ｋ字
传感器一般采用刖Ｄ采集方式．舵机以ＰＷＭ方式进Ｆｌａｓｈ，片上含多种串行口（包括ＣＡＮ、ＭｃＢＳＰ、ＳＰＩ和
行控制［３］，另外飞行控制计算机在闭环仿真实验及故
２ＳＣＩ）ｔ４１以及１６路Ａ／Ｄ采集通道、６个脉冲计数通道和
障检测中，通常采用ＣＡＮ总线。另一方面，为了便于机１２路ＰＷＭ脉宽调制控制通道．因此以该ＤＳＰ为核
载自主软件开发，主控计算机一般采用ＰＣＩ０４或心，很容易实现多种接口的连接。采用３．３Ｖ供电的
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ＰＣＩ０４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．７－Ｉｓ：文主要研究了基于ＰＣＩ０４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
ＩＤＴ７０Ｖ２７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
ＰＣＩ０４总线的通信转换。
１硬件原理设计
收稿日期：２０１３年５月
‘—‘Ｆ。—１Ｆ一—＋一一＋”＋＊＋一＋－—＋一一＋－—＋一－＋一＋－＋－＋一＋－＋＊＋一＋一＋－＋－＋一＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋一＋一＋一＋一＋－＋－＋－＋一＋－＋－＋一＋一＋＊＋－＋＊＋－＋－＋・
山大学．２０１１．
机构的设计［Ｊ］．机械制造，２０１１（１２）：７５—７７．
［３］方健．ＳＣＡＲＡ机器人运动控制器设计及应用研究［Ｄ］．长［６］
亚德客－气动器材［Ｚ］．２０１０．
春：吉林大学．２００７．
［７］李敏．多工位晶体装配机的设计与分析［Ｄ］．深圳：哈尔滨工
［４］
王云峰．ＩＧＢＴ全自动装片机工艺方法研究［Ｊ］．电子与封
业大学深圳研究院．２０１２．
装，２０１１，１２（９）：１４—２３．
［８］吴迪光．微积分学［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２０１１．
△
［５］胡亚娟，沈立红，严文文．汽车电动燃油泵上电容自动上料（编辑
丁
罡）
盛
机械制造５１卷第５如期
２０１３／１０回
万方数据
ＲＳ４８５／ＲＳ４２２驱动芯片ＭＡＸ３４９０分别与Ｆ２８３３５的３问仲裁控制，ＩＤＴ７０Ｖ２７利用ＢＵＳＹ引脚信号提供了内
个ＳＣＩ相连，实现ＲＳ４８５／Ｒ￥４２２通信：通过ＭＡＸ３１１１
部硬件判优的方式．当两端口同时访问同一地址单元
与ＳＰＩ相连，扩展了通用异步串行接口（ＵＡＲＴ），可实时，由片内电路根据两边的地址．片选读写信号到达的
现ＲＳ２３２和ＲＳ４２２复用的总线Ｅｓ］：ＣＡＮ总线接口通过
先后顺序，裁决哪个端口有使用权。ＢＵＳＹ信号可直接
ＳＮ６５ＨＶＤ２３２来实现。另外，为了保证Ｆ２８３３５的安全，接至支持插入等待时序引脚，为了防止选择不当引起
需要进行电路隔离：一是在Ｆ２８３３５各对外接口中进行地址冲突而导致死机．用比较器选择开关组成了开关
光电隔离；二是进行电源隔离。串口隔离采用高频光隔式可选端口的地址译码电路。通过切换开关状态来改
６Ｎ１３７实现，由于其上限频率达１０ＭＨｚ，满足上述各
变分配给ＩＤＴ７０Ｖ２７的地址空间，避免冲突。
总线的通信速率要求。电源隔离采用１ｒＩ公司的隔离式
ＰＣＩ０４总线共有２０条地址线。其中Ａ０～Ａ１４接到
ＤＣ／ＤＣ模块ＤＣＲ０１０５０３Ｐ，对接口驱动芯片进行供电。ＩＤＴ７０Ｖ２７的ＡＯＬ～Ａ１４Ｌ，Ａ１５～Ａ１９接，到７４ＬＳ６８６的
为了满足多种接口通信带来的数据负荷。Ｆ２８３３５
Ｐｏ～Ｐ４，ＡＬＥ接Ｐ７。７４ＬＳ６８６的ＱＯ～Ｑ４接了一个多位
与ＰＣＩ０４总线通过ＩＤＴ公司的双口ＲＡＭ
ＩＤＴ７０Ｖ２７
开关，Ｑ６和Ｑ７都置１，７４Ｌ５６８６的输出信号作为
完成数据交换；由于ＩＤＴＴＯＶ２７具有＋３．３Ｖ和＋５Ｖ电压ＩＤＴ７０Ｖ２７的左片选信号。因此，ＩＤＴＴＯＶ２７的地址分配
的兼容性，可以直接与Ｆ２８３３５和ＰＣＩ０４总线相连，且
在Ｃ００００Ｈ～ＤＦＦＦＦＨ之间．由多位开关的通断来决定
其容量大，读写时间短，满足大量数据的高速传输。基置１还是置０，实现地址范围的切换。
于以上设计，多种接口的ＰＣＩ０４扩展卡原理框图如图
ＤＳＰ侧，地址线的低１５线直接与双口ＲＡＭ另一
１所示。侧的地址线相连，片选信号Ｚｏｎｅ６、状态线和读写线分
２
电路实现
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。
２．１
ＰＣＩ０４总线、ＤＳＰ和双口ＲＡＭ间的接口
２．２
隔离电路和各总线收发接口设计
ＰＣＩ０４总线对接口的寻址有两种方法：一种是把
为了保证核心器件Ｆ２８３３５的安全．在其引出的各
双口ＲＡＭ当成外部设备。使用端口Ｌ／ｏ指令进行访个总线上加隔离是非常必要的。光隔６Ｎ１３７的最高工
问，这种方法一次只能传送一个字节或字，因而传送速作频率是１０ＭＨｚ。ＰＣＩ０４扩展卡上，各串行通信的接
度较慢；另一种是内存映像法，把双口ＲＡＭ地址配置口当中，波特率最高是ＣＡＮ总线。其最高波特率为１
于ＰＣ机主存储器的高端（一般为Ｃ００００Ｈ—ＤＦＦＦＦＨ），
ＭＨｚ，所以采用光隔６Ｎ１３７可以满足设计的要求。板卡
以使ＰＣ机像访问主存储器一样访问双口ＲＡＭ．同时除ＣＡＮ总线外。其它总线都是由ＵＡＲＴ通用异步串行
使所有能够访问主存储器的指令也以同样的方式访问
接口与相应驱动芯片相连接构成。而ＣＡＮ总线在结构
双口ＲＡＭ。内存映像法可以以字符块为单位进行传上与ＵＡＲＴ相同，所以隔离电路的设计基本相同，对于
送，因而可实现快速访问双口ＲＡＭ，因此这里采用存
ＰＷＭ驱动电路和脉冲计数的隔离与串行线发送端作
储器内存映射的寻址方式。
相同隔离处理；另外需要进行电源隔离，这里主要采用
双口ＲＡＭ存储器ＩＤｒｌ７０Ｖ２７具有３２Ｋ的寻址空ＴＩ公司的隔离ＤＣ／ＤＣ模块ＤＣＲ０１０５０３Ｐ进行电源隔
间，其特点是存储数据共享。但是，两个独立的ＣＰＵ或
离，ＤＣＲ０１０５０３Ｐ是贴片式封装，节省电路板空问，其
控制器同时访问双口ＲＡＭ的同一存储单元．势必造隔离电路如图３所示。
成数据访问失真。为了防止冲突的发生．就必须存在访
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
ＤＯ～Ｄ７１０ＬＯ．７
ＩＯＲ０—７ＤＯ—Ｄ７
内部具有发送和接受的双向ＦＩＦＯ缓存．可以减少对
ＡＯ～Ａ１４ＡＬ０～１４
ＡＲＯ－１４
Ａ０～Ａ１４
ＳＭＥＭＷＷＲＬ
ＷＲＲ
ＷＲ
ＳＭＥＭＲ
ＯＥＬ
ＯＥＲ
ＲＤ
ＩＯＣＨＲＤＹ
ＲＴＩＳＹＴＣＳＬＣＳＲＢＵＳＹＲ
ＲＥＡＤＹ
ＩＤＴ７０Ｖ２７
ＺＯＮＥ６
ＡＥＮ
Ｐ７
Ｐ＝Ｑ
Ａ１５～Ａ１９ＰＯ￣４
ＰＣＩ０４总线
７４ＬＳ６８６
▲图２双口ＲＡＭ的桥接电路
▲图３总线隔离电路
回２０１３／１０
机械制造５１卷第￥９０期
盘
万方数据
ＣＰＵ的中断和保证高速的数据通信。它与Ｆ２８３３５通根据多总线通信卡的多种通信协议及波特率的不
过ＳＰＩ总线连接：ＤＳＰ的发送时钟信号（ｓＰＩＣＬＫ）作为
同，应该有多种相应的驱动程序和ＤＳＰ处理程序来调
ＭＡＸ３１１ｌ的串行时钟输入，状态信号（ＳＰＩＳＴＥＡ）作为理。接口卡软件设计包括两部分：一是卡上Ｆｌａｓｈ驻留
ＭＡＸ３１ｌｌ的片选信号（ＣＳ），主机发送引脚ＳＰＩＳＩＭＯ与
的Ｆ２８３３５控制程序．用ＣＣＳ实现，负责ＤＳＰ与双口
ＤＩＮ连接作为发送数据线，主机接受引脚ＳＰＩＳＯＭＩ与ＲＡＭ及总线收发器间的通信。二是主机端的驱动程
ＤＯＵＴ连接作为接收数据线，为了保证Ｆ２８３３５通过序，用Ｃ语言、ＷｉｎＤｆｉｖｅｒ实现，负责完成主机与双口
ＳＰＩ接口接受数据不丢帧。ＭＡＸ３１１１的中断信４号－（ＩＲＱ）
ＲＡＭ之间的通信。它提供了访问接口的一系列函数，
与ＤＳＰ的外部中断相连。另外ＭＡＸ３１１１的ＴＸ与可以在应用程序中调用。
ＴＩｌＮ连接，ＲＸ与Ｒ１０ＵＴ连接。以便利用其片内的转
３．１
Ｆ２８３３５的片上Ｆｌａｓｈ程序开发
换器实现ＵＡＲＴ到ＲＳ２３２的电平转换，同时ＴＸ和ＲＸ
当接口卡与主控机连接，主机自动给卡分配一个
分别以Ｙ字形分线接至光隔用以扩展一路ＲＳ４２２总
相应大小的内存空间。映射为卡上的双口ＲＡＭ存储
线。Ｆ２８３３５与ＭＡＸ３１１１的接口电路如图４所示。
２．４加采集调理电路设计
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
目前大多数ＭＥＭＳ惯性器件及大气传感器的输发送与接收命令的首指针与尾指针，缓冲区用于存放
出量程为０—５Ｖ，而Ｆ２８３３５的有效测量范围为０～３Ｖ，各总线待发送和接收到的数据。
因此需要增加幅值变换和滤波的调理电路。在默认情况下，各总线通信速率为１９．２Ｋ波特率，
笔者主要采用ＯＰ０７放大器先实现输入电压跟在双ｍ～Ｍ分配４个独立单元，分别存放主控机对四
随，然后经过两级反向衰减，将输入０～５Ｖ电压实现种总线通信波特率设置信息，再分配４个单元存放四
０．５倍幅值变换。由于涉及放大器反向变换需要一５Ｖ电
种总线的数据帧长度，再分配１６个单元，每４个一组，
压，采用ＩＣＬ７６６０电压泵芯片来实现５Ｖ至一５Ｖ的变分别存放４个总线ＤＳＰ发送缓冲区的首指针和尾指
换，调理电路如图５所示。针以及接受缓冲区的首指针和尾指针：另外还需分配
２．５电源管理电路设计
８个单元存放ＤＳＰ接收缓冲区数据帧的帧头和帧尾信
该接口板上主要分三部分供电．一是光隔一侧是
息。在Ｆ２８３３５完成初始化后，首先依次扫描波特率设
Ｆ２８３３５、双口ＲＡＭ及ＤＳＰ外围器件的供电．这部分器置信息，如发现该设置与某总线当前的波特率不同，则
件的工作电压是３．３Ｖ的，其中Ｆ２８３３５是需要１．８Ｖ和
重新设置总线通信的波特率，然后依次扫描各接收缓
３．３Ｖ两种工作电源。而ＰＣＩ０４总线插槽上Ｂ３引脚提
冲区的首尾指针是否相同？相同则继续扫描。当某一对
供了５Ｖ电源，可以利用该５Ｖ电源进行电压转换，为首尾指针不同，则读取数据并检测和记录数据帧头和
了实现方便。选用了ＴＩ公司的ＴＰＳ７６７Ｄ３１８双输出稳
帧尾，当读取完整一帧后，在相应的接口上发出去。同
压芯片，该芯片具有１．８Ｖ和３．３Ｖ两种输出电压，正常样的，当某接口上接收到数据达到ＦＩＦＯ缓冲深度时
工作时每路最大输出电流达１Ａ．完全满足ＰＣＩ０４功
耗要求。二是另一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
ｎ公司的ＤＣＲ０１０５０３Ｐ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
＿＿＿——
ＴＩＩＮ
—
ＩＲＱ
ＩＮＴｌ
』
ＲＩＯＵＴ
＝
ＣＳ
ＳＰｌＳＴＡ’ｒＥ
光隔Ｒｘ
Ｒｘ
晕ＳＣＬＫ
ＳＰＩＣＬＫ
光隔Ｔｘ
－＿——
Ｔｘ
苫ＤＯＵＴＳＰＩＭＩ
Ｒ￥２３２Ｒｘ
ＲＩＩＮ
ＤＩＮ
ＳＰＩＭ０１０ＬＬＦ
１０ｕＦ
ＲＳ２３２Ｔｘ
Ｔ１０ＵＴ
删￥３２０１７２８３３５
▲图４串口扩展电路
▲图５调理电路图
机械制造５１卷第５９ｔ１期
２０１３／１０圆
万方数据
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，放弃最先放人的一个数，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
画２０１３／１０
万方数据
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：ＰＣＩ０４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，存入缓存，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。
参考文献
［１］冯密荣．世界无人机大全．［Ｍ］北京：航空工业出版社，２００４．
［２］
Ｃｌｏｕｄ
Ｃａｐ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司．Ａ
Ｈｉｇｈｌｙ
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
ＵＡＶ
Ａｖｉｏｎｉｃｓ
Ｓｙｓｔｅｍ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｌｏｕｄｃａｐｔｅｃｈ．ｃｏｒｎ／
ｄｏｗｎｌｏａｄｓ．ｈｔｍ．２０１２—２—１４．
［３］北京麦克普特无人机控制系统有限公司．ＡＰＳＯ驾驶仪技
术手册ｆＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕａｖｓｔａｒ．ｃｏｒｎ．２０１１—１２—２．
［４］Ｔｅｘａｓ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５
ＤＳＰ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［ＥＢ，０Ｌ］．
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ，２００１－７．
［５］Ｍａｘｉｍ．ＭＡＸ３１１１
Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈａｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｘｉｍ—ｉｃ．
ｃｏｒｎ。２０１２—７．
△
（编辑
日
月）
机械制造５１卷第５帅期
盘
2024年6月2日发(作者：徐吉帆)
基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５的无人机机载智能接口卡设计
口肖垄口闫杰
口靳文平
西北工业大学航天学院西安７１００７２
摘要：针对某型无人机机栽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ＰＣＩ０４总线来完成ＣＡＮ、ＲＳ４２２、＇ＩＴＬ２３２／ＲＳ２３２等多总线接口以及多路ＭＤ和ＰＷＭ舵机控制电路的设计，具有结构
简单、实用性强的特点。简化了羌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
ＰＣＩ０４
ＣＡＮ总线
中图分类号：ＴＨｌ３３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—４９９８（２０１３）１０—００１７—０４
随着无人机技术的迅猛发展，低成本、高可靠性、
硬件设计主要分两部分：一是板上处理器如何实
多功能结构的飞行控制系统已成为当前研究的热点之现多种接口的连接：二是板上处理器与ＰＣＩ０４总线的
一…。为减小开发风险．降低设计成本．采用集成度高桥接。前者在采用含多种接口的处理器（Ｆ２８３３５）的同
的片上系统ＤＳＰ器件进行外部接口板设计是合适的。
时，利用相应外围转换器件进行接口扩展，后者一般采
目前，一方面中小型无人机飞控系统接口种类较用多端口ＲＡＭ进行高速数据传输。
多，如卫星定位模块多采用ＲＳ２３２总线结构，无线电由于Ⅱ公司的ＤＳＰ器件ＴＭ￥３２０Ｆ２８３３５（以下简
链路和任务管理采用ＲＳ４２２总线结构Ｃ２］。惯性及大气称Ｆ２８３３５）具有１５０ＭＨｚ的工作频率和内部２５６Ｋ字
传感器一般采用刖Ｄ采集方式．舵机以ＰＷＭ方式进Ｆｌａｓｈ，片上含多种串行口（包括ＣＡＮ、ＭｃＢＳＰ、ＳＰＩ和
行控制［３］，另外飞行控制计算机在闭环仿真实验及故
２ＳＣＩ）ｔ４１以及１６路Ａ／Ｄ采集通道、６个脉冲计数通道和
障检测中，通常采用ＣＡＮ总线。另一方面，为了便于机１２路ＰＷＭ脉宽调制控制通道．因此以该ＤＳＰ为核
载自主软件开发，主控计算机一般采用ＰＣＩ０４或心，很容易实现多种接口的连接。采用３．３Ｖ供电的
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ＰＣＩ０４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．７－Ｉｓ：文主要研究了基于ＰＣＩ０４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
ＩＤＴ７０Ｖ２７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
ＰＣＩ０４总线的通信转换。
１硬件原理设计
收稿日期：２０１３年５月
‘—‘Ｆ。—１Ｆ一—＋一一＋”＋＊＋一＋－—＋一一＋－—＋一－＋一＋－＋－＋一＋－＋＊＋一＋一＋－＋－＋一＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋一＋一＋一＋一＋－＋－＋－＋一＋－＋－＋一＋一＋＊＋－＋＊＋－＋－＋・
山大学．２０１１．
机构的设计［Ｊ］．机械制造，２０１１（１２）：７５—７７．
［３］方健．ＳＣＡＲＡ机器人运动控制器设计及应用研究［Ｄ］．长［６］
亚德客－气动器材［Ｚ］．２０１０．
春：吉林大学．２００７．
［７］李敏．多工位晶体装配机的设计与分析［Ｄ］．深圳：哈尔滨工
［４］
王云峰．ＩＧＢＴ全自动装片机工艺方法研究［Ｊ］．电子与封
业大学深圳研究院．２０１２．
装，２０１１，１２（９）：１４—２３．
［８］吴迪光．微积分学［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２０１１．
△
［５］胡亚娟，沈立红，严文文．汽车电动燃油泵上电容自动上料（编辑
丁
罡）
盛
机械制造５１卷第５如期
２０１３／１０回
万方数据
ＲＳ４８５／ＲＳ４２２驱动芯片ＭＡＸ３４９０分别与Ｆ２８３３５的３问仲裁控制，ＩＤＴ７０Ｖ２７利用ＢＵＳＹ引脚信号提供了内
个ＳＣＩ相连，实现ＲＳ４８５／Ｒ￥４２２通信：通过ＭＡＸ３１１１
部硬件判优的方式．当两端口同时访问同一地址单元
与ＳＰＩ相连，扩展了通用异步串行接口（ＵＡＲＴ），可实时，由片内电路根据两边的地址．片选读写信号到达的
现ＲＳ２３２和ＲＳ４２２复用的总线Ｅｓ］：ＣＡＮ总线接口通过
先后顺序，裁决哪个端口有使用权。ＢＵＳＹ信号可直接
ＳＮ６５ＨＶＤ２３２来实现。另外，为了保证Ｆ２８３３５的安全，接至支持插入等待时序引脚，为了防止选择不当引起
需要进行电路隔离：一是在Ｆ２８３３５各对外接口中进行地址冲突而导致死机．用比较器选择开关组成了开关
光电隔离；二是进行电源隔离。串口隔离采用高频光隔式可选端口的地址译码电路。通过切换开关状态来改
６Ｎ１３７实现，由于其上限频率达１０ＭＨｚ，满足上述各
变分配给ＩＤＴ７０Ｖ２７的地址空间，避免冲突。
总线的通信速率要求。电源隔离采用１ｒＩ公司的隔离式
ＰＣＩ０４总线共有２０条地址线。其中Ａ０～Ａ１４接到
ＤＣ／ＤＣ模块ＤＣＲ０１０５０３Ｐ，对接口驱动芯片进行供电。ＩＤＴ７０Ｖ２７的ＡＯＬ～Ａ１４Ｌ，Ａ１５～Ａ１９接，到７４ＬＳ６８６的
为了满足多种接口通信带来的数据负荷。Ｆ２８３３５
Ｐｏ～Ｐ４，ＡＬＥ接Ｐ７。７４ＬＳ６８６的ＱＯ～Ｑ４接了一个多位
与ＰＣＩ０４总线通过ＩＤＴ公司的双口ＲＡＭ
ＩＤＴ７０Ｖ２７
开关，Ｑ６和Ｑ７都置１，７４Ｌ５６８６的输出信号作为
完成数据交换；由于ＩＤＴＴＯＶ２７具有＋３．３Ｖ和＋５Ｖ电压ＩＤＴ７０Ｖ２７的左片选信号。因此，ＩＤＴＴＯＶ２７的地址分配
的兼容性，可以直接与Ｆ２８３３５和ＰＣＩ０４总线相连，且
在Ｃ００００Ｈ～ＤＦＦＦＦＨ之间．由多位开关的通断来决定
其容量大，读写时间短，满足大量数据的高速传输。基置１还是置０，实现地址范围的切换。
于以上设计，多种接口的ＰＣＩ０４扩展卡原理框图如图
ＤＳＰ侧，地址线的低１５线直接与双口ＲＡＭ另一
１所示。侧的地址线相连，片选信号Ｚｏｎｅ６、状态线和读写线分
２
电路实现
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。
２．１
ＰＣＩ０４总线、ＤＳＰ和双口ＲＡＭ间的接口
２．２
隔离电路和各总线收发接口设计
ＰＣＩ０４总线对接口的寻址有两种方法：一种是把
为了保证核心器件Ｆ２８３３５的安全．在其引出的各
双口ＲＡＭ当成外部设备。使用端口Ｌ／ｏ指令进行访个总线上加隔离是非常必要的。光隔６Ｎ１３７的最高工
问，这种方法一次只能传送一个字节或字，因而传送速作频率是１０ＭＨｚ。ＰＣＩ０４扩展卡上，各串行通信的接
度较慢；另一种是内存映像法，把双口ＲＡＭ地址配置口当中，波特率最高是ＣＡＮ总线。其最高波特率为１
于ＰＣ机主存储器的高端（一般为Ｃ００００Ｈ—ＤＦＦＦＦＨ），
ＭＨｚ，所以采用光隔６Ｎ１３７可以满足设计的要求。板卡
以使ＰＣ机像访问主存储器一样访问双口ＲＡＭ．同时除ＣＡＮ总线外。其它总线都是由ＵＡＲＴ通用异步串行
使所有能够访问主存储器的指令也以同样的方式访问
接口与相应驱动芯片相连接构成。而ＣＡＮ总线在结构
双口ＲＡＭ。内存映像法可以以字符块为单位进行传上与ＵＡＲＴ相同，所以隔离电路的设计基本相同，对于
送，因而可实现快速访问双口ＲＡＭ，因此这里采用存
ＰＷＭ驱动电路和脉冲计数的隔离与串行线发送端作
储器内存映射的寻址方式。
相同隔离处理；另外需要进行电源隔离，这里主要采用
双口ＲＡＭ存储器ＩＤｒｌ７０Ｖ２７具有３２Ｋ的寻址空ＴＩ公司的隔离ＤＣ／ＤＣ模块ＤＣＲ０１０５０３Ｐ进行电源隔
间，其特点是存储数据共享。但是，两个独立的ＣＰＵ或
离，ＤＣＲ０１０５０３Ｐ是贴片式封装，节省电路板空问，其
控制器同时访问双口ＲＡＭ的同一存储单元．势必造隔离电路如图３所示。
成数据访问失真。为了防止冲突的发生．就必须存在访
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
ＤＯ～Ｄ７１０ＬＯ．７
ＩＯＲ０—７ＤＯ—Ｄ７
内部具有发送和接受的双向ＦＩＦＯ缓存．可以减少对
ＡＯ～Ａ１４ＡＬ０～１４
ＡＲＯ－１４
Ａ０～Ａ１４
ＳＭＥＭＷＷＲＬ
ＷＲＲ
ＷＲ
ＳＭＥＭＲ
ＯＥＬ
ＯＥＲ
ＲＤ
ＩＯＣＨＲＤＹ
ＲＴＩＳＹＴＣＳＬＣＳＲＢＵＳＹＲ
ＲＥＡＤＹ
ＩＤＴ７０Ｖ２７
ＺＯＮＥ６
ＡＥＮ
Ｐ７
Ｐ＝Ｑ
Ａ１５～Ａ１９ＰＯ￣４
ＰＣＩ０４总线
７４ＬＳ６８６
▲图２双口ＲＡＭ的桥接电路
▲图３总线隔离电路
回２０１３／１０
机械制造５１卷第￥９０期
盘
万方数据
ＣＰＵ的中断和保证高速的数据通信。它与Ｆ２８３３５通根据多总线通信卡的多种通信协议及波特率的不
过ＳＰＩ总线连接：ＤＳＰ的发送时钟信号（ｓＰＩＣＬＫ）作为
同，应该有多种相应的驱动程序和ＤＳＰ处理程序来调
ＭＡＸ３１１ｌ的串行时钟输入，状态信号（ＳＰＩＳＴＥＡ）作为理。接口卡软件设计包括两部分：一是卡上Ｆｌａｓｈ驻留
ＭＡＸ３１ｌｌ的片选信号（ＣＳ），主机发送引脚ＳＰＩＳＩＭＯ与
的Ｆ２８３３５控制程序．用ＣＣＳ实现，负责ＤＳＰ与双口
ＤＩＮ连接作为发送数据线，主机接受引脚ＳＰＩＳＯＭＩ与ＲＡＭ及总线收发器间的通信。二是主机端的驱动程
ＤＯＵＴ连接作为接收数据线，为了保证Ｆ２８３３５通过序，用Ｃ语言、ＷｉｎＤｆｉｖｅｒ实现，负责完成主机与双口
ＳＰＩ接口接受数据不丢帧。ＭＡＸ３１１１的中断信４号－（ＩＲＱ）
ＲＡＭ之间的通信。它提供了访问接口的一系列函数，
与ＤＳＰ的外部中断相连。另外ＭＡＸ３１１１的ＴＸ与可以在应用程序中调用。
ＴＩｌＮ连接，ＲＸ与Ｒ１０ＵＴ连接。以便利用其片内的转
３．１
Ｆ２８３３５的片上Ｆｌａｓｈ程序开发
换器实现ＵＡＲＴ到ＲＳ２３２的电平转换，同时ＴＸ和ＲＸ
当接口卡与主控机连接，主机自动给卡分配一个
分别以Ｙ字形分线接至光隔用以扩展一路ＲＳ４２２总
相应大小的内存空间。映射为卡上的双口ＲＡＭ存储
线。Ｆ２８３３５与ＭＡＸ３１１１的接口电路如图４所示。
２．４加采集调理电路设计
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
目前大多数ＭＥＭＳ惯性器件及大气传感器的输发送与接收命令的首指针与尾指针，缓冲区用于存放
出量程为０—５Ｖ，而Ｆ２８３３５的有效测量范围为０～３Ｖ，各总线待发送和接收到的数据。
因此需要增加幅值变换和滤波的调理电路。在默认情况下，各总线通信速率为１９．２Ｋ波特率，
笔者主要采用ＯＰ０７放大器先实现输入电压跟在双ｍ～Ｍ分配４个独立单元，分别存放主控机对四
随，然后经过两级反向衰减，将输入０～５Ｖ电压实现种总线通信波特率设置信息，再分配４个单元存放四
０．５倍幅值变换。由于涉及放大器反向变换需要一５Ｖ电
种总线的数据帧长度，再分配１６个单元，每４个一组，
压，采用ＩＣＬ７６６０电压泵芯片来实现５Ｖ至一５Ｖ的变分别存放４个总线ＤＳＰ发送缓冲区的首指针和尾指
换，调理电路如图５所示。针以及接受缓冲区的首指针和尾指针：另外还需分配
２．５电源管理电路设计
８个单元存放ＤＳＰ接收缓冲区数据帧的帧头和帧尾信
该接口板上主要分三部分供电．一是光隔一侧是
息。在Ｆ２８３３５完成初始化后，首先依次扫描波特率设
Ｆ２８３３５、双口ＲＡＭ及ＤＳＰ外围器件的供电．这部分器置信息，如发现该设置与某总线当前的波特率不同，则
件的工作电压是３．３Ｖ的，其中Ｆ２８３３５是需要１．８Ｖ和
重新设置总线通信的波特率，然后依次扫描各接收缓
３．３Ｖ两种工作电源。而ＰＣＩ０４总线插槽上Ｂ３引脚提
冲区的首尾指针是否相同？相同则继续扫描。当某一对
供了５Ｖ电源，可以利用该５Ｖ电源进行电压转换，为首尾指针不同，则读取数据并检测和记录数据帧头和
了实现方便。选用了ＴＩ公司的ＴＰＳ７６７Ｄ３１８双输出稳
帧尾，当读取完整一帧后，在相应的接口上发出去。同
压芯片，该芯片具有１．８Ｖ和３．３Ｖ两种输出电压，正常样的，当某接口上接收到数据达到ＦＩＦＯ缓冲深度时
工作时每路最大输出电流达１Ａ．完全满足ＰＣＩ０４功
耗要求。二是另一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
ｎ公司的ＤＣＲ０１０５０３Ｐ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
＿＿＿——
ＴＩＩＮ
—
ＩＲＱ
ＩＮＴｌ
』
ＲＩＯＵＴ
＝
ＣＳ
ＳＰｌＳＴＡ’ｒＥ
光隔Ｒｘ
Ｒｘ
晕ＳＣＬＫ
ＳＰＩＣＬＫ
光隔Ｔｘ
－＿——
Ｔｘ
苫ＤＯＵＴＳＰＩＭＩ
Ｒ￥２３２Ｒｘ
ＲＩＩＮ
ＤＩＮ
ＳＰＩＭ０１０ＬＬＦ
１０ｕＦ
ＲＳ２３２Ｔｘ
Ｔ１０ＵＴ
删￥３２０１７２８３３５
▲图４串口扩展电路
▲图５调理电路图
机械制造５１卷第５９ｔ１期
２０１３／１０圆
万方数据
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，放弃最先放人的一个数，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
画２０１３／１０
万方数据
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：ＰＣＩ０４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，存入缓存，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。
参考文献
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（编辑
日
月）
机械制造５１卷第５帅期
盘