基于mpc8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)，將MPC8280及FlexRay總線有效結(jié)合用于航空領(lǐng)域，適合飛行控制、飛行仿真等多種應(yīng)用的需求，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中將MPC8280及FlexRay總線用于飛行控制領(lǐng)域的空白，解決了現(xiàn)有飛行控制領(lǐng)域容錯算法、飛行器控制律以及任務(wù)邏輯處理復(fù)雜的問題。
【專利說明】基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及基于MPC8280的分布式飛行控制計算機 控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有分布式飛行控制計算機其CPU單元采用MPC565芯片，內(nèi)部通信總線采用CAN。 存在的主要缺點一是CPU運算速度低(系統(tǒng)時鐘最高56MHz)，不能滿足現(xiàn)代無人機飛行控 制對計算機計算速度的要求；二是計算機內(nèi)部通信總線通信速率低（1MBPS)，不能滿足計 算機內(nèi)部信息交換速度要求。
[0003] MPC8280是Freescale公司PowerQUICC系列處理器，G2LE內(nèi)核單位頻率運算能力 高。通過Dhystone2. 1標(biāo)準(zhǔn)測試，其運算能力可以達到400MIPS以上，且芯片自身功耗小于 3W。MPC8280的通信處理模塊上集成有很多外圍通信控制器，并包含了一個請求驅(qū)動的精簡 指令集內(nèi)核，可以執(zhí)行微代碼以支持不同的通信協(xié)議。MPC8280主內(nèi)核采用了 G2_LE內(nèi)核， 它是MPC603e微控制器的嵌入式版本，擁有16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，并且具有 硬件浮點運算單元。上述特性，使其具備極高的可擴展性和較強的性能，，MPC8280只在計 算機處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是，目前在航空領(lǐng)域沒有采用MPC8280作為控制器的 飛行控制系統(tǒng)。
[0004] FlexRay總線是一種近年來發(fā)展起來的新型車載總線，具有時間觸發(fā)、高容錯能 力、低傳輸延遲和高通信速率等特點，被用以替代CAN來作為汽車主干網(wǎng)。時間觸發(fā)、低延 遲和高速率的特點，符合飛行控制計算機的硬實時特性，極高的容錯能力也應(yīng)對復(fù)雜的飛 行環(huán)境。FlexRay的通信速率為單通道10Mbps，是CAN總線的10倍，因而能夠有效提高復(fù) 雜分布式飛行控制計算機的內(nèi)部總線帶寬，降低其負(fù)載率。但是，目前FlexRay總線沒有用 在航空領(lǐng)域，因此，將FlexRay總線用于航空領(lǐng)域是現(xiàn)有技術(shù)亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于MPC8280的分布式飛行控制計算 機控制系統(tǒng)，將MPC8280及FlexRay總線有效結(jié)合用于航空領(lǐng)域，適合飛行控制、飛行仿真 等多種應(yīng)用的需求，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中將MPC8280及FlexRay總線用于飛行控制領(lǐng)域的空 白，本發(fā)明從提高分布式飛行控制計算機CPU運算速度（400MHz )和提高內(nèi)部通信總線速率 (10MBPS)二點上入手，將新型CPU和新型通信總線型結(jié)合，解決了現(xiàn)有飛行控制領(lǐng)域容錯 算法、飛行器控制律以及任務(wù)邏輯處理復(fù)雜的問題。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案： 基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)，包括電源模塊、MPC8280最小系統(tǒng)、 CPLD接口電路、CAN總線、串行通信接口、以太網(wǎng)接口，還包括FlexRay總線，其中MPC8280 最小系統(tǒng)與CPLD接口電路、FlexRay總線、串行通信接口以及以太網(wǎng)接口直接連接，CAN總 線的數(shù)據(jù)地址總線和控制信號通過CPLD內(nèi)部邏輯實現(xiàn)與MPC8280的交互。
[0007] 所述MPC8280最小系統(tǒng)包括實時時鐘、系統(tǒng)時鐘、Flash存儲器、SDRAM存儲器、 EEPR0M存儲器；Flash存儲器用于存儲操作系統(tǒng)映像和用戶程序數(shù)據(jù)；EEPR0M存儲器用于 存儲MPC8280的硬件復(fù)位配置字和引導(dǎo)裝載程序；SDRAM存儲器作為程序執(zhí)行的內(nèi)存；系統(tǒng) 時鐘為100MHz晶振，并通過零延時緩沖器CY2305實現(xiàn)晶振頻率的分布式同步。
[0008] 所述CAN總線、串行通信接口、FlexRay總線均包括4路，以太網(wǎng)接口包括2路，4 路CAN總線、串行通信接口、FlexRay總線及2路以太網(wǎng)接口均與背板連接。
[0009] 所述電源模塊的輸入為28V航空電源，輸出電壓為5V、3. 3V、1. 5V。
[0010] 串行通信接口采用RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，以太網(wǎng)接口采用MPC8280的FCC單元作為控 制器，并采用intel公司的LXT971通過RJ45標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)MII接口。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果： 1、采用MPC8280微控制器作為主處理器，具有高性能、低功耗的特性，適合飛行控制、 飛行仿真等多種應(yīng)用的需求。
[0012] 2、采用FlexRay總線作為內(nèi)部總線，能夠提高飛行控制計算機單元間通信的效率 和可靠性，符合飛行控制計算機的硬實時特性，極高的容錯能力也應(yīng)對復(fù)雜的飛行環(huán)境。
[0013] 3、設(shè)計了 4路CAN總線，實現(xiàn)對舊型分布式計算機的向下兼容。
[0014] 4、采用CPLD實現(xiàn)MPC8280外部總線60x總線對SJA1000的接口邏輯，提高了設(shè)計 的靈活性，同時避免了 GPI0擴展SJA1000造成的CPU占用率過高的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)框圖。
[0016] 圖2是CPLD內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖3是微控制器MPC8280與兩種總線控制器的接口邏輯與信號連接。
[0018] 圖4是SJA1000寫操作的總線時序圖。
[0019] 圖5是分布式飛行控制計算機背板連接框圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明： 如圖1所示，CPU單元的最小系統(tǒng)包括：Flash存儲器，用于存儲操作系統(tǒng)映像和用戶 程序數(shù)據(jù)；EEPR0M存儲器，用于存儲MPC8280的硬件復(fù)位配置字和bootloader程序；SDRAM 存儲器作為程序執(zhí)行的內(nèi)存；系統(tǒng)時鐘為100MHz，通過零延時緩沖器CY2305實現(xiàn)晶振頻 率的分布式同步。通過MPC8280的存儲器控制器擴展多路內(nèi)部總線，其中CAN總線控制器 SJA1000通過CPLD實現(xiàn)接口邏輯，F(xiàn)lexRay通信控制器MFR4310直接與MPC8280的60x總 線相連。串行通信接口、以太網(wǎng)接口以及GPI0均通過MPC8280的通信管理單元實現(xiàn)。整個 (PU板的電源輸入為28V航空電源，經(jīng)由兩級電源設(shè)計，分別產(chǎn)生外圍電路的5V、3. 3V和處 理器內(nèi)核使用的1.5V。
[0021] 如圖2所示，由于CPU單元的MCU最小系統(tǒng)已經(jīng)擴展了多路存儲器，剩下的片選信 號數(shù)目有限，而需要擴展的總線控制器多達8路，因此需要適當(dāng)?shù)牡刂纷g碼邏輯來產(chǎn)生足 夠的片選信號。地址譯碼模塊的原理就是利用多余的地址信號來通過組合邏輯產(chǎn)生片選。 SJA1000內(nèi)部寄存器數(shù)量不多，僅需要8位地址線，設(shè)計中從核心板引出13根地址線-- A[19-31]。其中冗余的地址信號都可以用來實現(xiàn)各種譯碼和接口邏輯。接口邏輯模塊用來 將MPC8280分離的數(shù)據(jù)地址總線信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌谶壿嫞D(zhuǎn)換成SJA1000需要的數(shù)據(jù)地 址復(fù)用總線。通過分析兩者的接口時序，可以發(fā)現(xiàn)通過已有控制信號和冗余地址信號能夠 實現(xiàn)這樣的邏輯，這些將在下一節(jié)做詳細(xì)說明。最后，同樣由于擴展了多路系統(tǒng)總線，需要 使用大量的外部中斷信號。但是由于優(yōu)先級的問題，各路總線如果使用不同的優(yōu)先級，會產(chǎn) 生低優(yōu)先級通道被阻塞的問題。因此，本文利用CPLD將多路中斷信號通過多輸入與門合并 起來，通過一個外部中斷信號輸入MPC8280。當(dāng)MPC8280采集到中斷信號后，通過查詢各通 信控制器來判斷中斷來源。
[0022] 如圖3所示，F(xiàn)lexRay通信控制器MFR4310的接口電路為常規(guī)的外部總線擴展，而 CAN總線控制器SJA1000相對特殊。SJA1000的外部總線是數(shù)據(jù)地址復(fù)用的，并且其驅(qū)動電 平為5V。由于MPC8280的數(shù)據(jù)地址總線分離，并且工作電壓為3. 3V，要實現(xiàn)MPC8280擴展 SJA1000,就必須在中間實現(xiàn)接口邏輯和電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計中采用了 Altera的MAXII CPLD來 完成接口邏輯，并使用總線緩沖器SN74LVCC3245芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。CPLD的主要任務(wù)是 將GPCM的控制信號通過組合邏輯的方式轉(zhuǎn)換成SJA1000所需要的信號。MPC8280的數(shù)據(jù) 總線經(jīng)過總線緩沖器SN74LVCC3245的電平轉(zhuǎn)換后直接與SJA1000的外部總線AD[0-7]相 連。其他控制信號與異步存儲器類似，唯一區(qū)別是多了鎖存信號，這是SJA1000外部總線的 數(shù)據(jù)地址復(fù)用造成的。設(shè)計中使用22. 1184MHz作為SJA1000內(nèi)部波特率發(fā)生器的時鐘源。 復(fù)位信號使用MPC8280的GPI0來實現(xiàn)，方便軟件復(fù)位。
[0023] SJA1000有兩個輸出引腳ΤΧ0和TX1，它們對應(yīng)著SJA1000內(nèi)部的兩個輸出驅(qū)動 器。通過SJA1000的輸出控制寄存器OCR可以配置輸出驅(qū)動器的輸出模式和輸出電平。RX0 和RX1是SJA1000內(nèi)部差分接收比較器的輸入引腳，在不外接總線收發(fā)器(如TJA1050等） 時，這兩個引腳可以直接與CANH和CANL相連，但是此種方案電磁兼容性明顯弱于外接總線 收發(fā)器的方案。由于RX1的電平比RX0的高時讀顯性，反之讀隱性，因此通常的設(shè)計中都給 RX1 -個固定電平2. 5V，這樣RX0可以單獨作為接收端口使用。然而這樣的設(shè)計存在一個 缺陷，就是輸入信號會經(jīng)過差分接收比較器，造成了一定的延時。更好的方案是將SJA1000 內(nèi)部的時鐘分頻寄存器的CBP位直接置一，將差分接收比較器旁路。CPU單元的設(shè)計中，兼 顧了兩種設(shè)計方法。除去數(shù)據(jù)總線是雙向的以外，所有SJA1000的控制信號都是單方向從 CPLD輸出到SJA1000的，可以直接采用3. 3V TTL電平來驅(qū)動。SJA1000的接口邏輯主要通 過CPLD實現(xiàn)數(shù)據(jù)地址總線復(fù)用，即將數(shù)據(jù)和地址信號進行并轉(zhuǎn)串的邏輯。讀寫周期可以劃 分為順序執(zhí)行的兩個步驟：地址鎖存和數(shù)據(jù)讀寫。課題中設(shè)計的思路就是用MPC8280的數(shù) 據(jù)總線D[0-7]先后傳輸?shù)刂沸盘柡蛿?shù)據(jù)信號，通過A31地址線來區(qū)分D[0-7]上的數(shù)據(jù)類 型，通過A30來判斷D [0-7]的傳輸方向。
[0024] 如圖4所示，鎖存信號ALE為低電平有效時，執(zhí)行的任務(wù)為寫地址，所以寫使能信 號WE和總線類型選擇的A31應(yīng)當(dāng)為低電平。CPLD輸出的片選信號應(yīng)當(dāng)滿足SJA1000的時 序要求，即在地址鎖存結(jié)束了 tLLWL的時長后有效。方向信號DIR既被用來作為CPLD內(nèi)部 雙向數(shù)據(jù)線的標(biāo)識，也被用來控制總線緩沖器SN74LVCC3245的信號方向，因為該方向與總 線讀寫方向一致。為1號CAN總線分配地址空間為OxFDOOOOOO,那么寫地址和讀寫數(shù)據(jù)的 內(nèi)存指針就應(yīng)當(dāng)如下表所示。這樣通過一系列的指針操作，就可以實現(xiàn)對SJA1000中各寄 存器和緩沖區(qū)的讀寫操作，如表1所示。
[0025] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)，包括電源模塊、MPC8280最小系 統(tǒng)、CPLD接口電路、CAN總線、串行通信接口、以太網(wǎng)接口，其特征在于：還包括FlexRay總 線，其中MPC8280最小系統(tǒng)與CPLD接口電路、FlexRay總線、串行通信接口以及以太網(wǎng)接口 直接連接，CAN總線的數(shù)據(jù)地址總線和控制信號通過CPLD內(nèi)部邏輯實現(xiàn)與MPC8280的交互。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)，其特征在 于：所述MPC8280最小系統(tǒng)包括實時時鐘、系統(tǒng)時鐘、Flash存儲器、SDRAM存儲器、EEPROM 存儲器；Flash存儲器用于存儲操作系統(tǒng)映像和用戶程序數(shù)據(jù)；EEPROM存儲器用于存儲 MPC8280的硬件復(fù)位配置字和引導(dǎo)裝載程序；SDRAM存儲器作為程序執(zhí)行的內(nèi)存；系統(tǒng)時鐘 為100MHz晶振，并通過零延時緩沖器CY2305實現(xiàn)晶振頻率的分布式同步。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)，其特征在 于：所述CAN總線、串行通信接口、FlexRay總線均包括4路，以太網(wǎng)接口包括2路，4路CAN 總線、串行通信接口、FlexRay總線及2路以太網(wǎng)接口均與背板連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系統(tǒng)，其特征在 于：所述電源模塊的輸入為28V航空電源，輸出電壓為5V、3. 3V、1. 5V。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的基于MPC8280的分布式飛行控制計算機控制系 統(tǒng)，其特征在于：串行通信接口采用RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，以太網(wǎng)接口采用MPC8280的FCC單元 作為控制器，并采用intel公司的LXT971通過RJ45標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)MII接口。
【文檔編號】G05B19/418GK104062955SQ201410265929
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】陳欣, 張煜 申請人:南京航空航天大學(xué)