一种基于MCU和FPGA的机载气象数据采集模块设计与实现

admin

随着民用飞机的不断发展，特种飞机越来越多地进入公众视野。增雨机是一种增雨催化的多用途特种飞机，任务系统是其核心功能系统，而大气探测器子系统是增雨机任务系统的重要组成部分，可实时掌握云宏观特征、作业条件等，为机上技术人员提供直接的作业依据。大气探测子系统的气象采集模块主要完成气象数据的采集、处理和存储等功能。

当前机载电子设备架构已完成由分立式向综合模块化的转变，而国内工业产品多依赖特定设备来实现特定功能，导致成本偏高，且多数产品在安全性和环境适应性方面与国外先进产品尚有一定差距。特种飞机机载产品须具备综合化、模块化、高可靠和高安全性等特点，同时有低功耗、轻重量、小体积和低成本的需求，因此，本文基于微控制器和可编程逻辑设计了一种气象数据采集模块，可应用于增雨机任务系统的数据采集、信号处理场景。

1 设计需求

根据系统需求拆解，气象数据采集模块需设计如下功能：

• 接口防护功能：实现雷电间接防护，保障飞机运行时模块的接口防雷击。
• EMI防护功能：降低模块的射频敏感性，将模块的射频能量发射控制在一定范围内。
• 电源转换功能：实现从机上汇流条获取DC28V电源，并将模块的电源输入转换为各级负载需要的电源。
• 数据采集功能：实现RS422/485、ARINC429、ARINC453等各类气象总线数据的采集。
• 数据处理和上传功能：主要完成采集的总线数据的解析和打包上传。
  
  

2 总体方案设计

根据气象采集模块的设计需求，采用MCU为核心处理，数字协议芯片用于串行接口处理，FPGA作为控制和气象数据解析核心，确定硬件设计方案如图1所示。主要分为接口防护电路、电源电路、处理器电路、总线接口电路、FPGA电路、以太网电路和周边辅助电路。

3 电路设计3.1 处理器外围电路

处理器外围电路由复位电路、时钟电路、存储电路以及调试维护电路组成，如图1所示。其中复位电路分为手动复位电路和看门狗复位电路，手动复位电路由模块外部输入手动复位信号，经过光电耦合器隔离后对处理器进行手动复位；看门狗复位电路通过具备看门狗功能的复位芯片实现，当处理器的核电压和IO电压低于设定阈值后，芯片输出复位信号进行处理器复位。调试维护电路由USB转JTAG通信协议芯片实现，通过外挂EEPROM存储JTAG协议实现模块调试功能，从而实现无须外接下载器，只需通过USB接口即可进行在线调试和软件升级功能。存储电路主要由16bit带宽128MB容量的SRAM芯片组成，通过外存储总线接口挂载在处理器上，实现处理器的高速缓存。

针对机载产品对安全性和可靠性的需求，选用TI公司的TMS570系列微处理器，该系列处理器具备锁步的双CPU，可在时间和空间上减少处理器单点故障带来的安全性问题；集成了具有ECC的片内flash，提高了程序存储的可靠性。该处理器具有丰富的基于实时控制应用的外设，包括下一代高端定时器（N2HET）模块，能够及时响应外设的数据请求。同时具备多种通信接口：3个MibSPI，2个SPI，1个LIN，1个SCI，1个FC，1个RGMII的MAC控制器接口。其中，SPI为相似移位寄存器类型器件之间的串行高速通信提供了一种便捷的方法，LIN和SCI为调试串口打印提供了接口资源，FC可挂载传感器类外设，以太网为模块与外部计算机通信提供交互通路。因此，TMS570系列处理器完全满足本设计要求。

3.2 FPGA电路

气象数据采集模块FPGA电路主要完成复位控制、时钟管理、EMIF总线访问、版本管理、气象雷达数据采集和云粒子探头图像采集功能，FPGA逻辑架构如图2所示。其中复位控制和时钟管理主要实现FPGA全局复位、外部复位输出和内部时钟管理功能，EMIF总线访问主要实现处理器对FPGA内部寄存器的读写功能，版本管理主要实现对当前可编程逻辑版本的管理，并可允许处理器通过EMIF总线访问版本信息寄存器，气象雷达数据采集和云粒子探头图像采集主要通过解析处理ARINC453协议数据和HDLC协议数据并实现缓冲区管理。

综合考虑硬件资源和模块功耗，FPGA选用XILINX公司的Spartan-3系列，逻辑综合和布局布线工具使用XILINX公司的ISE14.7。

3.3 电源电路

气象数据采集模块外部具备1路DC28V供电，其电源电路架构如图3所示，主要实现电磁兼容防护、电源储能、浪涌抑制以及电源转换功能。

EMC电路实现电磁兼容防护功能，由π型滤波器、共模和差模电感以及N型MOS管等器件组成，可实现对电源输入的滤波和隔离。

输入隔离电路实现隔离和浪涌抑制、电源的过压和欠压监测以及冲击电流抑制等功能，以浪涌抑制芯片LTC4364为核心，芯片的前级通过大功率MOS管实现输入隔离功能，通过三级分压电阻精准地检测输入电压的过压点和欠压点。当输入电压低于欠压点时，外部MOS管保持关断状态，当输入电压高于过压点时会自动根据TMR引脚的配置电容周期性地充电并判断输入电压是否在配置的电压范围内，使得芯片能及时恢复MOS导通；芯片的后级通过反向放置的N型功率MOS管实现反向输入保护，在电源故障、断电或输入短路时最大限度减少反向电流的瞬变。

储能电路为电源模块提供电源中断时的电能补充，设计储能电容的充电限流辅助电路，可同时保证欠压浪涌或电源中断时迅速放电功能，实现“慢充快放”。

电源转换功能通过一级电源DC/DC和LDO的方案实现，通过电源转换芯片LTM8023实现28V转换5V电源的功能，然后通过低压差稳压器TPS70345实现处理器和FPGA的内核1.2V供电，IO接口3.3V供电。

3.4 RS422接口电路

RS422接口采用UART芯片和RS422收发器的方案实现，电路架构如图4所示。UART芯片选用TI的TL16C554，该芯片为4通道异步收发器，每个通道由FPGA根据分配的寄存器地址划分，将MCU的寄存器访问指令进行地址译码为UART各通道输出片选指令，从而使得MCU可随时独立访问UART的每一个通道的完整状态。UART的接收和发送均内置了16B的FIFO，可减少UART对MCU的中断请求次数。在FIFO操作模式下，具有可选择的自动流控制功能，可通过使用RTS输出和CTS输入信号自动控制串行数据流，从而显著降低软件开销并提高系统效率。此外，UART包含一个可编程波特率发生器，可根据参考时钟输入分频满足不同波特率的配置。

RS422收发器选用MAXIM公司的MAX3491，采用DC3.3V供电，传输速率最大支持10Mbit/s，其中驱动器具有短路电流限制功能，并通过热关断电路防止过功耗，使驱动器输出进入高阻抗状态。接收器输入具有故障安全功能，如果两个输入端都开路，则保证逻辑高电平输出。

3.5 ARINC429接口电路

采用协议芯片搭配驱动器和接收器的方案：1套完整的ARINC429接口电路包含1片协议芯片、1片接收器和4片驱动器，电路架构如图5所示。

ARINC429总线协议芯片采用HOLT公司的HI-3210，该芯片采用+3.3V单电源供电，集成了ARINC429总线协议、8个ARINC429总线接收通道、4路ARINC429总线发送通道和1路高达20MHz速率的SPI标准接口，将协议芯片作为SPI从机挂载在MCU的SPI控制器上即可实现ARINC429总线的数据链路。物理层的驱动器采用HOLT公司的HI-8597，内部集成了电压变换功能，仅需提供+3.3V单电源供电，大大降低了模块供电电路的设计复杂度，接收器采用HOLT公司的HI-8448，芯片采用+3.3V单电源供电，内部集成了8通道独立的接收器，能够很好地搭配HI-3210协议芯片，实现多通道ARINC429总线接收功能，且极大化地利用了芯片资源。

3.6 以太网电路

气象数据采集模块通过以太网和外部计算机进行数据交互，TMS570系列处理器内部集成了1路10/100M增强型媒体访问控制器（EMAC），支持精简媒体独立接口（RMII），因此通过在EMAC上挂载物理层以太网PHY芯片和外接以太网变压器的方式实现以太网接口功能电路。PHY芯片选用TI公司的DP83620，该芯片采用DC3.3V供电，只需50MHz的外部独立时钟源和相关外围配置即可。变压器选用PULSE公司的HX1188NL，工作电压DC3.3V，隔离电压1500V，在电路中可起到电气隔离和电平匹配的作用。

4 测试与验证

气象数据采集模块的测试和验证在实验室环境下开展，分为接口测试和功能测试两个部分。首先进行接口测试，采用外回环测试的方法进行，首先在模块外部连接器通过硬线进行外部回绕，然后基于TI的集成开发环境CCS（Code Composer Studio）加载板级测试程序，通过在串口调试工具输入指令进入对应测试程序分支，并在串口工具返回测试结果（图6），结果显示各路接口发送的数据均可通过硬线回绕采集接收，测试程序将发送和接收的数据包比对后结果一致，证明硬件接口电气特性以及电路工作正常。

接下来进行模块的功能测试，采用专用测试设备提供的RS422、ARINC429、ARINC453和HDLC接口产生数据激励，按照模块软件的数据帧格式向模块发送数据，模块采集到各类接口数据后对数据包进行解析，然后将数据按照UDP协议进行组包并上传至测试设备的UDP端口，测试设备将模块上传UDP数据包解析后，和激励源的数据进行比对并将比对结果显示在测试程序界面上，若接收和发送数据包数量不一致或数据比对不一致导致故障数不为0，该接口会显示异常状态。

在实验室环境下，搭建好测试设备和受测模块的环境，加电启动后，在测试程序界面对测试设备的各类激励接口进行初始化配置，保证测试设备和受测模块对接口的配置参数一致，点击测试界面的“开始”按钮进行自动化测试，测试结果如图7所示，发送数据包和接收数据包数量一致且数据比对结果一致，显示为无故障，由此证明模块的各类接口可正确采集数据，并将数据完整无误地打包上传至测试设备，不存在丢包或误码的现象。

5 结论

本文详尽阐述了气象数据采集模块各功能电路的设计和验证过程，重点介绍了处理器电路、FPGA电路、电源电路、总线电路和以太网电路的设计，以高安全性的微处理器为计算核心对航空总线和工业总线接口数据进行采集和处理，以FPGA为核心对气象探头和气象雷达的图像数据进行解码并通过EMIF总线上传给微处理器，同时各类总线接口数据均采用多通道协议芯片实现，不仅减少了适航成本，更能精简PCB布局，为后续接口的扩展提供了可行性。通过实验室测试，该气象数据采集模块功能正常，性能满足要求，能够作为一种成熟的机载气象数据采集方案，具备一定的工程应用前景。

参考文献：

[1]刘涛瑜,汪利建,马浩.一种基于MCU和FPGA的机载气象数据采集模块设计与实现[J].

声明：本文所用图片、文字均为转载，如有涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认并立即删除内容。本文内容系作者个人观点，不代表物联网123观点或立场。
特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！