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低功耗数据接口设计论文范文

时间:2022-04-01 11:21:16

低功耗数据接口设计论文

1硬件设计

结合数据处理接口模块的需求,系统的复位源设计有3个,分别是软件复位、手动复位和上下电复位。其中软件复位由使用数据处理接口模块的主机发出,手动复位由维护人员通过地面测试设备发出,上下电复位通过5V电源监控芯片MAX791实现。软件复位和手动复位通过二极管线与的方式接入MAX791的MR端。系统在以下4种情况时会产生复位:1)上电复位:上电过程中,当VCC>4.65V时,复位信号保持200ms有效后变高;2)下电复位:下电过程中,当VCC<4.65V时,复位信号一直有效;3)软件复位:由主机中的CPU发出,当底板总线信号XRE-SET#有效时间>25μs时,产生复位,XRESET#无效后复位信号保持200ms有效;4)手动复位:由地面测试设备发出,当底板总线信号TS_RE-SET#有效时间>25μs时,产生复位,TS_RESET#无效后复位信号保持200ms有效。利用MAX791的看门狗功能,还可以对板上DSP的工作状态进行监控,一旦出现软件跑飞等情况,看门狗狗叫会导致DSP的NMI中断发生,并且上报给主机GO/NOGO#信号有效。

2软件设计

数据处理接口模块的软件主要由硬件初始化、自测试程序、周期数据收发和命令响应四大功能组成。其中周期数据的收发包含消息层和数据层两个层次。消息层负责命令的辨识和数据的组织搬运,数据层负责协议的执行和发送接收等底层任务。数据层基本数据帧的格式见图4所示。这里的同步字、数据长度、校验方式由主机在初始化时确定。其中校验方式可选择两种,若采用和校验,则检验位占用1字节;若使用CRC校验,校验位占2字节。在周期数据收发的数据层中,RS422链路分为测控链路和任务链路两部分。测控链路用于检测设备的连通性和硬件的正确性,任务链路用于任务系统之间的通信。因此,将用于测控通信的链路设计为无链接协议链路,将用于任务通信的链路设计为有链接协议链路。有链接协议的任务链路的状态转移图见图5所示。任务链路的工作原理是:上电后首先进行通信测试,主端首先发送LTST,若从端回复ALTST为正常,测试完成后,转入空闲工作状态;空闲状态时主从定期进行握手操作,当主机存在发送命令时,转入消息发送状态,当从端发来数据帧前导码LHDR时主端转入消息接收状态;消息发送完成后会进行发送检查,如果从接收无误会发来ACK握手信号,当出现超时或从发来NACK信号时进行重新发送状态,重试超过门限进入通信测试状态;消息接收状态时若消息正确则进入空闲状态,若接收超时或消息错误时发送NACK通知主端重新发送,当错误次数超门限时进入通信测试状态。

3低功耗设计

简易无人机携带燃料有限,而实际任务中往往又要求其尽可能长时间的滞空,这就要求各类设备尽可能地以较小的功耗完成较多的功能。因此本文从硬件软件等不同层面设计来降低模块的功耗。降低功耗总的来说有关闭无用功能、减少无用操作和合理器件选型三个方法。在不使用DSP内部的AD、eCAN、SCI等资源时,可将对应的资源的时钟HSPCLK和LSPCLK关闭,同时不使能这些资源,以达到降低功耗的目的。作为降压型线性电源,TPS74401芯片的耗散功率PD=(VIN-VOUT)×IOUT,即电源的转换效率取决于输入输出电压差的大小,因此在电源转换电路的设计上应在满足电源芯片的最小dropoutvoltage的情况下尽量减小LDO器件输入输出电压差,可提高转换效率减少发热功耗,本文中1.8V电源由最接近1.8V电压的3.3V电源转换而来。为保持较好的信号完整性,模块上的印制板走线阻抗均按照单端50Ω差分100Ω控制。在RS422的发送端和接收端进行阻抗匹配以优化信号质量。在发送端使用33Ω串联匹配方式,接收端采用120Ω并联匹配方式,由于正常工作时差分电平约±5V,为降低直流功耗在并联匹配电阻处串接一10pF电容,这样既满足瞬态的信号完整性要求,也可在稳态时达到隔离直流,减小匹配电阻上直流功耗的目的。详见图6所示。在软件设计方面,采用定时查询和中断接收相结合的方式,减少DSP对外设的多余操作,避免不必要的轮询操作所产生的功率消耗。本文介绍的串行数据接口板在今后的改进设计中,可以注意合理的器件选型,以达到降低功耗的目的。例如:现设计中1.8V电源转换效率为54%,今后可结合实际电流消耗状况选用合适的开关电源代替线性电源[4],并使开关电源工作在中等或较重负载状态,可提高电源效率至80%左右;现有设计中CPLD动态功耗约为0.7W,由于该模块中逻辑占用资源并不多,因此后期可考虑用更小功耗的中小规模可编程逻辑器件替换。目前现有设计中未考虑模块的睡眠唤醒功能,今后可结合主机实际的需求,添加相应功能的电路,以降低待机功耗。

4结束语

在今后的研究中可以进一步优化硬件设计,选用低功耗、小体积、高密度的器件,提高系统集成度,以适应航空技术发展对航电设备提出的小体积、低功耗、轻重量的要求。

作者:王炳文陈伊卿张婷婷单位:中航工业西安航空计算技术研究所西安电力电子技术研究所

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