控制理论与控制工程硕士论文-飞参转录器设计及飞行数据处理.pdf

? ? ? 10699 ? ? ? ? ? ? ? ? ? u491 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 056094102 题目题目题目题目 飞参转录飞参转录飞参转录飞参转录器器器器设计设计设计设计 及飞行数据及飞行数据及飞行数据及飞行数据处理处理处理处理 作者作者作者作者 李伟华李伟华李伟华李伟华 学科学科学科学科、专业专业专业专业 控制理论与控制工程控制理论与控制工程控制理论与控制工程控制理论与控制工程 指指指指 导导导导 教教教教 师师师师 史忠科史忠科史忠科史忠科 教授教授教授教授 申请学位日期申请学位日期申请学位日期申请学位日期 2008200820082008 年年年年 0 0 0 06 6 6 6 月月月月 ? ? ? ? u491 10699 056094102 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 （学位研究生） 飞参转录器设计及飞行数据处理飞参转录器设计及飞行数据处理飞参转录器设计及飞行数据处理飞参转录器设计及飞行数据处理 作者作者作者作者： 李伟华李伟华李伟华李伟华 指指指指 导导导导 教教教教 师师师师： 史忠科 教授 学学学学 科科科科(专业专业专业专业)： 控制理论与控制工程 申请学位日期申请学位日期申请学位日期申请学位日期： 2008 年 06 月 二零零八年六月 a dissertation for the masters degree down-load equipment design for flying parameters and processing of flight data by li wei-hua supervised by prof.shi zhongke college of automation northwestern polytechnical university xian, shanxi, p. r. china june, 2008 ! “ i 摘摘摘摘 要要要要 本文主要设计了我国某型飞机的新型飞行数据转录器， 研究了飞行数据野值 剔除的各种方法，最后设计了对飞行数据进行去噪处理的数字滤波器。 首先，由于我国某型飞机原磁带式转录器存在体积大、误码率高、转录速度 慢、转录流程长、无实时处理功能等缺点，本文设计了一种新型的飞行数据转录 器。该转录器采用 dsp 作为主处理器，cf 卡作为记录体，并采用 fat16 文件系 统格式保存和管理飞行数据。与原磁带式转录器相比较，新型转录器不但有效减 小了体积、重量，而且降低了飞行数据转录过程的误码率。同时，由于采用高性 能 dsp 芯片作为处理器，很大程度上提高了转录速度和实时处理能力。 其次，考虑到飞行数据实时处理过程中的野值问题，本文深入研究了几种野 值剔除方法。一方面，在研究了两种典型飞行数据野值剔除方法（ “增量法”和 “多项式滑动估计法” ）的基础上，同时考虑到它们在实时飞行数据野值剔除方 面存在的不足，本文适当的修改了它们判别门限的选取方法，从而保证其能够适 用于实时飞行数据的野值剔除。另一方面，针对野值剔除算法中的最大稳定性问 题，本文应用了基于“中值滤波”的野值剔除方法。最后，在 matlab 环境下对 三种野值剔除方法进行了仿真研究， 仿真结果表明三种方法均能有效地剔除飞行 数据中存在的野值，同时，也指出了三种方法剔除野值的不同效果。 最后，针对飞行数据处理过程中的去噪问题，本文对数字滤波进行了相关研 究。为了滤除飞行数据中的高频噪声，在 matlab 环境下，设计了基于双线性变 换法的巴特沃思低通数字滤波器、切比雪夫 ii 低通数字滤波器和椭圆低通数字 滤波器等三种典型 iir 滤波器，并利用这三种滤波器对飞行数据进行去噪处理， 在仿真环境下对比了它们的去噪效果， 并指出了三种滤波器滤除高频噪声的优缺 点。 关键词关键词关键词关键词：飞行数据，转录器，野值，数字滤波 abstract ii abstract the paper mainly designs a new down-load equipment of flight data used in some aircraft in our country and a digital filter which processes flight data, and researches some methods applied in elimination of flight data outlier. firstly, considering the disadvantages of down-load equipment of magnetic tape, such as large volume, high bit error rate, long transcription process and no real-time processing, a new down-load equipment of flight data is designed, which makes dsp as main processor and cf card as recording body, and uses fat16 file system format to save and manage the flight data. the new device can make up for the disadvantages of the old one. meanwhile, to a large extent, it can improve the speed of transcription and capability of real-time. secondly, aiming to the outlier problem of flight data during the process of real-time treatment, some method of elimination of outlier is studied deeply. on the one hand, based on the research on two typical methods of outlier elimination of flight data including incremental method and polynomial sliding estimation method and considering their deficiency of elimination of outlier of real-time flight data, this paper properly changes the selection method of their judgment threshold in order to keep the method real-time. on the other hand, another way of elimination of outlier is proposed based on median filter because of the problem of the most stability of elimination of outlier. the research of three methods above is simulated under the circumstance of matlab. the results of simulation are effective to eliminate the outlier of flight data. finally, this paper makes the relative research on data filter for the de-noising problem during the process of the treatment of flight data. in order to filter the high frequency noise, iir low pass digital filters of butterworth#chebyshev$ and elliptic filters are designed based on bilinear transformation method and the realization way of these filters are discussed. the de-noising experiment of flight data is made by iir filters under the circumstance of matlab. the result indicates that the digital filters are operative in de-noising high frequency of flight data. keywords: flight data, down-load equipment,outlier, digital filter % .4 7 第二章第二章第二章第二章 基本原理基本原理基本原理基本原理 这一章是对以后几章内容所涉及到的主要的基本原理进行介绍。 2.1 fat16 文件管理系统文件管理系统文件管理系统文件管理系统 飞行数据以 fat16 格式存储在 cf 卡中，因此，论文首先介绍 fat16 文件管 理系统原理。 2.1.1 fat16 系统的系统的系统的系统的数据结构数据结构数据结构数据结构 fat16 系统的数据结构就是指在 fat16 系统管理模式下， 数据在 cf 卡 （fat16 系统本来是针对硬盘的数据管理格式，在这里只针对 cf 卡而言）中的存储格式。 在格式化 cf 卡的时候，选择文件格式 fat16，cf 卡就被格式化成 fat16 模 式。在这种模式下格式化，cf 卡的内部就依次建立起主引导区 mbr、dos 引导记 录区 dbr（dos boot record） 、文件分配表区 fat（file allocation table） 、 文件目录表区 fdt（file directory）和数据区 data 五个部分，这五个部分就 组成了 fat16 系统的数据结构。这五个部分在 cf 卡中的分配情况如图 2-1： +7-,?abc,?ij eklk h e fg mnopq mnrs mn 1 tu 0bh 12 13 2 mn /vw 0dh 14 1 vw/x 0eh 15 16 2 yz vw 1 10h 17 1 fat h e 1 % 11h 18 19 2 % .4 9 全一样的部分组成即 fat1 区和 fat2 区。fat 区是扇区分簇管理区，应用程序欲 将数据写入 cf 卡中，必须在 cf 卡上找到可以使用的未用扇区。反过来要将数据 从 cf 卡中读出时，也要在 cf 卡上找到已经储存了相应数据的有关扇区。要查找 扇区必须知道扇区的地址，fat 区就是记录扇区地址的。因为 cf 卡的扇区很多， 如果将每个扇区的地址都记录在 fat 区中，势必造成文件分配表体积庞大，查找 效率降低。为此，采用了将扇区分组管理的方法。分组的过程称作扇区分簇。 h 7-7 %普通系统中，使用 9 根信号线，采用 db-9 插座。rs-232c 定 义的 eia 电平采用负逻辑。在 rs-232c 标准中，规定5v、15v 为逻辑 1， 而将+5v、 +15v 规定为逻辑 0； 要求接收器必须能识别高到+3v 信号作为逻辑 0， 低到3v 信号作为逻辑 133。 由于 rs-232c 的逻辑电平与 dsp2407 的逻辑电平不兼容，因此相连时必须 进行电平转换。电平转换芯片有 mc1488/mc1489 和 max3232 等，由于 dsp 是 3.3v 供电，所以采用 ti 公司的芯片 max3232 来进行 rs-232 与 3.3v ttl 电 平之间的转换而不需要另外的 5v-3.3v 电平转换芯片。 max3232cse 是 maxim 公司生产的电平转换专用芯片， 它内部有升压电路， 因此外部只需单+3.3v 供电， 接口方便实用。max3232 还有一个优点就是匹配电容用 0.1f的贴片电容就 可以，这样可以节省电路板的面积。图 3-9 是通讯模块的接线图。 z|z 25 3.2.6 看门狗模块看门狗模块看门狗模块看门狗模块 由于转录器的工作一般在-40 o c 60 o c 的恶劣气温环境下，并且机场电磁 环境复杂，因此在设计转录器时必须考虑程序跑飞的情况。 程序跑飞会严重影响转录器工作的正常进行。为了使转录器在干扰侵袭、电 源降压或瞬间电源掉电等情况下，能正常工作，给系统配备一个看门狗复位电路 是必需的。 maxim 公司的 max706t 是集复位、 掉电检测、 看门狗于一体的集成芯片， 转录器设计当中用它来监控3.3v的电压。 max706t所监控的门限电压为3.08v， 当被监控电压低于这个电压时，它将输出一个 200ms 的复位信号，使系统复位。 wdi 是监控信号的输入，芯片内部对 wdi 输入信号进行定时监控，当 wdi 引 脚的信号超过 1.6 秒没有发生变化时，在复位输出引脚 wdo 便输出一个 200ms 的低电平信号，对系统进行复位。wdi 引脚接 tms320lf2407a 的复位信号输 入管脚 121 脚 xf 来实现看门狗定时器输入，监控系统程序的运行。 监控电路如图 3-10 所示，max706t 的 wdi 端与 tms320lf2407a 的 121 引脚 xf 相连， wdo端通过二极管 dd1 与mr端相连。 在 2407 正常运行时， 2407 每隔一定时间（小于 1.6 秒）改变 xf 引脚的状态一次，刷新 max706t 的内部 定时器，wdo维持高电平；当 2407 运行失控时，tms320lf2407a 无法定期改 变 xf 引脚的状态，这样 max706t 的内部定时器就会溢出，wdo变为低电平， 二极管 dd1 导通， 造成复位端 reset 输出低电平， 强行复位 tms320lf2407a。 复位电路是由上面所述的两个信号通过“或”的关系来实现的，即上电复位信号 和监控复位信号。 z|z 3.2.7 电源模块电源模块电源模块电源模块 转录器电路板电源的设计是硬件设计的重要的一环， 电源系统供电质量的好 坏将直接影响到电路板的工作性能。 一方面电源设计的好坏会影响电路板能否进 26 入编译环境，另一方面电源电路的设计决定系统能否正常运行。所以设计出高效 率、高性能的供电系统具有重要意义。 设计中包含的元器件种类比较多，对电源电压的要求也不一样，涉及到的电 源电压主要有 5v 和 3.3v， 其中 tms320lf2407a 和 isplsi2032ve 需要 3.3v 的 直流电源供电。因而一个 5v 到 3.3v 的直流转直流的（dc-dc）电源转换电路 是必要的。 在电源电路的设计中首先需要考虑的问题就是电路板的最大功耗问题， 如果 电源芯片最大功率不够，电路板上电以后就会导致其发热甚至烧毁，后果十分严 重。 设计中选用的 dsp 芯片 tms320lf2407a34-35和 cpld 芯片 isplsi2032a26 的供电电压是 3.3v， 所以就选用了能输出 3.3v 电压的电源芯片 tps7333 进行该 部分的电路设计。tps7333 是 ti 公司的电源芯片，能够输出稳定 3.3v 电压。设 计中加入容量分别为 0.1f、10f、47f胆电容是滤掉电源中各频段的杂 波和干扰的，这样可以得到更为干净的电源信号。 电路板的最大功耗计算如下：整个电路板上的主要器件是核心处理器 tms320lf2407a 芯片（其峰值功耗为 660mw） 、cpld 芯片 isplsi2032a（其功 耗为 214.5mw） 、外部 ram 存储器 cy7c1021v3327（其功耗为 576mw） 、cf 卡（最大功耗 247.5 mw）等。而电源芯片 tps7333 的最大输出电流是 2a，所 以其输出功率约为 6600mw，完全满足电路板的功率需求。理论计算和后期的调 试运行证明这样的电源电路设计是可靠的。 3.3 转录器软件设计转录器软件设计转录器软件设计转录器软件设计 飞行数据在转录器的 cf 卡中以 fat16 文件管理系统方式来存储。因此，转 录器软件设计的主要内容是 cf 卡的 fat16 文件管理系统设计。 为了实现 fat16 文件管理系统，有必要对 cf 卡的物理结构以及 cf 卡的读写操作作些讨论。因 此这一章首先分析 cf 卡的物理结构、实现 cf 卡的读写操作，在此基础上完成 cf 卡的 fat16 管理系统的设计。 3.3.1 cf 卡物理结构分析卡物理结构分析卡物理结构分析卡物理结构分析 了解 cf 的物理结构有助于理解 cf 的读写过程。cf 卡包含两个基本部分： 片内的芯片控制器和片内的存储模块。片内的存储模块用来存储数字信息，片内 的芯片控制器用来实现与主机的接口及控制数据在存储模块的传输。 27 z| cf 卡的内部集成了控制器、 flashmemory 阵列和读写缓冲区。 其中 ,微控制 器起到了桥梁的作用，它将主机对 flash memory 的读写转化成对 ata 协议控 制器的访问。cf 卡对于缓冲区的设计使用了一种双缓冲结构(双口 sram)，使 得外部设备和 cf 卡通信的同时，cf 卡的片内 mcu 可以对 flash memory 阵 列进行读写。这种设计可以增加 cf 卡数据读写的可靠性，同时提高数据通讯的 速率。cf 卡的工作电压采用 5v 或 3.3v，设计中采用 3.3v 供电。 1cf 卡控制器 cf 卡有 3 种工作模式37：存储器映射模式、pc card i/o 模式和 true ide 模式。 论文采用 cf 卡的存储器映射模式， 在这种模式下 cf 卡按照 ata 标准36， 以寄存器方式传送数据、命令和地址。在这种模式下，只要保证 cf 卡插入插槽 之前让/oe 信号保持为高电平，就能自动进入。对 cf 的操作是通过以下 8 个寄 存器来进行。 （1）数据寄存器(r/w)：这是一个 16 位数据寄存器，用于对扇区的读写操 作。主机通过该寄存器向 cf 卡控制器写入或从 cf 卡控制寄存器读出扇区缓冲 区的数据。 （2）错误寄存器(r)和特性寄存器(w)：8 位寄存器。错误寄存器反映控制 寄存器在诊断方式或操作方式下的错误原因。 （3）扇区数寄存器(r/w)：8 位寄存器，用来设置读、写扇区的数目。 （4）扇区号寄存器(r/w)：8 位寄存器，用来记录读、写和校验命令指定的 起始扇区号。 （5）柱面号（低）寄存器(r/w)：8 位寄存器，用来记录读、写和校验命令 指定的低柱面号。 （6）柱面号（高）寄存器(r/w)：8 位寄存器，用来记录读、写和校验命令 指定的高柱面号。 （7）驱动器/磁头寄存器(r/w)：8 位寄存器，记录读、写和校验命令指定的 驱动器号、磁头号和寻址方式(chs 模式或 lba 模式)。 1 lba 1 drv lba27 lba26 lba25 lba24 z| z 28 lba-“1”为 lba 方式， “0”为 c/h/s 方式（见 cf 卡的编址方式） ； drv-选择驱动器 0 或 1，这里始终设置为 0； lba27-lba24-设置逻辑地址（见 cf 卡的编址方式）的 27-24 位。 （8）命令和状态寄存器：8 位寄存器，在写的时候是命令寄存器，用来设置 “读”或“写”命令；在读的时候是状态寄存器，用来读取 cf 卡的准备状态。 在这种模式下,寄存器的译码见表 3-2。 2cf 卡的编址方式 cf 卡的扇区寻址方式有两种:物理寻址方式(chs)和逻辑寻址方式(lba) 。 物理寻址方式通过使用柱面、磁头和扇区号表示一个特定的扇区。起始扇区是 0 磁道、 0 磁头、 1 扇区 ,接下来是 2 扇区 ,一直到结束扇区;接下来是同一柱面 1 头、1 扇区等。而逻辑寻址方式将整个 cf 卡统一寻址。逻辑块地址和物理地址 的关系为: lba 地址 = (柱面号磁头数+磁头号)扇区数+扇区数-1 3-2 cf memorymapped reg a10 a9-a4 a3 a2 a1 a0 oe we 1 0 xxxx 0 0 0 0 1 0 xxxx 0 0 0 1 1 0 xxxx 0 0 1 0 1 0 xxxx 0 0 1 1 1 0 xxxx 0 1 0 0 1 0 xxxx 0 1 0 1 1 0 xxxx 0 1 1 0 / / 1 0 xxxx 0 1 1 1 为了方便 dsp2407 对 cf 卡的读写操作，我们采用逻辑寻址(lba)方式，无 需磁头和磁道的转换操作， 因此在访问连续扇区时， 操作速度比物理寻址方式快。 逻辑地址总共有 28 位组成，它们在各寄存器中的分配情况如表 3-4： 3-4 28 位 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 寄存器名 磁头/驱动器 寄存器 柱面号（高） 寄存器 柱面号（低） 寄存器 扇区号 寄存器 3.3.2 cf 卡读写卡读写卡读写卡读写操作的实现操作的实现操作的实现操作的实现 对 cf 卡的读写是以扇区为单位的，一次必须读写一个或多个连续扇区，一 29 个扇区是 512 字节。设计中对于不够 512 字节的数据用 0 填充。设计采用 cf 卡 的 memorymapped 工作模式。这种模式下对 cf 卡操作实际上是对 cf 卡的内部 寄存器进行操作（见 3.3.1 节） 。该工作模式下，cf 卡内部寄存器译码见表 3-2。 在 3.3.1 节中，我们已经知道，对 cf 卡读写操作实际上是对 cf 卡内部 8 个 寄存器的操作。根据各寄存器的功能，在读写 cf 卡时我们首先按以下内容设置 内部寄存器： 驱动器/磁头寄存器的高 4 位设为 0xe，低 4 位为逻辑地址的 lba27-lba24 位； 扇区数寄存器设置所要连续读写的扇区个数； 扇区号寄存器设置逻辑地址的 lba7-lba0 位； 柱面低寄存器设置逻辑地址的 lba15-lba8 位； 柱面高寄存器设置逻辑地址的 lba23-lba16 位； 设置完这几个寄存器后，再设置命令和状态寄存器(见表 3-2)。其中 0x20 表 示”读”操作； 0x30 表示”写”操作。 以上寄存器设置完成后，cf 卡内部控制器就开始初始化，等初始化完毕， 即 cf 卡可以与外部进行数据交换以后，它就会设置状态寄存器为 0x58。这时我 们可以通过查询状态寄存器的内容是否是 0x58 来判断是否可以交换数据。交换 数据完毕标志是 0x50，在交换数据的过程中，我们可以通过不断查询状态寄存 器是否是 0x50 来判断数据传输是否完毕。值得注意的是，我们每次对 cf 卡进 行读写操作时，必须重新设置以上各寄存器，这样才能保证 cf 卡的正常读写。 论文中由于飞行数据一个字占 12 位数据宽度（转录时只记录其中 11 位） ， 而 cf 卡内部寄存器都是 8 位的(除了数据寄存器是 16 位)，因此，cf 卡数据宽 度设计成 8 位和 16 位可变的情形。当设置 cf 卡内部寄存器时使用低 8 位数据 宽度，即设置 ce1=0,ce2=1；当传输飞行数据时设置成 16 位数据宽度，即设置 ce1=0，ce2=0。设置数据宽度的方法见表 3-1。设计中 ce1 管脚始终设为 0 电 平，而 ce2 管脚电平状态可变，通过 dsp 的一个 i/o 口来控制。读写 cf 卡的 程序流程图如图 3-13。 30 z| ? z 3.3.3 cf 卡的卡的卡的卡的 fat16 文件文件文件文件管理管理管理管理系统系统系统系统设计设计设计设计 飞行数据在 cf 卡中以 fat16 文件管理格式记录。 用这种记录方式能够很方 便的把飞行数据转存到飞行数据地面处理系统的 pc 机上，只要用一个 cf 卡读 卡器就可以实现。 在论文的设计中，cf 卡的 fat16 文件管理系统主要完成以下功能：a. 文件 建立；b. 飞行数据的记录；c. 文件删除。 z|?z cf 卡的 fat16 系统的实现是从 cf 卡的初始化开始的，因此这一节先讨论 31 cf 卡的初始化的实现， 然后分析 cf 卡的 fat16 系统的设计。 cf 卡 fat16 系统 的整体功能图如图 3-14。 下面对 fat16 系统的实现作具体讨论。 1. cf 卡的初始化 cf 卡的初始化是由一个函数 cfini（）来完成的，它的主要工作就是找到 cf 卡的 bpb 表，通过 bpb 表的内容获得 cf 卡的有关信息。由 2.1.2 节中的内 容我们知道，bpb 表位于 dbr 区，而结束标志 55aa 可以作为对该区所在逻辑 扇区地址进行搜索的依据。因此，设计就利用这一点来搜索 cf 卡的 bpb 表。值 得注意的是， 在 dbr 区之前还有一个结束标志 55aa， 它是 mbr 区的结束标志， 所以，搜索时必须取第二个 55aa 所在逻辑扇区地址作为 bpb 表的逻辑扇区地 址。找到 bpb 表所在的逻辑扇区后，根据 2.1 节的分析，我们知道，bpb 表在 该逻辑扇区的位置是扇区字节偏移 0bh 处开始的连续的 25 个字节。其中 bpb 表的内容见表 2-1。 z|? ? z 搜索到 bpb 表以后，根据 bpb 表的内容，我们很容易获得以下信息： fat1 区起始逻辑地址=隐藏扇区数+保留扇区数(保留扇区数在 2.1.1 节已有 定义)； fat2 区起始逻辑地址=每个 fat 表的扇区数+fat1 区起始逻辑地址； fdt 区起始逻辑地址=fat2 区起始逻辑地址+每个 fat 表的扇区数； data区起始逻辑地址=fdt区起始逻辑地址+32(在fat16格式下,fdt区的 大小固定占用 32 个扇区)。 cf 卡的初始化过程是对 cf 卡进行操作的基础，在以后的所以读写操作中， 32 都将以 cf 卡初始化过程计算出来的起始逻辑地址为基础来计算扇区地址偏移 量。cf 卡初始化流程图如图 3-15。 2. 建立文件 本文通过函授 creatfile（）来完成建立文件功能的。creatfile（）函数提供 新建文件的文件名、扩展名和数据长度等信息。程序首先查询 fdt 区（该区的 起始扇区地址已经在 cf 卡初始化时获得） 是否已经存在该文件的 fdt 表项 （这 是通过查询文件名来实现的） ，如果该文件已经存在，则返回，否则继续搜索空 闲的 fdt 表项，搜索到空闲 fdt 表项以后，程序就在 fat 区搜索第一个空闲簇 号， 这个空闲簇号就作为 fdt 表中的起始簇号， 并且将这个空闲簇号对应的 fat 表项的内容写入 0xffff 结束标志， 表示新建文件目前只分配了数据区的一个簇。 这时数据长度以字节为单位可以设为 0，因为此时还没有写入数据。然后程序将 该文件名、 扩展名、 数据长度和起始簇号等重要信息填入已经搜索到的空闲 fdt 表项中，从而完成建立文件的功能。 ? ? ? fdt ? fdt fat !“#$ !“%? abcd 33 再找到 fat 区， 对与原文件相关的 fat 表项全部清零， 以释放出 cf 卡的存储空 间。删除文件的流程如图 3-17： ef ghijk ijlmno ? pqrsfat tuv0 pwxs fdttu sy z 0xe5 _ l m ijno abcd ()*+efg/012 4. 记录数据 论文使用函数 appfile（）完成飞行数据的记录功能。 文件建立起来以后就是记录数据过程。 这个过程实际上完成的是往新建文件 里面添加数据的任务。 首先将新建文件的 fdt 表项中的起始簇号设为当前簇 （当 前簇就是指程序正要操作的 data 区的簇） ，这时当前簇中没有记录数据，飞行 数据以扇区为单位开始被程序连续写入当前簇中。当当前簇写满以后，程序就再 次搜索 fat 区中的下一个空闲簇，将空闲簇号填入当前簇对应的 fat 表项中， 将空闲簇设为当前簇，并将当前簇的 fat 表项的内容填上 ffffh，并继续往当 前簇中写入飞行数据。记录数据的时候，这个过程一直继续到数据记录完毕。记 录数据的流程图见图 3-18。 至此转录器的文件系统已经建立完毕，飞行数据转录在 cf 卡以后就可以通 过 cf 卡读卡器对保存在 cf 卡中的内容读出。 3456789:8;? abcd 34 hi j fdtklmn i opqrsto uvwxyz | r j uv sto op stop m fatkl j opq rsto x w o j 0xffff o m fatkl ()*+ a 12( 3.4 调试调试调试调试 3.4.1 dsp2407 程序基本结构程序基本结构程序基本结构程序基本结构 转录器电路板的调试工作是在 f24xxtds510usb2.0emulator 硬件仿真器和 代码编辑器 ccs3.10 版本支持下完成的。f24xxtds510usb2.0emulator 硬件仿 真机的使用方法可以阅读它的使用说明书。代码编辑器 ccs 是个功能齐全的优 化 编 辑 器 38 。 它 的 主 要 功 能 是 把 标 准 的 ansi c 语 言 程 序 转 换 成 tms320c2x/c2xx/c5x 能够识别执行的汇编语言代码。另外该编辑环境也可以嵌 入汇编语言，完成混合式编程。设计中所有 dsp 的程序主要使用 c 语言来完成， 部分 dsp 初始化程序采用嵌入汇编指令来完成。用 tms320c2x/c2xx/c5x c 编 辑器开发一个 dsp2407 的 c 语音应用程序， 一般需要书写以下 5 种类型的文件。 (1)主 c 程序文件 main.c main.c 文件中包含一个 main()函数作为 c 程序的入口点。程序启动/复位后， 程序首先跳转到中断矢量入口 c_int00，包含运行支持库后，c_int00 自动完成与 main()函数的连接。 (2)命令文件 lnk.cmd lnk.cmd文件包含了dsp的存储空间定义以及代码段和数据段在存储空间中 的安排。用户通过这个文件向 ccs 连接器说明存储器配置以及程序和数据的具 3456789:8;? abcd 35 体存放地址。cmd 文件需要由开发者根据芯片的存储器映射自己编辑完成。 (3)头文件 设计中涉及到两个头文件，一个是 dsp2407.h；另一个是 compactflash.h 头 文件主要用来定义设备内部寄存器地址。在头文件中，寄存器都以指针方式进行 寻址。 (4)库文件 除了上述最基本的文件之外，程序一般还需要包含运行时支持库文件 (rts2xx.lib)，这个库文件提供了对 c 运行时环境的支持，以及芯片特性的支持。 需要的时候还可以添加 gel（通用扩展语言）文件。 (5)中断向量文件 vectors.asm vectors.asm 文件中包含中断服务表(interrupt service table)。dsp 复位之后， 首先加载程序，然后会首先从复位向量（通常为 0x0000 0000）处开始执行，然 后程序从复位向量跳转到 c 运行环境的入口地址 c_int00 处执行，在 c_int00()中 完成诸如初始化堆栈指针、页指针以及初始化全局变量等操作，最后调用 main() 函数，执行用户功能。中断服务表可以重新分配位置，但必须以 0x400b 为边界。 当中断服务表移动时，中断服务表指针(istp)也要进行相应的改变。 3.4.2 串口串口串口串口通讯模块软件设计通讯模块软件设计通讯模块软件设计通讯模块软件设计 这个部分的功能是实现飞行数据转录的同时， 可以把飞行数据传送到机组笔 记本电脑上。飞行数据通过 rs-232 传输。 dsp 的 sci 波特率设置如下： 首先在 dsp 系统设置中通过设置寄存器 mcra 的值把该复用引脚设置为串 口功能。 其次是设定波特率，sci 波特率由 tms320lf2407a 的时钟频率和波特率选 择寄存器决定，sci 利用波特率选择寄存器的 16 位值（两个 8 位的寄存器） ，在 一个给定的时钟下，可选择 64k 种不同串行时钟值。sci 波特率由下式计算： 8) 1(+ = brr clkout sci异步波特率 由此可得： 1 8异步波特率 = sci clkout brr 式中 brr 为两个波特率选择寄存器 scihbaud 和 scilbaud 的 16 位值， 为了 和其他模块进行正常通信， 该部分波特率也选为 9600bps， 系统工作频率 30mhz， 3456789:8;? abcd 36 代入上式进行计算可得 brr0185h，令 scihbaud01h，scilbaud85h， 可得波特率为 9590.79bps，其误差为 0.10%，经过实际测试，在这样的误差范围 内串口完全可以正常通信。 对波特率设置结束后，接着是设置串口的工作方式，然后就可以对串口进行 输入输出操作了。把一个字节数据赋给发送缓冲寄存器 scitxbuf，再查询 txrdy 位，当 txrdy 为 1 时，说明此字节发送完成，可以发送下一字节。接 收数据时也是一样，把一个字节数据赋给发送缓冲寄存器 scitxbuf，查询 rxrdy 位，当 rxrdy 为 1 时，说明接收缓冲寄存器 scirxbuf 有数据，从 缓冲器读出数据即可。这就是 dsp 的串行通讯接口（sci）的数据输入和输出过 程。 3.5 pcb 布局布线布局布线布局布线布局布线 印制电路板设计的好坏对电路板抗干扰能力影响很大。因此，在进行 pcb 设计时，必须遵守 pcb 设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。要使电 子电路获得最佳性能,应遵循下面讲述的一般原则39。 1. 电路板的选用。电路板一般用敷铜层压板制成，选用时主要从电气性能、 可靠性、加工工艺要求和经济性等方面考虑。常用的敷铜层压板是铜酚醛纸质层 压板、敷铜环氧玻璃布层压板、敷铜环氧纸质层压板、敷铜环氧份醛玻璃布层压 板、敷铜聚四氧乙烯玻璃布层压板和多层印制电路板用环氧玻璃布层压板等，不 同的材料压板有不同的特点。 电路板的厚度应该根据电路板的功能、所装元件总量、电路板插座规格、电 路板外形尺寸和所承受的机械载荷等来决定.主要应该保证足够的刚度和强度.常 见的电路板厚度有 0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm 等。 2. 电路板尺寸。从成本、铜膜导线长度、抗噪声能力考虑，电路板的尺寸 越小越好。但是板尺寸太小，则散热不良，且相邻的导线容易引起干扰.pcb 尺 寸过大时，印制线路长，阻抗增大，抗噪声能力下降，成本也增加。 一般情况下，在禁止布线层中指定的布线范围就是电路板尺寸。电路板最佳 形状为矩形，长宽比为 3:2 或 4:3。电路板尺寸大于 200mm150mm 时，应该考 虑电路板所受的机械强度。 3. 布局。虽然 protel 99 se 可以自动布局，但实际上电路板的布局几乎都是 手工完成的。一般说来，布局应遵循一下原则： 尽可能缩短高频元器件之间的连线； 设法减小它们的分布参数和相互间的 电磁干扰； 易受干扰的元器件不能相互挨得太近； 输入和输出元器件应尽量远离。 37 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以 免放电引起意外短路。带强电的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 应预留印制板的定位孔和固定支架所占用的位置。 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并 使信号尽可能保持一致的方向。 以每个功能电路的核心元器件为中心， 围绕它来进行布局。 元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在 pcb 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连线。 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于 2mm。 4. 布线。布线的方法及布线的结果对 pcb 的性能影响也很大，一般应遵循 一下原则： 输入和输出端的导线应尽量避免相互平行，最好添加线间地线，以免发生 导线间反馈耦合现象。 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们 的电流值决定。 对于集成电路， 尤其是数字电路， 通常选 0.2mm:0.3mm 线宽度。 只要电路板允许，还是尽可能用较宽的线，尤其是电源线和地线。导线的最小间 距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数 字电路，只要工艺允许，可使间距小于5:8mm。 印制板导线拐弯一般取圆弧形， 而直角或夹角在高频电路中会影响电气性 能。 尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落 现象。 公共地线应该尽可能放在电路板边缘部分。 电路板上应该尽可能多保留铜 箔做地线，这样可以使屏蔽能力增强，地线的形状最好做成环路或网格状。 5. 焊盘。焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差以及镀锡厚度、孔径 公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑。焊盘中心孔要比元器件引线直径稍大一 些。通常情况下，以金属引脚直径加上0.2mm作为焊盘内孔直径，焊盘太大易 形成虚焊。 3.6 硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计 硬件抗干扰的方法主要包括削弱干扰源、切断干扰传播途径、降低系统对干 扰信号的敏感性。一般做法是从防和抗两方面入手来抑制干扰。以下是本论文所 采用的几项抗干扰措施。 1降低外时钟频率 38 dsp外时钟是高频的噪声源。 外时钟不但对设计的应用系统会产生干扰， 还 可能产生对外界的干扰。因此，必须采取抑制措施。一般做法是适当降低外时钟 频率，再通过dsp内部pll电路倍频的方法来达到dsp所需频率的目的。所以 本系统使用了15mhz的晶振，再用pll电路倍频到30mhz给dsp使用。 2看门狗技术与低电压复位 看门狗技术用于监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况， 当这 段程序不工作时判断为系统故障，从而产生系统复位。低电压复位技术是监测 dsp电源电压，当电压低于某一值时产生复位信号。这部分在3.2.6节看门狗模 块设计当中已经有详细的叙述，这里不再赘述。 3去耦电容 集成电路内部三极管导通和截止会引起电路电流的变化，从而产生噪声。另 外，集成电路的电源也会带有一定的高频噪声。电源噪声将直接影响集成电路性 能。因此，在电源、地之间应配置一个去耦电容，它既可以滤掉来自电源的高频 噪声，也可以通过它吸收或提供该集成电路内部三极管导通、截止引起的电流， 从而降低系统噪声。胆电容或瓷片电容高频特性较好，一般可以选作去耦电容。 每块印制电路板电源引入的地方要安放一只大容量的储能电容， 这样可以有效降 低电源噪声。本设计中就使用了胆电容对电源信号进行滤波，得到较为干净的电 源信号。 4屏蔽技术 所谓屏蔽就是对两个空间区域之间加以金属隔离。 屏蔽技术是抑制电磁场耦 合最有效的方法。将转录器电路板屏蔽在金属外壳内，能够阻止电磁干扰通过场 的方式耦合进入转录器电路板内。从而达到有效抵抗外电磁干扰的影响。 5接地技术 接地技术也是设计中所采用的抗干扰措施之一。为dsp系统提供良好的地 线，对提高系统的抗干扰能力极为有益。上面提到的一系列抗干扰元件，意在将 雷击、浪涌式干扰以及快脉冲群干扰去除，而去除的方法都是将干扰引入大地。 如果系统不接地，或虽有地线但接地电阻过大，则这些元件都不能发挥作用。微 机应用系统的接地方式有浮地、单点接地和多点接地，地线结构有系统地，机壳 地、数字地和模拟地。良好而正确的接地常常可以消除或至少可以降低各种形式 的干扰。 转录器设计中遵循以下接地原则：单点接地；数字地和模拟地分别与电源端 地线相连；数字地和模拟地用磁珠隔离；地线应尽量加粗。 “单地原则”是指如 果一个控制系统有两点或两点以上的接地， 则由于两点之间的地电位差会引起干 扰，故此，无论单级电路还是多级电路或系统，均采用“一点接地” 。 39 3.7 硬件调试遇到的问题及解决硬件调试遇到的问题及解决硬件调试遇到的问题及解决硬件调试遇到的问题及解决 硬件调试是整个系统调试的基础， 这个阶段的主要任务首先是查看裸板有无 物理连接错误，然后就是从电源开始逐个模块的测试，测试的主要目的是检验设 计时是否有原理性错误。在整个电路板的调试过程中，本设计主要碰到的问题有 两个，下面是对这两个问题及解决过程的介绍。 当印制电路板取回来后，首先用万用表的通断档对照着pcb图检查是