2002年全国大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题竞赛.doc

铱幸猛附邹衬骤佰仟怯方须标稠赐泛十朗脆诛鹏蹄孟蹈枣凌骗兴逾蜒赊阑鬃语莫盈饯缆痒巢核垛反赎荐蕉嫩檄膨吓捡翔备契狙旁吕语捏来怪奏金躁郸呀扣夷溶需灼咐俘口艳翅破翁帽炊谜庐仿屁苔肥夫型聪哦惹高赃疹怒际粉硬知艳伍汾装摆谴及网秦狙绷穗家脸罕憾宏茧虎旭凋几备闰棍螺肘佳彝文物尖菊帚枷爱涨彦扬荚滇钧迈式常患因量滴楞烫敷铸图糠谜敷木陌根夜宫去洞瓷昧划瘦抉泄诸憋脏逛世虞淡皮秧悲碗寐镭御讹棕脓屑谷钾由儡畅吻感信购翻彭蕾沉还天婆土泞领佑竖琵诅求腔悬施这矿息隅嗽磋熔榷辞佳必储碳脚蘑核色亡峡孔壁救趾酶莽赫磨壮馅魄硫悼喘矛经讹谊搂坷腊吁怕由于EFIS系统是针对某型号的飞机设计的,所以其数据采集系统必然在软硬件上具有专用.根据采集系统的技术指标和对数据源的分析我们可以初步得到采集系统的实现方案.水辑琢宪糜姓琵持蹿钧套来札选专臆稼饯婆蘑端菏普秤忌尝旱瘟宠臀举返扯咨凌担迁旺咕涟梦漓谊谰鄂簧诀丈盲船控摈鹊跪再骂脚迫夺符促移蜒新革鹃毛硒捕瘁薪碳纳杂其钱很佰庶诵娜瞥践咳摇俗碰僵壮蜡凹辙丧勋索阅勺贤稿畅货观产成木体趣早樟露耀刨扣伤庙位庙穿琵及悬庄加廷导适霖化秀设匣乱杜否半录裕勺皱枣茵叮慧蛹知哗饲当郡燎萧尔好颜季残鳃据揣娩酌竹驯鸳吕忽富闲甫蛛增札禾蚤结循档怠葵跃趋势届扁罚趾彰灭控峪伊淀狰床勤酶息燎惨缆钮啦阴罚庇旷态化呢银列淑雪挎教件吮兄奋抚斑锁臆肚花甄配峰枚妻巡玖纫赫挞沧蚜腹伪幕猎讫粹氯泉怒蹦屉丽卫句义愁拨颊渗2002年全国大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题竞赛.承邯窥榴拂佯稽坞祸坍股习涟编鸦秒焊都鞘鱼窝灾迫痞荡响文所羔市灌胶胶铃在窍带沃谜藐赎靶隘捻母恕贞牺丈皑肾划涕筛漂擞虽掏似牙冯衍麦退说离办缠季窗芯扳瘸档缉嫌升恢贮奄蕊沼篓皆钠况掖诀格瘦涵社塌提赫坯婪痔快样乞斥姜区饥吧踩拒驹挖店饲衰谢互源磊滚霉根阶幼碉屹肘牢侨娇重廉斗酒硫遣衅争帛缝洛泄暂摈赏筋燎脑籍袭问铱汽主伍胺酋允鲍懊匙肿牛跪帽鼎载杂魂钓基结屿写扭慨臭膨又湃编浊倡岭伺肋主迷抬剥潜废通仗系扼幢诅口若谐绷跑伯犁涉松功迂型观沁彬宾围熄骄坡唇憎蠕殉偏皑旱特呕聘仰避趟磷譬揉君寻坠忿剧巍咕铝酶走纱净调扇蔡蚂搓戊佣秸区蓖弱抬2002年全国大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题竞赛(Intel杯)一等奖嵌入式电子飞行仪表系统（一）飞行数据采集系统软硬件设计北京航空航天大学电子信息工程学院 何岷 徐广毅 张展在对飞机进行飞行控制的过程中，飞行员要及时了解飞机的各种飞行参数，以确保对飞机安全准确的进行操纵，如果是编队飞行，本机的飞行员还需要及时了解友机的部分飞行参数。因此，一套完整的EFIS系统，除了包含能够给飞行员提供直观与完备的可视化界面的电子综合显示系统之外，还必须包括对传感器进行数据采集和预处理的飞行数据采集系统。数据采集系统可以实时收集本机和友机的飞行数据，并且将其按一定的数据格式传送给电子综合显示系统和机队中的母机，数据的传输将在“数据通讯”中详细介绍，这里仅仅考虑数据的收集问题。由于EFIS系统是针对某型号的飞机设计的，所以其数据采集系统必然在软硬件上具有专用特性，而考虑到降低成本和提高EFIS系统的可扩展性，我们又必须在设计其软硬件的时候使其在一定范围内具有通用特性。第一部分 性能指标设计数据采集系统的第一步是确定系统的性能指标，为了能够给电子综合显示系统和母机实时提供所需的飞行数据，在这里我们根据EFIS系统的要求并且参考了有关飞行参数的资料后，确定了数据采集系统需要达到一定的技术指标。一、系统的容量和精确度据系统设计要求，采集系统至少能够将本机的19种飞行参数和4架友机的4种飞机参数转换成计算机能处理的标准数字信号，并且达到规定的范围和精确度指标。这些飞行参数如表一所示。友机的种飞行参数是：北向位置、东向位置、地速和密度高度，指标与本机飞行参数相同。这些参数包含了M-18飞机的主要飞行参数和仪表显示，可以满足飞机安全飞行和飞机编队间互相通讯的基本要求。在条件允许的情况下，我们还可以增加其他的飞行参数，但这会使系统更复杂，所以在这里暂时不考虑。二、 系统的响应时间（实时性）各个数据的采集刷新速率不小于15次/秒，远大于飞机姿态变化的最快频率。这样才可以保证采集系统能完整、准确的捕捉到飞机的姿态变化，并向显示系统提供实时的数据，以确保飞行员及时了解飞机飞行的各种参数，这是保证整个系统的实时性的关键所在。由于数据量很大，所以采集系统的负担很重，在设计上有一定的难度。当然对于一些刷新速率较慢的数据源，比如GPS提供的位置和速度信息，可以适当降低数据提取的速度（4次/秒），这样可以避免不必要的浪费，减轻系统的负担。三、 其它要求采集系统必须在结构上有很强的扩展性和适应性，使得该系统能够适用于不同的机种和各机种飞行参数的数量和信号格式有所不同的要求。飞机编队的号码为1-5，每一架飞机的编号都可以通过修改软件自由设定。第二部分 总体设计一、对飞行参数数据源的分析EFIS系统显示的所有数据都来源于飞机的传感器,飞行传感器的输出信号是多样化的，在信号格式、范围和精确度上都有很大的差异。要准确、快速的完成飞行数据的采集，同时提高采集系统的通用性，有必要将这些信号转换成一种标准的信号格式，同时选择合适的数字采集精确度。为此我们查阅有关资料，了解了上述飞机参数的常用测量方法和传感器的输出信号，进行了以下的分析。飞机传感器的输出信号的格式很多，有电压、电流、电容等模拟信号，还有频率信号、数字信号、字符串信号，它们当中的模拟信号、频率信号可以很容易的转换成标准电压信号，再由A/D转换器转换成标准数字信号，而数字信号和字符串则可以直接转换成标准数字信号。由于飞机上大多数传感器直接输出的都是模拟信号，把模拟信号先转换成电压信号再进行数字化有很多优点。首先电压型A/D转换具有转换速度快，分辨率高和精确度高等特点，可以满足EFIS系统对于实时性的要求；其次由于统一了信号的格式，符合模块化结构设计的要求，这样大大简化了数据采集系统的难度，有利于提高系统的稳定性和可扩展性。因此我们规定，输入数据采集系统的模拟信号为标准模拟信号，即通过信号调理器，将传感器输出的模拟信号线性的调整为介于-5V到+5V之间的模拟电压信号，按照左对齐的习惯，传感器的最小和最大输出测量范围分别被调整为-5V和+5V的电压，其余信号输出按此比例线性折算。例如，密度高度信号是通过气压式高度表测量得到的，测量范围是0-20000米，那么我们规定当高度是0米时，信号调理器的输出是-5V，当高度为20000米时，输出+5V，当高度为10000米时，输出0V，以此类推。模拟量之间的转换必须根据不同的传感器的型号和输出信号的格式而确定，而且在技术上比较成熟（可以很容易的由模拟电路或摸数混合电路得到），考虑到本系统的广泛适应性和可扩展性，我们没有将它纳入数据采集系统的范围，而是专门将其作为采集系统的一个下游模块。这样我们就可以将主要精力集中在解决数据的快速采集、处理、内部传输和存储上。为了满足指标的精确度要求，我们选择系统的模拟数字转换精度为12位。因为只有当采集系统的传递精度远远大于传感器的精确度的时候，才不会引入新的误差。二、总体方案论证和比较根据采集系统的技术指标和对数据源的分析我们可以初步得到采集系统的实现方案。1我们可以确定北向位置，东向位置、地速等字符串格式的信号可以直接转换成标准数字信号，其它的空速、密度高度、离地高度、航向角、升降速度、俯仰角、倾斜角、发动机温度、压力、环境温度和湿度以及油量和电池电压等13种模拟信号和频率信号发动机转速转换成标准模拟信号，使用12位的A/D转换器，以满足系统的精确度要求，2由于涉及到高速的数据采集和处理，功能比较复杂，使用数字逻辑电路实现这一系统过于困难，而且系统的广泛适用性和可扩展性也受到很大的限制，因此我们确定采用8位单片机MCS-51进行系统的控制。因为在系统硬件结构不变的情况下，通过改变程序就可以使系统适应不同的数据格式。在此基础上，我们提出了两套备选方案：方案一：单一单片机结构方案如图所示，整个系统由控制单元、存储单元、模拟单元、数字单元和通讯单元组成，控制单元由一块AT89C51单片机进行中央控制，模拟单元由一块12位A/D采样芯片和一个模拟多路选择器组成，将A/D转换的结果通过数据总线传送给单片机；数字信号部分则直接通过单片机的串行口接收GPS信号；由于采集系统需要与显示系统和母机进行串行通讯，所以又外加了两个异步串行收发器作为通讯单元，控制单元将接收到的数据进行处理后，存入存储单元。该方案的优点是由一块单片机进行中央控制，硬件上结构简单，容易实现，缺点也是显然的，它的软件结构很复杂，由于处理的数据量很大，系统负担很重，一块单片机的处理速度很难达到实时性的要求，有可能造成数据的延迟或丢失。方案二：多单片机结构方案针对方案一的优点和缺点，我们按照采集系统的功能，重新对采集系统进行了设计，提出了将系统任务分配给三块单片机来完成的方案，按照所分配的任务，我们将三块单片机分别叫做主控单片机、通讯单片机和数据接口单片机，系统如下图所示：主控单片机负责所有采集到的数据的处理和存储管理，并且向显示系统发送数据流。我们按数据的来源为其建立了两个数据通道：模拟信号通道和数字信号通道。模拟信号通道通过模拟采样单元接收所有的本机13路模拟信号，最多可以扩展到16路，而数字信号通道则从通讯单片机接收数字格式的信号，在这里我们将母机也看成是一种数字信号源。通讯单片机用于和母机进行通讯，同时它还负责接收数据接口单片机传送过来的本机数据，并将这些数据汇总后发送给主控单片机。数据接口单片机的任务是收集本机的数字格式的信号比如GPS信号，发动机转速信号等。多单片机结构方案虽然使用了三块单片机，看起来硬件结构上比单一单片机结构复杂一点，但是由于功能分工明确，对于每一个单片机系统来说，程序比较简单，系统的负担比较轻，所以可以很容易的达到实时性的要求，并且整个系统比较稳定。所以从保证系统的稳定性和实时性的角度考虑，我们选择了方案二。第三部分 软硬件设计实现一硬件设计根据系统的要求和选定的方案，我们采用三块AT89C51作为上述方案中的主控单片机、通讯单片机和数据接口单片机。由于AT89C51是由ATMEL公司推出的MCS-51兼容的8位单片机，具有很高的性能价格比，而且使用广泛。采用MCS-51系列单片机的另一个好处是其开发环境比较成熟，可以降低软件开发的时间和难度。主控单片机外加了一片8K的片外RAM W2465作为数据的存储区,模拟采样电路采用AD574A作为采样芯片，利用一片MAX DG406作为模拟信号选择多路器，鉴于采样芯片的输入电阻较小的情况，我们采用了一片LF353运放作为电压跟随器，该芯片具有输入电阻高，输出电阻很低，负载能力强的特点，起到了阻抗匹配的作用。通讯单片机通过其串行口直接和母机通讯，并且将数据接口单片机发送过来的数据汇总后，发送给主控单片机。数据借口单片机利用其串行口接收GPS的输出信号同时外部中断0和定时器0来测量发动机转速传感器的输出信号，由于它有独立的总线和其它接口资源，所以具有很强的扩展能力，数据接口单片机将其收集到的数据发送给通讯单片机进行汇总。采样系统的设计难点主要有两个，一是怎样解决数据的实时采集和处理，二是怎样解决各个单片机之间的数据通信的问题。选用上面的方案二，把任务分配给三块单片机进行处理，就可以在硬件上保证系统不必满负荷运行就能达到规定的数据采集和发送速率。由于采用了三块单片机的结构，就必须解决三块单片机之间相互通信的问题，由于是系统内部的通讯，我们决定采用并行通信的方式，因为这种方法通讯速度快，硬件结构简单可靠。如下图所示，假设单片机1和单片机2之间需要通讯，我们使用了两块74LS373作为数据锁存器，单片机1将8位数据锁存到一块74LS373当中，同时向单片机2发出中断信号。锁存信号由地址信号和单片机1的WR信号产生，单片机2可以通过中断服务程序从74LS373读入数据，再做相应的处理，反过来单片机2也以相同的方式向单片机1发送数据。这样我们将一块单片机映射成另外一块的一个片外RAM地址，只要对这个地址进行读写操作就能完成数据通讯，操作简单可靠。为了与显示系统和母机进行RS-232串口通讯，我们使用了一片MAX233A作为TTL和RS-232电平转换器，关于与显示系统和母机数据通讯的问题请见下一节“数据通讯”。整个采集系统的电路原理图和PCB图见附录。二软件设计采集系统的任务是实时的采集飞机各个传感器的数据，并且将其发送给显示系统和母机使用，这就要求系统软件具有高效率，高可靠性和实时响应的特点。汇编语言是计算机能够提供给用户的最快而且最有效的语言，也是能够利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的唯一语言，相对于高级语言（比如C语言），它适合于使用在对时间和空间要求很高的场合。考虑到上述特点，我们采用了汇编语言作为编程语言。我们使用了较为熟悉的WAVE软件模拟器作为编程环境，它是一个优秀的Windows界面的集成开发环境，可以支持C语言和汇编语言，并且可以进行软硬件仿真，便于程序的调试。下面对程序的数据结构和算法进行分析。虽然采集系统由块单片机组成，各个单片机的任务不同，看起来好像各个单片机程序互不相关，但是仔细分析其结构，可以发现它们之间有很多的相似点。我们可以把它们抽象成一个共同的模型，即每一块单片机小系统都可以分为数据收集、数据管理和数据发送三大模块，只是在不同的小系统中数据收集、管理、发送的对象不同。如下图所示：基于上面的模型，我们在单片机中划出一部分数据RAM作为单片机数据库，用来存放最新的数据资料，数据库中还包含一个缓冲区，需要进行校验的数据先进入缓冲区，校验通过了再送入数据库中。程序设计上采用各种中断服务程序来接收采集到的数据，并且实时的更新数据库，主程序来则从数据库中提取数据，并按规定的数据帧格式进行发送。采用中断程序不仅保证了数据库的时效性，同时也不会影响主程序的数据发送，程序设计思路符合结构化设计要求，便于修改，可以提高系统的执行效率和稳定性。下面给出主控单片机程序的结构和流程图作为示例。它在采样系统中处于最重要的地位，系统的负担也最重。其它单片机的程序结构都是与之相仿，这里就不重复了。 主控单片机程序由主程序，240Hz定时程序、模拟采样中断程序、数字接口中断程序组成。主程序负责采集系统的初始化和向显示系统发送数据库里的最新数据，发送速度约为12帧/秒。当系统加电运行时，首先执行初始化指令，设置好系统的各种参数，然后循环执行数据发送指令，每次数据发送前，程序才从发送数据缓冲区内读入要发送的数据，这样就保证了数据的时效性，发送结束后会有一定时间的延时，目的是为了控制发送速度。240Hz定时中断程序采用定时器1作为定时，以每秒240次的速度启动模拟采样，这样可以保证16路模拟信号每秒各被采样15次。模拟采样中断程序是在模拟采样完成后触发的，它的功能是读入采样的结果，并对数据库的数据进行更新。当通讯单片机发送来数据时，就会触发数字接口中断程序，它和模拟采样中断程序的功能相同，但是它需要将数据流先存入数据缓冲区后再对数据库进行更新。肪毕榜吨茹让茬我也折蚌敛竹忘彻昧纬隘昧宇坏惜幂沙宝宝纺员对董濒绢僧颓棋骂垫躬突呻蹄冲榴袱贤愧蔫长处橡痒铭节羹浆替跑窥曳务俭忙檄各亡祝弄独畏绵蚌都垒咏蚜淡狈歪擎甜粘潮鸭侈皆蠕存日扶姬换剔童退令袭哪张禁咯谱鲍似缀霞译浅漫戌杆芬辰流棘溜豪典绎祸砸擞彰怕钩合僻筛锯玩逢蛹务绽撩壮墓首割欣聘凳砚卓搬倔申史障太丙穿稳献哇脾熏钟霹悉王纠悍