雷宇宏 李鍵 劉軍偉

摘要：隨著機(jī)載網(wǎng)絡(luò)性能的不斷提高、處理數(shù)據(jù)量的不斷加大，如何有效地提高機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的安全性，保障機(jī)載網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過程中可以“健康”有效的運(yùn)行變得尤為重要。本文在分析健康管理（PHM）理念的基礎(chǔ)上，對(duì)特定小系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境下基于SPI接口實(shí)現(xiàn)健康管理功能進(jìn)行了研究，并給出了解決辦法。

關(guān)鍵詞： SPI串行通信接口；PHM健康管理

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）07-0216-02

預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)是一項(xiàng)根據(jù)系統(tǒng)歷史狀態(tài)和環(huán)境因素，評(píng)估當(dāng)前健康狀態(tài)、確定未來(lái)故障發(fā)生時(shí)間、計(jì)算有效壽命，以降低系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)、保證可靠性的通用技術(shù)[1]。PHM系統(tǒng)一般需要完成故障檢測(cè)、故障鑒定與隔離、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估和決策建議等功能[2]。

本文論述的健康管理信息主要是模塊主要器件的溫度、電壓以及當(dāng)前工作狀態(tài)等信息，利用SPI接口將這些信息上報(bào)給主機(jī)，為系統(tǒng)評(píng)估當(dāng)前健康狀態(tài)，并對(duì)故障的檢測(cè)、鑒定與隔離提供一定的信息支撐。SPI接口是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，它采用一個(gè)串行、同步、全雙工的通信方式來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，SPI接口具有傳輸效率較高、配置靈活、協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

考慮到機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量的不斷增大，一些機(jī)載系統(tǒng)中采取將通信信息與管理信息分開進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ǎ瑘D1為某系統(tǒng)總線框圖，該系統(tǒng)中的通信信息通過光纖進(jìn)行傳輸，管理信息通過CAN總線進(jìn)行傳輸。通信信息與管理信息分開傳輸，一方面保證了通信信息的傳輸及處理效率，另一方面保證了管理信息傳輸?shù)莫?dú)立性、可靠性。

為了保證電路的統(tǒng)一性，該系統(tǒng)通過統(tǒng)一的單片機(jī)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線接口?；谝陨媳尘埃韵聫腟PI串行通信接口出發(fā)，闡述如何使用模塊自帶的內(nèi)置ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度及電壓等部分健康管理信息通過SPI接口上報(bào)至單片機(jī)，最終通過CAN主干網(wǎng)上報(bào)至主機(jī)，具體硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)框圖詳見圖2。

主要的功能架構(gòu)包括以下幾個(gè)方面：ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源；ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器；ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的寄存器；SPI接口控制邏輯；單片機(jī)功能電路。

主要工作流程如下：

信息傳輸時(shí)FPGA作為從設(shè)備，單片機(jī)作為主設(shè)備，通過MAX6043電源芯片提供從設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源，從設(shè)備將溫度及電壓等信息存入內(nèi)部對(duì)應(yīng)的寄存器當(dāng)中，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)接收請(qǐng)求IRQ信號(hào)，主設(shè)備接收到從設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)接收請(qǐng)求IRQ信號(hào)后通過SPI接口從FPGA對(duì)應(yīng)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器當(dāng)中將溫度及電壓等健康信息讀出，并通過CAN總線將信息傳送給外圍主機(jī)設(shè)備，外圍主機(jī)設(shè)備通過編碼及終端解碼方式信息進(jìn)行監(jiān)控，從而為系統(tǒng)的故障診斷和健康監(jiān)控提供一定的信息支撐。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本硬件配置

2.1 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種通過一定的電路把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路，目前使用的FPGA內(nèi)部基本都集成了ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。外圍主設(shè)備訪問ADC對(duì)應(yīng)寄存器一般可以采用以下兩種方式：

? 邏輯讀取ADC狀態(tài)寄存器，通過串行通信接口上報(bào)；

? 軟件讀取ADC狀態(tài)寄存器，通過PCIe、RapidIO等主機(jī)接口上報(bào)。

通過邏輯讀取ADC狀態(tài)寄存器上報(bào)信息相比較通過軟件讀取ADC狀態(tài)寄存器上報(bào)信息從實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)要復(fù)雜些，但軟件讀取時(shí)會(huì)占用主機(jī)的資源開銷，尤其在有告警機(jī)制要求的應(yīng)用下顯得尤為突出，軟件需要不停的通過中斷讀取寄存器信息，同時(shí)還要不停地把寄存器讀取的信息與告警極限值進(jìn)行對(duì)比，整個(gè)重復(fù)過程會(huì)占用較大的主機(jī)開銷。加之實(shí)際應(yīng)用時(shí)要求利用單片機(jī)通過CAN總線將信息傳送給外圍主機(jī)設(shè)備，故設(shè)計(jì)時(shí)選用邏輯讀取ADC狀態(tài)寄存器，再通過串行通信接口上報(bào)。

2.2 串行通信接口選用

選用的FREECALE單片機(jī)同時(shí)支持I2C總線接口及SPI總線接口，通過比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)選用了SPI總線接口作為單片機(jī)與FPGA間的串行通信接口。

2.2.1 SPI接口基本概述

SPI是由Motorola公司開發(fā)的用來(lái)在微控制器和芯片之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的一種低成本易使用的串行接口，與標(biāo)準(zhǔn)的串行接口不同，SPI接口是一個(gè)同步協(xié)議的全雙工接口，具有傳輸效率較高、配置靈活、協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其構(gòu)成包括一個(gè)主控設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從屬設(shè)備。

SPI接口在協(xié)議軟件的控制下，只需4條信號(hào)線就可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。這4條信號(hào)線分別是：

? MISO（Master In-Slave Out）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。

? MOSI（Master Out-Slave In）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。

? SCLK：串行移位時(shí)鐘，由主設(shè)備產(chǎn)生。

? SS/CSB：從設(shè)備使能（片選信號(hào)），由主設(shè)備控制。

其基本工作時(shí)序?yàn)椋寒?dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，SPI主從設(shè)備在每個(gè)SCLK的時(shí)鐘邊沿通過MOSI或MISO端口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。SPI總線在與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，可根據(jù)外圍設(shè)備的要求，配置時(shí)鐘SCK極性和相位，從而產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)格式。當(dāng)時(shí)鐘相位cpha=0時(shí)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的前沿被采樣，串行數(shù)據(jù)的移位操作由時(shí)鐘的前沿（第一個(gè)跳變沿）觸發(fā)；當(dāng)時(shí)鐘相位cpha=1時(shí)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的后沿（第二個(gè)跳變沿）被采樣，串行數(shù)據(jù)的移位操作由時(shí)鐘的后沿觸發(fā)。當(dāng)時(shí)鐘的極性cpol=0時(shí)，時(shí)鐘在空閑狀態(tài)下為低電平，當(dāng)時(shí)鐘的極性cpol=1時(shí)，時(shí)鐘在空閑狀態(tài)下為高電平。根據(jù)時(shí)鐘極性cpol和時(shí)鐘相位cpha的不同選擇可知SPI總線有如圖3所示的四種不同的工作方式：SPI0，此時(shí)cpol=0，cpha=0，即時(shí)鐘復(fù)位為低電平，在時(shí)鐘的第一個(gè)邊沿開始采樣數(shù)據(jù)；SPI1，此時(shí)cpol=0，cpha=1，即時(shí)鐘復(fù)位為低電平，在時(shí)鐘的第二個(gè)邊沿開始采樣數(shù)據(jù)；SPI2，此時(shí)cpol=1，cpha=0，即時(shí)鐘復(fù)位為高電平，在時(shí)鐘的第一個(gè)邊沿開始采樣數(shù)據(jù)；SPI3，此時(shí)cpol=1，cpha=1，即時(shí)鐘復(fù)位為高電平，在時(shí)鐘的第二個(gè)邊沿開始采樣數(shù)據(jù)。

工作中，SPI主設(shè)備是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骺胤?，?shù)據(jù)使用SCLK信號(hào)在主、從設(shè)備間以全雙工方式傳輸。圖4給出了典型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的SPI接口連接方式。主設(shè)備和從設(shè)備都有一個(gè)串行移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主設(shè)備產(chǎn)生的從設(shè)備使能信號(hào)和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前低位在后，在SCLK的下降沿?cái)?shù)據(jù)改變，同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器當(dāng)中，具體如圖5所示。

3 實(shí)現(xiàn)方式

設(shè)計(jì)時(shí)采用SPI2的工作方式，具體的通信時(shí)序如圖6所示：

本地通信時(shí)，單片機(jī)與FPGA之間應(yīng)遵循以下通信協(xié)議：

? 單片機(jī)配置為SPI主設(shè)備，F(xiàn)PGA配置為SPI從設(shè)備，SCLK空閑時(shí)為高電平；

? SPI從設(shè)備向SPI主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，SPI從設(shè)備應(yīng)先向SPI主設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)（IRQ中斷信號(hào)），用于觸發(fā)SPI主設(shè)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收；

? 啟動(dòng)SPI控制邏輯，SPI主設(shè)備輸出SCLK時(shí)鐘至SPI從設(shè)備，SPI主設(shè)備在下降沿開始采樣，SPI從設(shè)備先將發(fā)送的數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)儲(chǔ)存至移位寄存器當(dāng)中，接下來(lái)SPI從設(shè)備再將移位寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送至SPI主設(shè)備的移位寄存器當(dāng)中，并搬至SPI主設(shè)備輸入緩沖器中，具體如圖7所示。

? SPI主設(shè)備通過CAN總線對(duì)讀取到的信息進(jìn)行上報(bào)。

在將健康信息上報(bào)時(shí)，通過特定的數(shù)據(jù)報(bào)文格式進(jìn)行通信，報(bào)文格式定義參見表1。如表所示，傳輸信息的含義如電壓、溫度等寫在報(bào)文編碼字段中，而具體的數(shù)據(jù)通過進(jìn)制轉(zhuǎn)換寫在載荷數(shù)據(jù)中傳輸。

該技術(shù)已經(jīng)在某通信模塊上實(shí)現(xiàn)，通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)后，由主機(jī)調(diào)用并顯示出的結(jié)果如下圖所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品對(duì)溫度、電壓等健康狀態(tài)信息的需求，本文提出了一種基于SPI接口實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)主要器件的溫度以及電壓等信息的健康管理電路的設(shè)計(jì)方法，為機(jī)載產(chǎn)品的健康監(jiān)控提供了一定的信息支撐。實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，并已在多種模塊設(shè)計(jì)中進(jìn)行了推廣，其在滿足用戶基本需求的同時(shí)也能夠進(jìn)一步提高機(jī)載產(chǎn)品健康狀態(tài)監(jiān)控能力，提高機(jī)載產(chǎn)品在使用中的安全性，具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。以上設(shè)計(jì)是基于自帶ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)健康管理電路的設(shè)計(jì)方法，有其實(shí)際使用價(jià)值的同時(shí)也具有一定的局限性，如何在未集成ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路中搭建ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將作為以后的研究點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Malin J T， Oliver P J.Making technology ready：Integrated systems heath management[R].Washington D.C.：NASA，2007