CN114564428B - 机载电子设备i/o端口扩展系统 - Google Patents

机载电子设备i/o端口扩展系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，旨在给出一种能够最大化利用处理器外部接口资源，在不使用可编程逻辑器件前提下，保证系统具备IO扩展功能的方案。本发明通过下述技术方案予以实现：处理器通过集成电路总线IIC连接IO扩展器。将系统需要扩展的IO接口连接至IO扩展器的端口端，向IO扩展器发送读写控制命令，实现对多路IO扩展器端口的输出和读取，确定总线收发器两端对应端口的数据传输方向，使IO扩展器与总线收发器中的信号数据流向相匹配，通过总线收发器与外部机载电子设备进行交互，从而实现内部离散量信号输出和外部离散量信号的采集，从而完成系统的离散量采集、离散信号输出等功能，实现系统IO扩展功能。

Description

机载电子设备I/O端口扩展系统
技术领域
本发明涉及一种适用于机载领域的基于处理器的输入输出(IO)端口扩展技术。
背景技术
随着用户对机载平台电子系统或电子整机的高度综合化要求不断提升，航空电子系统体系结构的发展经历了分立式体系、联合式体系、综合模块化(IMA)航空电子体系等阶段，机载航电系统正朝小型化、轻型化、低功耗、高可靠性、高安全性方向发展。系统的功能也日趋复杂，系统中设备间的离散量通信也向着复杂化的方向发展。设备中处理器有限的接口资源已难以满足复杂系统设备间离散量管理、交互的需求。比如关于用来扩展单片机IO口的移位寄存器，但是移位寄存器扩展出来的单片机IO口只能用作一些低速设备的驱动扩展，如按键，LED等，无法去驱动一些高速的设备，因为串行数据转并行数据都是通过循环一位一位地移出来的，因此速度都是有限的。航电系统中，离散量信号是电子设备之间常用的传输信号。主控设备通过对离散信号的采集，实现状态获取，并通过离散量输出，完成对其他电子设备的控制。控制应用中的复杂接口速度差异大、设备种类繁多、IO口数量固定，数据信号形式多种，单片机本身接口功能有限。每个连接到I/O总线上的设备都有自己的I/O地址集，即所谓的I/O端口，大多数应用中是不够的，此外，系统可能由于存在各种干扰及不稳定因素而出现故障，因此，应用系统设计都不可避免的需要对输入输出(I/O)口进行扩展。在实际的应用系统中，可能需要同时扩展多个I/O口，以满足应用系统的需要。扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口(寄存器)的编址和选址问题。每个通用接口部件都包含一组寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。扩展I/O接口电路的功能例如速度协调、输出数据锁存、输入数据三态缓冲、数据转换。数据总线连接着多个数据输入设备和多个数据输出。但是在任一时刻，只能进行一个源和负载的数据传送，其它不参与的设备在电性能上必须同数据总线隔开，这就需要解决数据总线的隔离问题。对于输出设备的接口电路要提供锁存器，当允许接收输出数据时闩锁打开，当不允许接收输出数据时闩锁关闭。除了CPU、存储器外，还必须有外部输入输出设备，计算机通过输入输出设备和外界进行通信，计算机所用的数据以及现场采集的各种信息都要通过输入设备送到计算机；而计算结果和计算机产生的各种控制信号又需通过输出设备输出到外部设备。当CPU和外设之间没有控制联络，虽然传送比较简单，但可靠性差。而专用的IO扩展芯片，其大致功能和移位寄存器相似，但是细节上还是存在很多不同，例如PCF8574的IO口能同时支持输入输出功能，这些细致的功能用起来更加顺手，方便，但是跟其昂贵的售价比起来，这些功能显然性价比太低。在做单片机选型的时候，往往会发现这样一个规律，同一个core的单片机选型时，单片机的引脚越多，其单价就越贵。IO口不够用的情况经常出现，除了选用引脚更多的芯片之外，通常是是考虑使用芯片来扩展。虽然处理器有多个GPI0，在满足最小系统和主功能的情况下，处理器剩下的GPIO并不多，再去除用于中断信号的GPI0，留给其他外围接口电路的GPIO数量非常少，满足不了外围接口电路的需求。
发明内容
本发明的目的是针对目前处理器存在的IO端口短缺情况，提供一种电路结构和逻辑简单，成本低，可实施的IO端口扩展系统方案。基于处理器的IO扩展技术，在电路中不增加其他高性能复杂器件的前提下，实现IO端口资源扩展，解决处理器对外交互时IO端口资源不够的问题，并保持航电系统原本的高集成度及低功耗的特性。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种机载电子设备I/O端口扩展系统，包含处理器及IO扩展器的硬件平台及其运行在处理器操作系统及IO扩展器驱动程序软件，其特征在于：处理器基于自身的I2C通讯接口，通过数据线SDL和时钟线SCL·并行连接N个IO扩展器的I2C接口，N个并行IO扩展器P端的IO端口连接至总线收发器输入端，总线收发器的输出端连接对外连接器；处理器通过IIC接口，根据传输协议发送指令，将IO扩展器的IO端口配置成用户需要的输入或者输出端，当处理器需要访问某个IO扩展器输入端口状态时，通过对应地址片选的IO扩展器发送读指令，对离散输入端口进行轮询，获取该离散输入端口的外部离散量输入状态；当需要通过IO扩展系统输出离散信号量时,可以向IO扩展器发送写数据指令，对不同地址片选的I/O扩展器的控制寄存器进行读写操作，实现在IO扩展器P端IO端口输出离散信号量；与IO扩展器P端IO端口连接的总线收发器可以片选对应的使能和方向管脚，确定总线收发器两端对应端口的数据传输方向，使IO扩展器与总线收发器中的信号数据流向相匹配，因此IO扩展器P端IO端口的离散量信号可以通过总线收发器与外部机载电子设备进行交互，从而实现内部离散量信号输出和外部离散量信号的采集，完成IO端口扩展功能。
本发明具有如下有益效果：
增强航电系统集成度。本发明采用包含处理器及IO扩展器的硬件平台、运行在处理器的操作系统及IO扩展器驱动程序软件，处理器将串行总线I2C接口作为通讯端口，通过数据线SDL和时钟线SCL并行连接N个IO扩展器的I2C接口，N个并行IO扩展器通过自身P端的IO端口连接至总线收发器一端，总线收发器的另一端连接至对外连接器，IO扩展电路采用总线收发器与外部连接器相连，总线收发芯片起到总线保持、缓冲和隔离的功能，可实现32位双向数据的传输。所有控制程序均运行于处理器中，不增加额外的处理器芯片或者可编程逻辑器件，增强了航电系统的集成度，降低了元器件成本。
提高了系统的鲁棒性及安全性。本发明采用处理器通过IIC端口，根据传输协议发送配置命令，将IO扩展器的IO端口配置成用户需要的输入或者输出端，在响应外设设备电平变化的同时，为防止己方芯片不被外设设备输入的过高电压电平信号损坏，可适配不同电子设备不同电平的离散信号，在提高驱动能力的同时，大大提高了系统的鲁棒性及安全性，整个IO扩展电路支持扩展128个IO端口，极大满足了系统对于离散量接口的需求。
具备可扩展性及广泛适用性。本发明中处理器基于IIC传输协议发送对应指令配置对应IO扩展器控制寄存器，同时配置总线收发器对应的使能何方向端口。处理器通过发送读写指令，可以在IO扩展器和总线收发器组成的IO扩展系统中完成内部离散量信号输出和外部离散量信号的采集，实现IO端口扩展功能。实验结果证明：扩展的I/O端口方便实用、成本低、可以达到设计目标，实际测试运行表明，采用该方法扩展的IO端口系统能够可靠，稳定的运行。
本发明可广泛应用于机载系统中需要实现多离散量采集的应用场景，如各座舱温度、湿度、气压等信息采集，驾驶舱内导光面板按键采集等。附图说明
图1是本发明机载电子设备I/O端口扩展系统IO扩展系统架构示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的示意性优选实施例中，一种机载电子设备I/O端口扩展系统，包含处理器及IO扩展器的硬件平台及其运行在处理器操作系统及IO扩展器驱动程序软件。处理器基于自身的I2C通讯接口，通过数据线SDL和时钟线SCL·并行连接N个IO扩展器的I2C接口，N个并行IO扩展器P端的IO端口连接至总线收发器输入端，总线收发器的输出端连接对外连接器；处理器通过IIC接口，根据传输协议发送指令，将IO扩展器的IO端口配置成用户需要的输入或者输出端，当处理器需要访问某个IO扩展器输入端口状态时，可以对通过对应地址片选的IO扩展器发送读指令，对离散输入端口进行轮询，获取该离散输入端口的外部离散量输入状态；当需要通过IO扩展系统输出离散信号量时,可以向IO扩展器发送写数据指令，对不同地址片选的I/O扩展器的控制寄存器进行读写操作，实现在IO扩展器P端IO端口输出离散信号量；与IO扩展器P端IO端口连接的总线收发器可以片选对应的使能和方向管脚，确定总线收发器两端对应端口的数据传输方向，使IO扩展器与总线收发器中的信号数据流向相匹配，IO扩展器P端IO端口的离散量信号通过总线收发器与外部机载电子设备进行交互，从而实现内部离散量信号输出和外部离散量信号的采集，完成IO端口扩展功能。
IO扩展系统，具备IIC接口的处理器的最小系统，并行IO扩展器包括：IO芯片N1、N2……Nn，总线收发器包括对应IO芯片N1、N2……Nn并行串联的总线收发芯片M1、M2……Mm，总线收发芯片M1、M2……Mm连接对外连接器。
处理器的串行总线I2C接口作为通讯端口，具备数据线SDL和时钟线SCL，两条总线连接至N＜8片IO扩展芯片TCA9555的I2C接口；两片IO扩展芯片的输入输出(I/O)端口全部连接到M≤4片32位总线收发芯片SM32245，总线收发芯片的对外端连接输入输出连接器。运行在处理器的操作系统及IIC驱动程序。处理器内部丰富的运算资源和外部相连的存储资源器件和接口资源器件，这些硬件资源构成一个典型的嵌入式系统。
IIC接口包括一根数据线SDA和一根时钟信号线SCL。处理器通过一路IIC接口，分别连接至IO芯片N1、N2……Nn的IIC端口。
每个IO芯片N具备两组输入输出端口，每组8个端口，分别为P00、P01、……P07和P11、P12、……P17，共16个IO port，其中，每组端口的输入输出特性单独配置，同组端口的IO属性相同。
处理器根据系统的外部离散接口的输入/输出特性，为每个外部接口分配对应的IO芯片的端口Pxy，其中x＝0,1；y＝0……7。
每个总线收发器M为32位输入输出总线收发器，分为4个独立的Bank，每个Bank八组输入输出管脚，可通过配置每个Bank的使能端引脚(OE)和方向控制引脚(DIR)，单独使能各个Bank，并控制其的数据流向A->B或者B->A。因此每个Bank连接的IO芯片的Port属性相同，使用到的Bank需要将其使能端引脚OE管脚使能，并根据端口的IO属性，配置其DIR管脚，对应端口信号流向与IO属性相匹配。
每个总线收发器根据对外连接器管脚定义和输入输出属性，将连接器每个IO管脚连接到每个Bank的IO属性相同的总线收发器的A端，然后将总线收发器的B端连接至IO芯片的P端接口端。
处理器对IO芯片TCA9555的端口输入输出模式进行配置，使每组P端端口的输入输出属性与外接的总线收发器对应Bank的管脚数据流向相匹配，从而保证信号流向的一致性。
处理器上电后，对具有中断输出和配置寄存器的远程16位I2C和SMBus I/O扩展器TCA9555分别配置输入输出属性，通过IIC接口驱动，访问每个TCA9555的寄存器Register 6和Register 7进行读写实现IO芯片对应端口的输入输出属性配置操作，其中各Register为8bit寄存器，Register 6的Bit7～Bit0分别代表Port P07～P00的输入输出状态，Register7的Bit7～Bit0分别代表Port P17～P10的输入输出状态，Bit值为1代表输入，Bit值为0代表输出，1≤n≤8。
处理器通过IIC接口驱动，访问输入寄存器Register 0和Register 1，其中Register 0的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P07～P00端口配置为输入端口状态下，采集到的离散量状态，Register 1的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P17～P10端口作为输入状态下，采集到的离散量状态，Bit值读到为1代表对应输入端口高电平，值为0代表低电平，用户查询相应位的值可得到对应离散量的采集值。
处理器通过IIC接口驱动，访问输出寄存器Register 2和Register 3，其中，Register 2的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P07～P00端口配置为输出端口状态下，用户输出的离散量值，Register 3的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P17～P10端口配置为输出端口状态下，用户输出的离散量值，向输出寄存器的某一bit写入1，代表该bit对应的输出端口输出高电平，写入0，代表该bit对应的输出端口输出低电平。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，由于上文提到模块装配的先后顺序可以随意变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。另外，本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种机载电子设备I/O端口扩展系统，包含处理器及IO扩展器的硬件平台及其运行在处理器操作系统及IO扩展器驱动程序软件，其特征在于：处理器基于自身的I2C通讯接口，通过数据线SDL和时钟线SCL并行连接N个IO扩展器的I2C接口，N个并行IO扩展器P端的IO端口连接至总线收发器输入端，总线收发器的输出端连接对外连接器；处理器通过IIC接口，根据传输协议发送指令，将IO扩展器的IO端口配置成用户需要的输入或者输出端，当处理器需要访问某个IO扩展器输入端口状态时，通过对应地址片选的IO扩展器发送读指令，对离散输入端口进行轮询，获取该离散输入端口的外部离散量输入状态；当需要通过IO扩展系统输出离散信号量时,向IO扩展器发送写数据指令，对不同地址片选的I/O扩展器的控制寄存器进行读写操作，实现在IO扩展器P端IO端口输出离散信号量；与IO扩展器P端IO端口连接的总线收发器可以片选对应的使能和方向管脚，确定总线收发器两端对应端口的数据传输方向，使IO扩展器与总线收发器中的信号数据流向相匹配，IO扩展器P端IO端口的离散量信号通过总线收发器与外部机载电子设备进行交互，从而实现内部离散量信号输出和外部离散量信号的采集，完成IO端口扩展功能；处理器通过IIC接口驱动，访问输入寄存器Register 0和Register 1，其中Register 0的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P07～P00端口配置为输入端口状态下，采集到的离散量状态，Register 1的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P17～P10端口作为输入状态下，采集到的离散量状态，Bit值读到为1代表对应输入端口高电平，值为0代表低电平，用户查询相应位的值可得到对应离散量的采集值；处理器通过IIC接口驱动，访问输出寄存器Register 2和Register 3，其中，Register2的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P07～P00端口配置为输出端口状态下，用户输出的离散量值，Register 3的Bit7～Bit0分别代表TCA9555的Port P17～P10端口配置为输出端口状态下，用户输出的离散量值，向输出寄存器的某一bit写入1，代表该bit对应的输出端口输出高电平，写入0，代表该bit对应的输出端口输出低电平。
2.如权利要求1所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：处理器的串行总线I2C接口作为通讯端口，具备数据线SDL和时钟线SCL，两条总线连接至N＜8片IO扩展芯片TCA9555的I2C接口，两片IO扩展芯片的输入输出I/O端口全部连接到M≤4片32位总线收发芯片SM32245，总线收发芯片的对外端连接输入输出连接器。
3.如权利要求1所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：IO扩展系统是具备IIC接口的处理器的最小系统，所述处理器内部丰富的运算资源和外部相连的存储资源器件和接口资源器件，这些硬件资源构成一个典型的嵌入式系统。
4.如权利要求3所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：IIC接口包括一根数据线SDA和一根时钟信号线SCL，处理器通过一路IIC接口，分别连接至IO芯片N1、N2……Nn的IIC端口。
5.如权利要求4所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：每个IO芯片N具备两组输入输出端口，每组8个端口，分别为P00、P01、……P07和P11、P12、……P17，共16个IO port，其中，每组端口的输入输出特性单独配置，同组端口的IO属性相同。
6.如权利要求1所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：并行IO扩展器包括：IO芯片N1、N2……Nn，总线收发器包括对应IO芯片N1、N2……Nn并行串联的总线收发芯片M1、M2……Mm，总线收发芯片M1、M2……Mm连接对外连接器，运行在处理器的操作系统及IIC驱动程序，根据系统的外部离散接口的输入/输出特性，为每个外部接口分配对应的IO芯片的端口Pxy，其中x＝0,1；y＝0……7。
7.如权利要求1所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：每个总线收发器M为32位输入输出总线收发器，分为4个独立的Bank，每个Bank八组输入输出管脚，可通过配置每个Bank的使能端引脚OE和方向控制引脚DIR，单独使能各个Bank，并控制其数据流向A->B或者B->A。
8.如权利要求1所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：每个总线收发器根据对外连接器管脚定义和输入输出属性，将连接器每个IO管脚连接到每个Bank的IO属性相同的总线收发器的A端，然后将总线收发器的B端连接至IO芯片的P端接口端。
9.如权利要求1所述的一种机载电子设备I/O端口扩展系统，其特征在于：处理器上电后，对具有中断输出和配置寄存器的远程16位I2C和SMBus I/O扩展器TCA9555分别配置输入输出属性，通过IIC接口驱动，访问每个TCA9555的寄存器Register 6和Register 7进行读写，实现IO芯片对应端口的输入输出属性配置操作，其中各Register为8bit寄存器，Register 6的Bit7～Bit0分别代表Port P07～P00的输入输出状态，Register 7的Bit7～Bit0分别代表Port P17～P10的输入输出状态，Bit值为1代表输入，Bit值为0代表输出，1≤n≤8。
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