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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文32 入接口 与光

2020-02-29 11:09
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  哈尔滨工业大学工程硕士学位论文32 入接口 与光纤收发器相连 电信号转换接入MOST网络。GainVddGndData inData outGndVddStatus1R2RTXGAINTXRXINIC光纤收发器3 OS81050网络端口电路光纤收发器的Gain脚是用来调节输出光信号功率的 其中电阻1

  哈尔滨工业大学工程硕士学位论文32 入接口 与光纤收发器相连 电信号转换接入MOST网络。GainVddGndData inData outGndVddStatus1R2RTXGAINTXRXINIC光纤收发器3 OS81050网络端口电路光纤收发器的Gain脚是用来调节输出光信号功率的 其中电阻1R和2R都是27KΩ 当TXGAIN输出高电平时 1R和2R两电阻并联 光信号输出功率正常 当TXGAIN输出低电平时 1R和2R两电阻一端断开 光信号输出功率减弱3dB。光纤收发器的Status脚用来指示接收光信号的状态 Status为高电平时 表示无光信号被锁住 当Status为低电平时 表示有光信号被锁住 发光二级管被点亮。 流端口电路连接本文的音频节点电路中 流数据不需要经外部控制器再传到OS81050 而是经过OS81050的流端口直接在OS81050和音频输入 输出电路之间传送 具体电路详见4 音频输入输出模块 音频输入 输出模块负责音频信号转换。模拟的音频信号无法直接传输到MOST网络 需要转换成数字信号 从MOST网络传来的数字音频信号需要转换成模拟信号才能播放。本电路分别选择CS53L21和MAX9850作为音频信号的解码和编码芯片。 CS53L21是一款24位 频率可达96KHz 高度集成的低功耗立体声A D音频解码芯片。它可以在4KHz与96KHz频率之间任意调整 正常工作时功耗只有8 72mW。CS53L21支持I2C总线dB哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 33 动态调节范围 独立的左 右声道控制和数字音量调节等特性 使CS53L21成为优秀的音频解码芯片。 MAX9850是一款32位 采样频率8KHz到48KHz的高性能立体声D A音频编码芯片。它内置了耳机放大器 使电路尺寸设计减小。MAX9850同样支持I2C总线通过I2S总线流端口数据输入输出管脚 SCK Streaming Port Serial bit clock SCK 是流端口时钟管脚 FSY Streaming Port Frame sync FSY 提供数据采样频率 RMCK为外部设备提供时钟。 模拟音频数据通过电阻和电容组成的滤波电路传到CS53L21 经转换为符合I2S信号格式的数字信号后传到OS81050 再传到MOST网络 从MOST网络传来的数字音频信号 通过MAX9850转换成模拟音频信号 就可直接播放了。 FSYSCKRMCKSR0SX0LRCKSCLKMCLKSDOUTAIN1AAIN1BSDASCLLRCLKBCLKMCLKSDINHPLHPSSDASCLHPRSDASCLEHCL HPS HPR HPL INR IN1R2R3R4R5R6R7R8R9R1C2C6C3C4C5CCS53L21MAX9850INIC 音频输入输出电路 电源管理模块电源管理模块负责为整个节点电路提供所需要的电压。汽车的低压电源一般采用12V 而根据设计要求需要进行电压转换。音频节点需要3 3V和2 5V两种电压等级 如图4 6所示 电路设计为两级 首先将12V电压转换成3 3V 再将3 3V转换成2 5V。其中 二极管1D起防反接的作用 1Z为瞬态抑制器 防止瞬间高电压烧毁电路 电容和电感起滤波作用。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 34 VINGNDFBOUTPUTVINSDVOUTGNDSEWNSE3 3V2 5V12V1D2D1C2C3C4C1R1L1Z1Y2Y 硬件电路实现在前面对音频节点各模块电路设计的基础上 最终分别完成了音频节点硬件电路原理图和PCB Printed circuit board PCB 板的设计 如图4 7所示。 INIC的通信状态在系统运行时 为了使网络尽量不受外界异常情况的影响 INIC与外部控制器之间的通信受到EHCI State External Host Controller Interface State Machine EHCI State 的控制。EHCI有EHCI Protect、EHCI SemiProtect和EHCI Attached三种状态 48 如图4 8所示。 EHCIProtect 在上电和复位后 INIC进入EHCI Protect状态 可以防止刚开始时不正确的操作对MOST网络的影响。在EHCI Protect状态哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 35 外部控制器不能向网络发送和接收信息但可以对INIC进行看门狗的配置和状态的转换。 EHCISemiProtect 在EHCI SemiProtect状态下 外部控制器同样不能向网络发送和接收信息 但可以对INIC进行端口配置等操作 所需要的功能初始化完后 就可转换状态了。 EHCIAttached 在EHCI Attached状态下 外部控制器就可根据需要 不受限制的与MOST网络其它节点通信。 EHCISemiProtectedEHCIAttachedEHCIProtectedINIC EHCIState Set SemiProtected 通过握手程序EHC知道INIC和EHC都准备好INIC EHCIState Set Protected 看门狗TX超时 看门狗RX超时1 设置看门狗状态 INIC Watchdog Start EHC只能与INIC通信配置INIC的端口。INIC EHCIState Set Attached EHC与网络通信进一步完成各种网络工作INIC EHCIState Set Protected 看门狗TX超时 看门狗RX超时上电 复位1 看门狗监视的是EHC产生的周期信号 当INIC与EHC通信时 EHC必须保证这个信号 如果超时看门狗触发INIC的硬件复位 INIC有一个专门的管脚 可以用来触发EHC复位。 软件开发工具简介音频节点使用Freescale公司的16位MCU Microprogrammed Control Unit MCU 作为外部控制器 其采用Code Warrior作为软件开发工具。Code Warrior系列集成开发环境IDE Integrated Development Environment IDE 如图4 9所示 是Metrowerks公司 1999年被Motorola公司收购 面向Freescale公司所有的MCU与DSP Digital Signal Processor DSP 嵌入式应用开发的软哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 36 件工具 是Freescale公司向客户推荐使用的开发工具。 CodeWarrior编辑环境 CodeWarrior包括了构建系统平台和应用所需要的编译器、调试器、编辑器、链接器和汇编程序等主要工具。CodeWarrior的主要功能如下 项目管理 为软件开发人员提供文件管理 以不同组别组织项目内容 追踪项目状态信息等。 搜索 可进行文本搜索与替换 提供文件比较等功能。 调试 可对系统程序在线进行单步、断点和全速执行等调试。 专家模式 处理器专家模式可以自动生成高质量的程序代码 大大减少了开发人员的开发周期。 源代码编辑 根据代码语法格式的不同 使用不同的颜色显示。 软件设计与实现如表4 1所示 所设计的音频节点的功能主要包括NetBlock、INIC、AuxIn和AudioAmplifier。这些功能与所包含的函数可完成逻辑地址、流数据信道建立 连接和流数据信道删除 断开等功能。 音频节点的程序流程 如图4 10所示。 初始化 系统上电后完成对外部控制器I2C总线、音频编 解码芯片等的初始化。 检查端口消息 循环检测外部控制器PA4管脚 与OS81050的INT脚相连 电平 当PA4为低电平时 调用I2C总线驱动 读取消息 再哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 37 执行命令解析等相关操作。 连接管理 实现流数据信道等的连接管理。 状态管理 根据端口消息内容实现对OS81050状态的动态管理。 音频节点主要功能功能块标识 函数标识 描述 NetBlock NodeAddress 逻辑地址 INIC EHCIState 接口状态 OpenPort 打开端口 ClosePort 关闭端口 CreateSocket 建立套接字 DestroySocket 除去套接字 ConnectSockets 连接套接字 DisconnectSockets 断开套接字 AuxIn Allocate 建立信道 DeAllocate 删除信道 AudioAmplifier Connect 连接信道 DisConnect 断开信道 开始初始化检查端口信息连接管理状态管理结束 10音频节点主程序流程图 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 38 MOST网络音频节点测试在前几节完成MOST网络音频节点硬件设计和软件设计的基础上 本节首先给出对硬件电路的测试 以保证硬件电路的完好及总结硬件电路设计 测试需要注意的问题。接着将音频节点进行联网通信测试 来验证所设计MOST网络音频节点的有效性。 网络分析工具OptoLyzer OL3025o是SMSC公司为客户开发的MOST网络分析工具 如图4 11所示。 OptoLyzer OL3025o使用以太网或USB与PC Personal Computer PC 机相连。把标准的光纤头插入OptoLyzer OL3025o的光纤接口 就实现了与MOST网络的连接。除了上面用于通信的接口 OptoLyzer OL3025o还提供了用于辅助开发的以下接口 Line OUT 输出来自MOST网络的模拟音频信号。 Trigger 借助外部信号产生突发事件。 OptoLyzer OL3025o有如下4种节点工作模式 Timing Master 时间主节点 模式 此模式下 为MOST网络提供同步时钟 还可以启动与关闭网络。 Static Master 静态主节点 模式 光纤不断激励 在解锁和网络关闭状态下也不停止。 Slave 从节点 模式 此模式下 可收 发消息 但要从MOST网络获取同步时钟才可连入网络。 Bypass 旁路 模式 此模式下 虽然连接在网络上 但对其它节点是不可见的。 11OptoLyzer OL3025o 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 39 OptoLyzer OL3025o属于硬件平台 使用时还需要配套OptoLyzer Suite软件系统。OptoLyzer Suite是SMSC公司针对OptoLyzer OL3025o开发的图形化接口软件 如图4 12所示。 OptoLyzer Suite包含了丰富的控件用于MOST网络的开发与分析 观察器 按时间顺序记录各种消息及系统事件。 记录仪 将消息和事件写成文件的形式。 图形显示 以特定的图形方式 直观的显示发生的消息和事件。 监测器 记录最新发生的消息和事件。 控制器 设置OptoLyzer OL3025o的四种节点工作模式 设置帧频率 44 1KHz和48KHz 和开启 关闭网络 主节点模式 建立数据信道等。 收发器 向其它节点发送控制消息 如设置节点逻辑地址等。 12OptoLyzer Suite各控件界面 硬件电路测试在做联网通信测试前 首先要保证硬件电路的可用 下面将给出重要硬件电路测试的方法 及测试时遇到的问题和解决办法。 电源测试硬件电路上电前 要保证各电源无短路情况。上电后 测试各电源等级是否满足各元件要求。 I2C接口驱动测试数字可调电阻器带有I2C总线接口 通过外部控制器来读 写数字可调电阻器中的一个寄存器里的值来单独测试外部控制器的I2C接口驱动是否正常 此时使I2C总线与其它元件断开 只连接一个数哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 40 字可调电阻器 由于电路是第一次使用所以若测试的过程中出现I2C总线不能正常读 写数据的情况 将无法确定是数字可调电阻器工作异常 还是外部控制器的I2C接口驱动异常。此时 需要利用示波器来观察SCL线和SDA线电平来进行调试。根据I2C总线的启动信号 当SCL处于高电平时 SDA从高变低这一现象来测试I2C接口是否正常。在排除I2C驱动启动异常的情况后 可以向数字可调电阻器发送命令来调试外部控制器的I2C的读 写驱动。 MOST网络接口模块电路测试OS81050在没有外部控制器的情况下 可单独当作一个简单的MOST节点连接到MOST网络。利用这一特性 音频节点电路可以同Optolyzer OL3025o组成两节点MOST网络。其中 Optolyzer OL3025o作为主节点 音频节点作为从节点。 保证两节点时钟频率相同 通过OptoLyzer Suite的控制器启动MOST网络 网络无法建立 如图4 13所示。 13网络未建立 电路测试遇到的现象及解决办法如下 利用示波器测试OS81050的时钟信号 如图4 14所示。时钟频率为12 26MHz 高电平电压为2 92V 满足时钟频率在11 264MHz 12 3136MHz范围内和高电平输入电压大于1 75V的要求。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 41 利用示波器分别测试OS81050的RX MOST网络信号输入 管脚和TX MOST网络信号输出 管脚的信号 如图4 15所示。RX的信号为12 36MHz的矩形波 TX的信号杂乱无章 两者差别很大。而根据MOST网络规范 网络正常建立时 RX与TX两者信号的频率和相位应该是相同的 如图4 16所示。 无法确定是光纤收发器处出现问题 还是OS81050处有问题。断开TX管脚与光纤收发器的相连 再次测试TX管脚的信号 发现信号波形与图4 15中TX信号波形相同。确定问题出在OS81050处。 外部控制器通过I2C总线的FSY为输出 得到如图4 17所示的方波信号。FSY管脚输出方波信号的频率为29 31KHz 不是要求的48KHz。 14OS81050时钟信号 15OS81050的TX管脚输出信号异常

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