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基于FPGA的數據通信模塊的研究與設計

添加時間:2020/07/13 來源:北華航天工業學院 作者:黃智丹
基于 FPGA 的數據通信模塊采用自頂向下的設計方法和 Verilog HDL 硬件編程語言 在 Xilinx 的 ISE 開發環境下實現 FPGA 的邏輯控制,主要包括電壓量采集模塊、串口數 據收發模塊和 CAN 數據收發模塊。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  本文以某導航綜合控制裝置項目為研究背景,闡述了基于雙 DSP+FPGA 架構的彈 載計算機板的硬件設計,使用單臺計算機實現導航和飛控任務處理,不僅有效地減少了 導航控制系統的體積、成本和功耗,提高了系統的可靠性,同時又完全保留了傳統設計 中雙計算機系統導航和飛控任務獨立完成的優點。本文主要對硬件電路和基于 FPGA 的 數據通信模塊進行了研究與設計。

  彈載計算機板的硬件電路主要分為供電復位模塊、核心處理模塊和信號接口模塊。 其中,供電復位模塊為彈載計算機各個模塊提供電源以及復位信號。核心處理模塊采用 雙 DSP+FPGA 架構,主 DSP 完成飛控計算,從 DSP 完成導航解算,雙 DSP 之間通過 McBSP 串口進行通信;FPGA 芯片用于數據采集和擴展外圍接口,與 DSP 通過 EMIF 接口進行通信。信號接口模塊主要完成核心處理模塊和外圍通信模塊的電氣匹配及隔 離。

  基于 FPGA 的數據通信模塊采用自頂向下的設計方法和 Verilog HDL 硬件編程語言 在 Xilinx 的 ISE 開發環境下實現 FPGA 的邏輯控制,主要包括電壓量采集模塊、串口數 據收發模塊和 CAN 數據收發模塊。

  最后對硬件電路和 FPGA 數據通信模塊進行測試。首先,對彈載計算機板進行上電 測試,確保上電后,彈載計算機板可以正常工作;然后對電壓量采集模塊、串口數據收 發模塊和 CAN 數據收發模塊進行相關測試,確保所設計的每個模塊都能實現功能。測 試結果表明彈載計算機能夠滿足系統的設計要求。

  關鍵詞:彈載計算機 FPGA AD 采集 串口通信 CAN 通信

數據通信模塊

Abstract

  This paper takes a navigation integrated control device project as the research background, and expounds the hardware design of the missile-borne computer based on dual DSP+FPGA. Using a single computer to complete navigation and flight control task processing, not only effectively reduces the volume, cost and power consumption of the missile-borne computer, but also improves the reliability of the system. At the same time, the advantages of the dual computer system in the traditional design are completely preserved, that is, the navigation and flight control tasks are independently completed. This paper mainly studies and designs hardware circuits and FPGA-based data communication modules.

  The hardware circuit of the missile-borne computer is mainly pided into a power supply reset module, a core processor module and a signal interface module. The power supply reset module provides power and reset signals for each module of the missile-borne computer. The core processing module adopts dual DSP+FPGA architecture, the main DSP completes the flight control calculation, the secondary DSP completes the navigation solution, and communication between dual DSPs is achieved through the McBSP serial port; the FPGA chip is used for data acquisition and expansion of the peripheral interface, and communication between FPGA and DSP is realized through EMIF interface. The signal interface module mainly completes the electrical matching and isolation of the core processing module and the peripheral communication module.

  The data communication module based on FPGA adopts top-down design method and Verilog HDL hardware programming language to realize FPGA logic control in Xilinx ISE development environment, including voltage acquisition module, serial data transceiver module and CAN data transceiver module.Finally, the hardware circuit and the FPGA data communication module are tested. Firstly, the power-on test was carried out to ensure that the missile-borne computer board can work normally after power-on. Then, the voltage quantity acquisition module, the serial port data transceiver module and the CAN data transceiver module are tested to ensure that each module designed can achieve the function. The test results show that the missile-borne computer can meet the design requirements of the system.

  Key Words: The missile-borne computer FPGA AD acquisition Serial communication CAN communication

目錄

  第 1 章 緒論

  1.1 課題背景及意義

  隨著航空航天技術的不斷發展,現代戰爭已經轉變為一個國家科技實力的戰爭。自在 第二次世界大戰中(以下簡稱"二戰"),德國首次使用導彈作戰開始,導彈便進入了大 規模發展時期[1].經過 60 多年的發展,導彈和火箭彈等制導武器在現代戰爭中廣泛使用, 其發揮的作用也越來越大。而隨著制導武器對精確打擊和復雜電磁環境適應性要求的不斷 提高,未來戰爭對導彈自身搭載的導航與控制系統提出了更高的要求(如功能多元化、毀 傷精確化、小型化等)。因此,研制出高精度、遠射程、低成本的制導武器對精確打擊目 標具有重大意義。 彈載計算機作為導彈等制導武器的總體控制模塊,其性能對制導武器的打擊效果有很 大影響。對于傳統的導彈來說,彈上包括 2 個任務處理系統,即導航計算機和飛控計算機。 導航計算機的主要任務是對彈體的運動信息進行接收和計算,按照導引規律和預定的彈道 形成導引指令,并將導引指令傳送給飛控計算機。

  飛控計算機的主要任務是根據導航計算 機形成的導引指令控制彈體按照預定彈道飛行,并精確命中目標。雖然傳統的雙任務處理 系統的導航與控制軟件獨立運行,任務處理界面比較清晰,但其體積、功耗和成本都比較 高。為了降低導彈等制導武器任務處理系統的體積、功耗和成本,以及提高導航與控制系 統的運算能力、集成度和實時性,本課題研究并設計了基于雙 DSP(Digital Signal Processing,數字信號處理器)和 FPGA(Field-Programmable Gate Array,現場可編程門 陣列)的一體化彈載計算機的硬件模塊,將導航計算機和飛控計算機集為一體,充分利用 了 DSP 和 FPGA 芯片的特點。與以往的雙計算機系統相比,不僅有效地控制了體積和成 本,而且可以滿足彈載計算機對運算能力和外設接口能力的需求,對彈載計算機的發展具 有重要意義[2].

  1.2 國內外發展現狀

  1.2.1 導彈的發展現狀

  自從德國在二戰中應用導彈武器開始,美國、英國、法國等國家就著手進行導彈的研 制。這一階段,各個國家加大了對導彈研制資金的投入,擴大了導彈的生產規模,主要研 究了導彈的關鍵技術和基礎理論,并開始研制新的導彈武器,解決了導彈從無到有的問題, 但是導彈的作戰性能還比較差。自 20 世紀 60 年代起,各個國家增加了對所缺少的導彈類 型的研究,同時也對已有導彈類型進行了改進(如提高制導系統的精度和抗干擾能力、減輕導彈的質量、縮小導彈外形尺寸及改進發動機性能等),提高了導彈的質量和作戰性能。 從 20 世紀 70 年代開始,隨著國際形勢的變化、戰爭的刺激等,各國都加快了導彈的更新 速度。在這一階段,隨著計算機技術的發展,導彈的設計思想有了新的變化,開始模塊化 地研制導彈,并在研制導彈的各個環節廣泛應用了計算機技術,使導彈的作戰性能顯著提 高(如美國的彈道導彈"侏儒"、空空導彈"不死鳥",前蘇聯的彈道導彈"SS-20"、 防空導彈"SA-12"等)。進入 20 世紀 80 年代后,隨著戰爭理論的改變、科學技術的進 步、"精確打擊"概念的提出,導彈開始向精確制導、智能化等方向不斷發展[3].

  1.2.2 彈載計算機的發展現狀

  20 世紀 70 年代,隨著 Zilog 公司的 Z80 微處理機和 Intel 公司的 8080 微處理機的問 世,美國就有了研制彈載計算機的想法,并公布了他們的研制方案。由于技術水平的限制, 當時微處理機的處理精度和運算速度都滿足不了導彈各分系統對計算能力、數模/模數轉 換精度和速度以及存儲器容量的要求,故當時的高速運算器采用高速衛片、硬件乘法器等 搭建。直到 80 年代,隨著幾代 Intel PC 機和 DSP 芯片的不斷更新,彈載計算機技術也開 始飛速發展,不僅運算速度、抗干擾能力等進一步提升,而且體積、功耗及成本等也在逐 漸減小。目前,國外的彈載計算機在硬件設計方面比較成熟,現在更注重于導航與控制算 法的研究[4-7]. 我國的彈載計算機技術也發展的非常迅速,從 80 年代開始研制到現在,研究人員提 出了很多設計方案,各有所長。如哈爾濱工程大學的徐小淇、南京理工大學的李玉寰等設 計的導航計算機,浙江大學的喻少林、中北大學的蔡亦清等設計的飛控計算機都采用 DSP+FPGA 架構,雖然采用的芯片不一樣,但其實現功能的方法類似,利用 DSP 芯片進 行導航解算和飛控計算,利用 FPGA 芯片實現數據采集與拓展外圍接口,并進行中斷控 制等。南京航天航空大學的仲筱艷設計的飛控計算機提出了另外一種拓展外圍接口的方 案,即 DSP+CPLD(Complex Programmable Logic Device,復雜可編程邏輯器件),利用 DSP 作為核心處理器進行飛控計算,利用 CPLD 的復雜可編程特性拓展外圍接口與實現 中斷控制。北京理工大學的孔得鵬設計的彈載計算機采用多核 DSP+FPGA 架構,其中多 核 DSP 不僅可以進行復雜的運算,也可以并行處理任務[8-13]. 導航任務處理系統與飛控任務處理系統獨立設計會使芯片的資源得不到充分利用,從 而降低了芯片的資源利用率,同時也增加了成本、功耗等。目前,業內已經有設計人員提 出將分散的導航系統和飛控系統組合在一起進行設計,打破以往的按照功能進行獨立設計 的方法,充分利用硬件資源。對彈載計算機的硬件電路按照各個模塊的功能進行集成,可 以增大器件的利用率并可以同時降低設計成本和后期維護成本,使系統更加穩定、可靠地 工作。目前,國內外科研單位設計的彈載計算機主要有以下 4 種方案:

 。1)DSP 結合 ARM(Advanced RISC Machines,ARM 處理器),運算能力強大的DSP 芯片在導航解算和飛控計算方面比較有優勢,而接口豐富、體積小、功耗低的 ARM 芯片適合數據采集和控制管理彈載計算機系統,這類處理器架構既提高了彈載計算機的性 能,也有效地控制了彈載計算機的體積和功耗。但由于 ARM 芯片的結構比較固定,一旦 選定,彈載計算機的功能也被確定,故在研發過程中隨著問題出現而有需求變化的彈載計 算機必須重新選型,會使研制成本增加。

 。2)DSP 結合單片機,這種設計方案也是利用 DSP 來實現導航解算和飛控計算,不 同的是用單片機來實現數據采集和拓展外圍設備接口等功能。由于單片機的工作頻率和運 行速度比較低,這類彈載計算機也存在許多不足,例如 DSP 與單片機的通信速率較慢且 編程比較復雜,不能靈活的進行外圍設備接口的拓展,彈載計算機的可靠性也比較低,另 外由于單片機外圍電路的元器件數量比較多,使電路的集成度不高。

 。3)單片機結合 ARM,由于單片機是一種低端控制器,ARM 處理器采用精簡指令 集,故這類彈載計算機雖然控制能力非常強大,但由于其運算速度和運算精度比較低,無 法滿足現代戰爭中彈載計算機對大量導航數據和飛控數據進行實時處理的要求。

 。4)單片或多片 DSP,這類彈載計算機一般選用浮點運算,其信息處理精度高、速 率高,可對導航和飛控數據進行實時處理,但是由于 DSP 芯片的外圍設備接口比較少, 因此需要通過 FPGA 或 CPLD 拓展外圍設備接口來增加控制功能,雖然這會增大硬件電 路板的體積和功耗,但其結構比較穩定,而且系統升級時,只需要升級軟件,不需要對硬 件做改動,降低了研制成本。

  1.3 彈載計算機的設計方案

  彈載計算機在導彈飛行過程中需要處理的數據非常多,導航系統對所測量的彈體運動 信息進行導航解算并將結果發送給飛控系統,飛控系統對其進行計算并發出控制指令控制 導彈按照預定彈道向目標飛行。導彈在點火到擊中目標的過程中,除了需要導航系統與控 制系統外,還需要其它分系統的協助,因此,彈載計算機還將推進系統、測發控系統、引 信戰斗部系統、遙控遙測系統、導引頭系統及舵機等分系統聯系在一起,使各分系統之間 能及時傳遞信息。 導航系統與控制系統是導彈不可缺少的組成部分。

  在本文中,導航系統對慣性導航模 塊和衛星導航接收模塊測得的彈體的運動信息進行導航解算,可知導彈的具體位置、航角 等信息,并將這些信息與預定值進行比較,由兩者之間的偏差量形成導引指令,然后將導 引指令傳送給控制系統,以便控制系統向導彈發出控制指令與時序信號,隨時調整導彈的 運動方向和飛行姿態,導引導彈按規定的精度命中目標。彈載計算機需要對彈體的運動參 數及位置等信息進行高效、有效、實時的處理,如果不能及時地進行導航解算和飛控計算 并對其它系統發出控制指令,那么導彈最終可能不能命中目標。而這些信息的信息量比較 大且在不斷的變化,故彈載計算機需要能高效、實時地處理這些信息。對于推進系統來說,導彈點火后,推進劑的燃燒導致其質量逐漸減小,因此作用在彈 體上的推力、重力和氣動阻力等也在持續變化。而彈體的飛行速度和軌跡的變化規律與彈 體質量及推力的變化規律有關,彈體質量及推力變化通過傳感器轉換為電信號,這些變量 不停地變化而且變化速度比較快,故信息量比較大,因此,彈載計算機需要對大量信息進 行及時處理。

  測發控系統主要由測試系統和發控系統組成。在導彈發射之前,測試系統通過對電壓 量、脈沖量、開關量、頻率等信號的測量來完成導彈的控制系統和其它系統電器設備性能 的檢查。除此之外,測試系統還要測試導彈的供配電情況、導彈的靜態各項指標以及導彈 在模擬飛行過程中各系統的工作狀態等,并將測試結果回報給導彈主控系統。導彈主控系 統判斷回報的檢測信號都處于正常狀態(即導彈具備發射條件)后,向發控系統發出"發 射授權"命令。隨后,發控系統設定導彈的射擊參數、初始狀態和初始基準等信息,并根 據流程或命令要求通過 CAN(Controller Area Network,控制器局域網絡)總線發送相關 命令到彈載計算機,彈載計算機完成相關數據的裝訂、采集后,按照相關要求通過 CAN 總線回傳數據到測發控系統。測發控系統判斷相關信息無誤后,控制導彈發動機點火發射, 使導彈飛離發射裝置并獲得所需的初始姿態和速度。

  當系統要求中斷發射或導彈發射出現 異常時,發控系統還要能強行終止發射或給出不點火指令,當出現緊急情況(如危及人員 及載機安全)時,也能對導彈進行應急丟棄。彈載計算機與地面測發控系統通信的過程中, 既有模擬信號,也有開關信號,信號種類和數量都比較多,故彈載計算機對某些信號要及 時處理。導彈借助引信戰斗部實現對目標的精確打擊。引信戰斗部由 3 部分組成,其中,戰斗 部按照要求直接完成戰斗任務,而引信主要是在預定時間、地點,按照預定方式引爆戰斗 部。戰斗部在最佳時機引爆會摧毀目標,但是在不適當的時間引爆,就會造成人員、經濟 等多方面的損傷。保險裝置主要是在彈載計算機的控制下,保證戰斗部在運輸、存儲、發 送和飛行時不會發生爆炸,當導彈飛近目標時,又可以解除保險引爆戰斗部。引信引爆戰 斗部、保險裝置解除保險等都對時間有非常嚴格的要求,彈載計算機在處理彈體與目標交 會信息并發出控制指令時要實現對時間的精確把控。 遙測遙控系統是與導彈配套的設備之一,主要實現導彈發射之后的遠距離測量、控制 和監視。在導彈發射之后,遙測系統利用傳感器將導彈的各種非電量數據轉換為電信號, 載波于遙測發射機產生的高頻無線電波發回地面,地面通過遙測接收設備接收這些數據之 后,送到數據處理系統進行解調、記錄、處理分析,為導彈的性能評定、設計改進和故障 分析等提供數據。同時,遙控系統將遙控指令編碼后載波于高頻無線電波發送到遙控接收 機,遙控接收機接收并解調后發送到飛控計算機,從而發出控制指令使執行機構工作。即 遙測遙控系統與彈載計算機之間需要傳輸的信號有導彈的實際工作狀態、飛行姿態、遙控 指令等,為了更好地評定導彈的性能以及使導彈及時執行遙控指令,這些信息需要在兩個 系統之間及時傳輸,彈載計算機要使這些信息在兩個系統間準確、快速地進行傳輸。在導彈發射之前,首先需要捕獲選定目標的位置、速度等信息,然后通過測發控系統 將這些信息裝訂成初始跟蹤指令,通過 CAN 總線經由 FPGA 傳送給 DSP 進行處理,進而 確定導彈打擊目標的參數信息,而目標信息的獲取就是由導引頭系統完成的。當導彈發射 之后,由導引頭及時捕獲目標的運動信息,以便彈載計算機發出控制指令調整導彈的打擊 方位,最終精確命中目標。如果導引頭不能及時地把目標信息傳送給彈載計算機,那么導 彈最終可能打不中目標,故彈載計算機要滿足信息實時傳輸的要求。

  在導彈的飛行過程中,舵機根據飛控系統發出的舵偏角信號等信息,通過改變發動機 的推動矢量或操縱導彈的舵面或副翼產生控制力,克服氣動鉸鏈力矩和彎曲力矩;同時, 舵機將利用敏感元件得到的當前的舵位置及航偏角等信息反饋給飛控系統,以便控制導彈 穩定飛行。當舵機系統發生故障不能正常工作時,飛控系統發送的安控指令將驅動舵面按 照預先設定好的偏轉角度進行偏轉,并配合導彈的自毀動作實現保護功能。無論是飛控系 統發出的控制指令還是舵機反饋給飛控系統的信息都時刻在變化,而且信息量比較多,這 就需要彈載計算機的信息處理量比較大且處理速度比較快。 導彈在作戰時需要各個分系統之間的配合,故彈載計算機需要多個外設接口將各個分 系統之間聯系起來進行通信。各個分系統的各個信號的時刻變化導致了彈載計算機需要處 理大量信息,而且為了使導彈能夠精準地打中目標,需要對這些信息進行高效、實時地處 理。 對1.2.2 節介紹的彈載計算機的 4 個設計方案中的優缺點進行分析,本設計采用第 4 種設計方案,其中,DSP 的信息處理精度高、速率高,可滿足彈載計算機對數據的處理 要求,為了使導航與控制軟件獨立運行,任務處理界面比較清晰,本系統采用 2 片 DSP 分別進行導航解算與飛控計算;但是由于 DSP 芯片的外圍設備接口比較少,因此需要通 過 FPGA 或 CPLD 拓展外圍設備接口來增加控制功能,借鑒其它產品的設計,采用雙 DSP+FPGA 架構來實現彈載計算機的功能,其中雙 DSP 進行導航解算與飛控計算,FPGA 完成彈上信息的采集和擴展外圍接口。

  1.4 本文主要內容

  本文主要研究與設計了導航綜合控制裝置中的彈載計算機模塊。從系統功能、研發成 本與風險等多方面考慮,彈載計算機的核心處理模塊采用雙 DSP+FPGA 架構。本文從硬 件電路和基于 FPGA 的數據通信模塊兩方面進行了研究與設計,其主要內容如下:

  第 1 章,緒論。首先對本課題的研究背景及意義、彈載計算機的國內外發展現狀進行 了簡要分析,其次分析了目前國內外科研單位設計的彈載計算機的設計方案,并確定了本 文彈載計算機的設計方案,最后對本文主要章節內容進行了概述。

  第 2 章,系統總體分析。首先簡要介紹了總體項目的功能與組成部分,其次分析了彈 載計算機的功能與需求,重點對硬件設計方案和器件選型進行了設計分析,最后介紹了基 于 FPGA 的數據通信模塊的設計方案。

  第 3 章,硬件電路板設計。彈載計算機板的硬件電路主要分為 3 個模塊,即供電復位 模塊、核心處理模塊和信號接口模塊。其中,供電復位模塊主要為系統提供電源和復位信 號。核心處理模塊利用雙 DSP 和 FPGA 實現系統功能,雙 DSP 采用 TI 公司的 TMS320C6713B,主 DSP 完成飛控計算,從 DSP 完成導航解算,雙 DSP 之間通過 McBSP (Multi-channel Buffered Serial Port,多通道緩存串口)通信;FPGA 選用 Xilinx 公司的 XC6SLX150,用于數據采集和擴展外圍接口,通過 EMIF(External Memory Interface,外 部存儲器接口)與 DSP 進行通信。信號接口模塊主要完成核心處理模塊和外圍通信模塊 的電氣匹配及隔離。

  第 4 章,基于 FPGA 的數據通信模塊設計。采用 Verilog HDL 編程語言和自頂向下的 設計方法在 Xilinx 的 ISE 開發環境下實現 FPGA 邏輯控制,詳細介紹了電壓量采集、串 口數據收發和 CAN 數據收發三部分的具體實現過程及仿真結果。

  第 5 章,系統測試。首先,對彈載計算機板進行上電測試,確保上電后,彈載計算機 板可以正常工作;然后對電壓量采集模塊、串口數據收發模塊和 CAN 數據收發模塊進行 相關測試,確保所設計的每個模塊都能實現功能。 結論。首先,對畢業課題的完成情況進行了總結,然后簡單描述了創新點,最后對本 課題還需完善的地方和后續的研究方向進行了說明與展望。






 

  第2章系統總體設計
  2.1課題項目 簡介
  2.2總體分析
  2.3系統硬件 電路設計方案分析
  2.3.1硬件 電路總體設計分析
  2.3.2核心 器件選型
  2.4基于 FPGA的數據通信模塊設計方案
  2.5本章小結

  第3章系統硬件設計
  3.1供電復位模塊
  3.1.1 DSP 供電電路
  3.1.2 FPGA 供電電路
  3.1.3數字芯片 供電電路
  3.1.4復位電路
  3.2核心處理模塊
  3.2.1 DSP 模塊設計
  3.2.2 FPGA 模塊設計
  3.2.3雙DSP之間的通
  3.2.4DSP與FPGA之間的通信

  3.3信號接口棋
  3.3.1模擬量采集電路
  3.3.2串口通信電路
  3.33 CAN 通信電路
  3.3.4時序輸出控制及狀態回采電路
  3.4本章小結

  第4章基于FPGA的數據通信模塊設
  4.1電壓量采集模塊
  4.1.1 AD7606 時序分析
  4.1.2 AD7606 采集模塊的實現
  4.2串口通信模塊
  4.2.1異 步串行通信標準
  4.2.2串 口通信的實現
  4.3 CAN 通信模塊
  4.3.1 CAN 報文幀
  4.3.2 MCP2515 時序分析
  4.3.3 CAN 總線通信的實現
  4.4本章小結

  第5章系統測試
  5.1彈載計算機板
  5.2系統 上電測試
  5.3電壓量采集測試
  5.4串口測試
  5.5 CAN 通信測試
  5.6本章小結

結論

  針對導航綜合控制裝置對彈載計算機的要求,本課題提出了基于雙DSP+FPGA架構的硬件設計方案,主要完成硬件電路設計和基于FPGA的數據通信模塊的設計。其中,2片DSP都采用TI的TMS320C6713B,主要完成導航解算和飛控計算;又由于DSP串口數量有限,而且其緩存能力較弱,采用FPGA進行串口拓展,降低了外圍設備對DSP資源的消耗。本文主要研究內容如下:

 。1)方案分析及器件選型:對系統進行了需求分析,并完成了整體設計方案。針對彈載計算機提出的小型化、集成化和高性能等方面的要求,采用DSP進行數據處理,但由于DSP串口數量有限,無法滿足彈載計算機同時與多路設備進行通信的要求,采用FPGA進行串口拓展,故核心處理模塊采用雙DSP+FPGA架構,并對DSP和FPGA芯片進行了選型分析。

 。2)硬件電路設計:硬件電路主要分為3個模塊,即供電復位模塊、核心處理模塊和信號接口模塊。其中,供電復位模塊主要為系統提供電源和復位信號。核心處理模塊利用雙DSP+FPGA來實現系統功能,雙DSP都采用TI的TMS320C6713B,主DSP完成飛控計算,從DSP完成導航解算,雙DSP之間通過McBSP串口通訊;FPGA選用Xilinx的XC6SLX150,用于數據采集和擴展外圍接口,通過EMIF接口與DSP進行通信。信號接口模塊主要完成核心處理模塊和外圍通信模塊的電氣匹配及隔離。

 。3)基于FPGA的數據通信模塊:數據通信模塊主要分為三部分,即電壓量采集模塊、串口通信模塊和CAN通信模塊,其中,電壓量采集模塊首先分析了AD7606的轉換時序和并行輸出時序,然后根據AD7606的CONVST時序圖和并行輸出工作方式的時序圖,對2片ADC的轉換順序控制和ADC數據采集模塊的實現流程進行了設計,最后采用截尾均值法對采集的電壓量進行處理。串口通信模塊以異步串行通信為例,首先介紹了異步串行通信的通信標準和總體設計思路,然后采用相位分頻原理產生串口波特率,發送模塊主要是對發送FIFO中的數據進行并串轉換,然后發送給外圍設備;接收模塊主要是對外圍設備要發送給DSP的數據進行串并轉換,然后寫入接收FIFO.CAN通信模塊首先介紹了CAN報文幀的格式,然后分析了MCP2515的SPI輸入輸出時序和寄存器讀寫時序,最后CAN通信的初始化就是對相關寄存器進行配置,報文接收采用中斷接收方式完成,報文發送采用查詢方式完成。

 。4)最后對系統進行測試:首先對各個供電芯片進行了測試,確保電源供給模塊功能正常,即系統上電后可正常工作;然后分別對AD采集模塊、串口通信和CAN通信模塊進行了測試。AD采集測試通過DSP讀取11路通道的采集電壓來驗證功能,測試結果表明11路通道均能進行數據采集,且采集精度滿足系統要求;串口模塊借助串口板卡進行測試,測試結果表明8路串口都能實現數據的收發;CAN通信模塊借助CANoe來進行測試,測試結果表明CAN通信數據的收發都能實現。即本系統所設計的彈載計算機板的各部分功能都能夠滿足系統要求。

  本文的創新點體現在:在彈載計算機中,雙DSP一般通過雙端口RAM進行通信,這就需要增加額外的雙口RAM芯片。與其它彈載計算機相比,本文研究設計的彈載計算機的雙DSP通信是通過McBSP串口來實現的,不需要外接其它通信芯片,在硬件連接方面比較簡單,不需要復雜的邏輯控制。這種通信方式在其它應用領域已經比較成熟,但在彈載計算機領域應用的比較少,因此基于McBSP串口的通信方式在航空航天領域還是比較有前景的。由于某些客觀原因,本文只對系統硬件電路進行了研究設計,完成了基于FPGA的數據通信模塊程序的編寫與調試,還有以下幾方面可以進行改進:

 。1)系統聯調,本設計已經完成了彈載計算機板主要部分的調試,但是還沒有進行系統聯調,后續應該再進行系統聯調。

 。2)導航解算和飛控計算的研究,本課題雖然針對的是硬件電路模塊的設計,但是彈上的導航解算和飛控計算也非常重要,后續工作應該在DSP軟件方面進行深入研究。

  參考文獻
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致 謝

  不知不覺中,緊張而又充實的研究生學習生活就要結束了。在這兩年半的時間里,老 師、同學、朋友等都給予了我很大的幫助。在論文完成之際,我向他們表達最誠摯的感謝。

  首先,我要感謝我的校內導師曹白楊教授和校外導師樊賀斌老師。兩位老師從論文的 選題、定題、設計認證到進度考核、論文寫作等方面都給予了我很大的幫助。在校期間, 曹老師在學習上教會我如何學好專業知識,如何在實踐中應用學到的知識;在生活上,也 教會了我很多東西,使自己得到進一步的提升;在單位實習時間,樊老師不僅在專業領域 方面對我進行指導,在生活上也給予我關心和照顧。在此,再次向兩位老師表示忠心的感 謝!

  其次,要感謝實習單位同事對我的幫助,特別是向我的師傅張洪倩表示感謝,在這一 年的實習工作中,師傅教會了我很多技術方面的知識,在畢設過程中給予我很大的幫助。 同時,也要感謝我的同學們和舍友們,在研究生期間對我的幫助、鼓勵和支持,在論文寫 作和修改方面給予我意見。

  最后,再次向幫助我的老師、同學們表示由衷的感謝!

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