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基于FPGA的机载机电系统通用远程接口单元设计

作　者: 刘玉娇
导　师: 姚恩涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 通用远程接口单元机载机电系统 FPGA 动态重构开关矩阵 IP核
分类号: V241.02
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

机载机电综合是航空机电系统管理的发展方向，终端设备的通用接口技术是提高设备通用性的必要条件，本文分析了国内外机载终端设备接口技术现状，提出了基于FPGA的机载机电系统通用远程接口单元的设计。主要介绍了远程终端的总体方案、硬件系统设计和软件系统设计，研究了FPGA动态重构技术和开关矩阵在通用远程接口单元设计中的应用方法，最后在机载机电系统仿真平台上对通用远程接口单元进行了试验。通过分析机载机电系统信号特征和功能需求，在研究国外LRU和LRM典型功能的基础上，提出了通用远程接口单元的总体架构。详细描述了系统硬件的芯片选型，控制电路和接口电路设计，完成了外围模拟、数字混合调理电路制作。运用模块化的方法对系统软件进行规划，采用组合逻辑、状态机以及Xilinx自带IP核等多种方式实现各功能模块软件设计。在动态重构技术研究中，提出了动态重构技术工程应用具体实现方法。给出了ISE12.2环境下利用PlanAhead工具进行动态重构设计的EAPR开发流程，详细描述了动态模块与静态模块之间信号交流的PIN语法，提出了IP核嵌套设计的动态调用方法，将该技术应用到机载机电系统的通用远程接口中。本文所提出的通用远程接口单元的设计方法，为机载远程终端设备接口技术的研究提供了一定的参考；所提出的动态重构技术的工程应用方法具有一定的实践指导意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-23
  1.1 研究背景  14
  1.2 机载机电系统远程终端接口技术  14-18
    1.2.1 机载机电系统及综合化概述  14-16
    1.2.2 公共管理设备系统与接口技术  16-17
    1.2.3 机载接口的典型结构  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-21
    1.3.1 国外研究现状  18-20
    1.3.2 国内研究现状  20-21
  1.4 本文的工作内容  21-23
    1.4.1 本文的工作内容与创新点  21
    1.4.2 论文的结构安排  21-23
第二章机载机电系统通用远程接口单元的方案设计  23-32
  2.1 设计需求分析  23-26
    2.1.1 机载机电系统的信号分析  23-24
    2.1.2 通用远程接口单元的功能需求  24-25
    2.1.3 系统设计的目标  25-26
  2.2 提高接口通用性的关键技术  26-30
    2.2.1 基于开关矩阵信号的自由选通  27-28
    2.2.2 基于 FPGA 模块化设计  28-29
    2.2.3 基于动态重构技术的软件设计  29-30
  2.3 通用远程接口单元的总体方案  30-32
第三章通用远程接口单元的硬件设计  32-52
  3.1 系统的硬件框架  32-33
  3.2 基于 FPGA 的核心控制电路  33-36
    3.2.1 控制器芯片的选择  33-34
    3.2.2 Virtex-4 XC4VSX25 介绍  34-36
  3.3 开关矩阵电路设计  36-41
    3.3.1 开关矩阵原理和分类  36-37
    3.3.2 模拟开关矩阵 MT8816  37-39
    3.3.3 MT8816 的接口电路  39-41
  3.4 双冗余 CAN 总线通信电路设计  41-45
    3.4.1 CAN 总线通信技术与双冗余组网  41-42
    3.4.2 双通道 CAN 接口电路设计  42-45
  3.5 液晶显示模块设计  45-48
    3.5.1 TS1602 模块的原理  45-47
    3.5.2 液晶显示模块接口电路设计  47-48
  3.6 功能模块设计  48-52
    3.6.1 模数转换电路  49-50
    3.6.2 模拟信号输出电路  50-52
第四章通用远程接口单元的软件设计  52-68
  4.1 系统的软件设计  52-54
    4.1.1 模块化的软件设计总体框架  52-53
    4.1.2 软件开发环境介绍  53-54
  4.2 Xilinx FPGA 工程开发方法  54-56
    4.2.1 Xilinx FPGA 软件设计流程  54-55
    4.2.2 仿真验证与测试文件  55-56
  4.3 功能模块的软件设计与仿真  56-66
    4.3.1 开关矩阵的程序设计  56-58
    4.3.2 CAN 通信冗余电路程序设计  58-61
    4.3.3 液晶显示模块的程序设计  61-63
    4.3.4 信号采集与处理模块程序设计  63-66
  4.4 机载机电系统程序设计方法  66-68
第五章动态可重构技术在通用接口中的应用  68-85
  5.1 基于 FPGA 的可重构技术  68-70
    5.1.1 可重构技术的原理及分类  68-69
    5.1.2 动态可重构的实现方法  69-70
  5.2 基于 EAPR 软件流程的动态可重构设计  70-75
    5.2.1 开发工具——PlanAhead12.2  70
    5.2.2 EAPR 的设计流程  70-75
  5.3 IP 核在动态重构中调用方法  75-79
    5.3.1 非重构设计 IP 核的一般调用过程  75-77
    5.3.2 动态重构设计中的 IP 核调用过程  77-79
  5.4 动态重构技术在机载机电系统中的应用  79-85
    5.4.1 接口设计中静态模块和动态模块划分  80
    5.4.2 接口设计中动态模块功能配置过程  80-85
第六章通用远程接口单元测试与验证  85-94
  6.1 机载机电系统仿真平台介绍  85-87
    6.1.1 仿真平台的总体结构  85
    6.1.2 机载信号激励板  85-86
    6.1.3 远程测控  86-87
  6.2 机载机电子系统系统应用测试  87-90
    6.2.1 起落架收放系统控制模拟实验  87-88
    6.2.2 液压泵输出压力信号采集  88-90
  6.3 动态可重构实验  90-94
    6.3.1 动态重构在不同机载子系统中应用  90-91
    6.3.2 基于动态重构的故障隔离技术  91-92
    6.3.3 系统在线实时更新技术  92-94
第七章总结与展望  94-96
  7.1 全文总结  94-95
  7.2 研究展望  95-96
参考文献  96-99
致谢  99-100
在学期间发表论文和科研成果  100

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