基于FPGA的嵌入式机载数传设备的研制

发布时间：2017-09-27 18:36

  本文关键词：基于FPGA的嵌入式机载数传设备的研制

  更多相关文章： SOPC 嵌入式系统 FPGA VxWorks

【摘要】：随着航空工业的发展,新一代航空电子系统正向高度综合化、数字化的方向发展,机载设备的设计也面临更大挑战。目前,多功能、小型化、低功耗、实时性好、通用性强成为新型机载通信设备研发的重点。嵌入式系统是一种以应用为中心,软、硬件可裁剪、时效性高,满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的系统。因此嵌入式系统设计方法在机载通信设备的应用成为必然趋势。在单芯片上实现嵌入式系统称为嵌入式片上系统,即SoC(System on a Chip).使用SoC技术,可以极大的改善功耗开销;减少印制板上的部件数量和管脚数,不仅可以减小硬件体积,也在一定程度上降低了系统开发成本。FPGA是一种在单个芯片上集成了大量逻辑资源的高度集成器件,随着工艺的进步,芯片密度越来越大,功耗显著降低,集成的可编程逻辑资源越来越多,甚至还集成了包括存储器、DSP模块、时钟电路、可配置为多种接口标准的I/O管脚,以及各种硬核资源等。FPGA与SoC结合,实现可编程SoC,即SOPC,不仅能在同一个芯片上实现整个系统功能,而且这种特殊嵌入式系统,可使用软/硬件协同设计方法,编程实现硬件功能,达到硬件软件化的效果,提高设计的灵活性。本论文首先根据系统总体提出的任务需求,结合FPGA和SOPC的技术特点,提出基于FPGA的嵌入式机载设备的设计方案。设计人员采用自顶向下的设计方法,对整个系统进行系统设计和功能划分,在单片FPGA上编程实现系统的核心电路。方案中选用XILINX公司Virtex-5系列FPGA芯片作为实现系统任务功能的软硬件开发核心,构建最小片上系统。使用FPGA内嵌的PowerPC硬核处理器,搭载实时性强、可靠性高的VxWorks嵌入式实时操作系统,完成实时多任务的大数据处理。开发环境选用XILINX公司提供的EDK开发套件进行软硬件协同开发,采用VHDL硬件描述语言和C++进行编程。同时给出外围硬件电路,包括电源电路,时钟电路,复位电路,外部存储电路以及接口转换等系统电路和底层驱动程序的设计。最后,通过仿真和测试验证设计的正确性,并通过实验和系统联试进一步验证设备的稳定性。本论文开展的主要工作如下:1.分析课题的选题背景和意义,阐述了嵌入式设计相关理论及应用情况;2.分析了任务的具体需求,提出基于FPGA的嵌入式设计方案,并初步论证方案的可实现性;3.构建以FPGA为核心的SOPC系统,并重点阐述基于FPGA的嵌入式硬件的可编程设计,体现运用嵌入式开发工具EDK,简化硬件设计工作,以及少量的外围电路设计和实现,印制板电路实现。同时与硬件工作协同开展的嵌入式软件设计,通过VxWoks操作系统、应用程序的编码实现高速数据的实时收发处理;4.构建仿真平台进行仿真和调试,搭建测试环境进行对设备功能进行测试验证;5.通过测试,对比指标要求,得出结论。
【关键词】：SOPC 嵌入式系统 FPGA VxWorks
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V243
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 选题背景11-12
• 1.2 研究现状12-13
• 1.3 本文主要工作和章节安排13-15
• 第二章 基本理论15-23
• 2.1 机载数传设备15
• 2.2 嵌入式系统15-19
• 2.2.1 嵌入式系统的定义15-16
• 2.2.2 嵌入式系统的构成16-19
• 2.3 FPGA19-22
• 2.3.1 FPGA概述19
• 2.3.2 FPGA内部结构及功能19-21
• 2.3.3 基于FPGA的片上系统21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 方案设计23-28
• 3.1 方案选择23-25
• 3.1.1 基于DSP的嵌入式设计23
• 3.1.2 基于PowerPC的嵌入式设计23-24
• 3.1.3 基于FPGA的嵌入式设计24-25
• 3.2 方案设计25-27
• 3.2.1 设计指导思想25
• 3.2.2 研究内容25
• 3.2.3 总体设计25-27
• 3.3 本章小结27-28
• 第四章 硬件实现28-42
• 4.1 机载数传设备硬件电路28
• 4.2 基于FPGA的硬件实现28-33
• 4.2.1 核心器件选择28-29
• 4.2.2 硬件工程29-32
• 4.2.3 连接组件，创建链接32
• 4.2.4 添加UCF，生成硬件比特流32-33
• 4.3 外围电路33-38
• 4.3.1 电源33
• 4.3.2 时钟33-34
• 4.3.3 复位34-35
• 4.3.4 接口35-38
• 4.4 印制板电路38-41
• 4.4.1 设计工具38-39
• 4.4.2 多层板设计与制作39-41
• 4.5 本章小结41-42
• 第五章 软件实现42-55
• 5.1 基于FPGA的软件开发42-45
• 5.1.1 VxWorks操作系统42-44
• 5.1.2 软件平台的创建44-45
• 5.2 板级支持包BSP45-48
• 5.3 应用程序48-54
• 5.3.1 程序设计48
• 5.3.2 交叉编译48-49
• 5.3.3 编码实现49-54
• 5.4 本章小结54-55
• 第六章 调试与测试55-66
• 6.1 调试55-61
• 6.1.1 仿真55-56
• 6.1.2 调试56-61
• 6.2 测试61-65
• 6.2.1 测试项目61-62
• 6.2.2 测试方法62-63
• 6.2.3 测试结论63-65
• 6.3 本章小结65-66
• 第七章 结论与展望66-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-71
• 攻硕期间取得的研究成果和参与的科研项目71-72

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本文编号：931317