基于SOPC的组合导航计算机的研究与实现

论文摘要

现代导航计算机要求系统具有效率高、成本低、功耗小、接口丰富等特点,并且符合高精度、高稳定性和实时性的要求。基于现代导航计算机的上述特点和要求,本文设计了一个以Xilinx Spartan3E 1600E FPGA (Field Programmable Gate Array, FPGA)和TMS3206713浮点DSP (Digital Signal Processing, DSP)处理器为核心,采用片上可编程技术实现的组合导航计算机系统。首先,论文介绍了本课题的研究背景和意义,全面阐述了组合导航计算机系统的国内外发展状况和未来的发展趋势,接着分析了片上可编程(System on a Programmable Chip, SOPC)技术的发展状况、主要特点、设计流程和基本原理。并简单介绍了基于Xilinx SOPC技术的组合导航计算机系统的整体结构。然后,通过编写一个基于本平台的Xilinx板级描述(Xilinx Board Description, XBD)文件创建了一个SOPC最小系统,并将实现导航计算机需要的硬件控制单元以IP(Intellectual Property, IP)核的方式添加到SOPC最小系统中,这些控制器IP核主要包括CAN设备控制器IP核,GPS串行通信IP核,陀螺仪、加速度计、里程计、高程计等传感器设备的数据采集IP核和FPGA与DSP进行数据交换IP核。基于这个硬件平台结构,进行了导航计算机的软件程序的设计,主要实现的功能为：串口、CAN接口、陀螺仪、加速度计、里程计和高程计等设备的数据采集。采集到的数据一方面可以通过FSL总线发送到DSP处理器内,另一方面可以通过串口和CAN接口将这些数据发送到上位机和CAN设备中。最后,对整个组合导航计算机系统的各个接口进行了测试和验证。采用基于SOPC技术的组合导航计算机系统具有设计灵活、可扩展性强、体积小等特点,符合未来组合导航计算机系统的发展方向,为高性能组合导航计算机系统的开发和应用奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 惯性导航系统的发展状况
• 1.2 SOPC技术简介
• 1.2.1 SOPC技术的发展
• 1.2.2 SOPC技术的特点
• 1.2.3 SOPC技术的设计流程
• 1.3 论文的意义、任务、创新点和主要内容
• 第二章 基于SOPC的组合导航计算机整体设计和关键技术介绍
• 2.1 引言
• 2.2 基于SOPC的组合导航计算机整体设计方案
• 2.3 Xilinx SOPC芯片介绍及选型
• 2.3.1 Xilinx FPGA芯片简介
• 2.3.2 SOPC芯片选型
• 2.4 MicroBlaze软核处理器
• 2.4.1 MicroBlaze处理器的体系结构
• 2.4.2 MicroBlaze的总线接口
• 2.5 IP核复用技术
• 2.5.1 IP核的分类
• 2.5.2 用户定制IP核的实现
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于SOPC的组合导航系统硬件设计方案
• 3.1 引言
• 3.2 SOPC组合导航系统硬件构成
• 3.3 最小子系统设计与实现
• 3.3.1 板级描述文件
• 3.3.2 基于SOPC组合导航系统的XBD文件设计
• 3.3.3 组合导航系统最小子系统的结构
• 3.4 CAN通信控制子系统的设计与实现
• 3.5 数据采集子系统的设计与实现
• 3.5.1 陀螺仪数据采集子系统
• 3.5.2 加速度计数据采集子系统
• 3.5.3 加速度计和陀螺仪温度信号采集子系统
• 3.5.4 里程计和高程计信号采集子系统
• 3.5.5 GPS数据采集子系统的设计
• 3.6 FPGA与DSP通信子系统
• 3.6.1 EMIF接口
• 3.6.2 FSL总线接口
• 3.6.3 FSL总线连接EMIF接口
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于SOPC的组合导航系统软件设计方案
• 4.1 引言
• 4.2 系统软件设计方案
• 4.3 系统初始化和中断控制
• 4.4 串口和CAN设备接口通信的软件实现
• 4.4.1 串口通信的软件实现
• 4.4.2 CAN设备接口通信的软件实现
• 4.5 数据采集子系统的软件实现
• 4.6 FPGA发送数据的软件实现
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于SOPC的组合导航系统测试与验证
• 5.1 引言
• 5.2 SDRAM和串口通信测试
• 5.3 通信控制子系统的测试与验证
• 5.4 信号采集子系统的测试与验证
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者与导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书