基于FPGA的地面综合测试台系统研究

论文摘要

随着现代遥测设备功能日趋复杂化及高可靠性要求,高度自动化的综合测试技术已经成为研制遥测地面检测平台的关键技术之一。论文以遥测领域中的先进测试技术为研究背景,对新型FPGA器件及其系统设计技术进行了可行性研究与分析,设计了一种基于FPGA的遥测用地面综合测试台系统方案,并完成了工程样机。地面综合测试台系统主要由计算机控制软件和地面测试台硬件两部分组成。以计算机控制软件操作界面为虚拟面板,完成人机交互及命令数据收发;地面测试台硬件作为检测外部设备的测试平台,主要用于数字量数据指定帧结构的发送及回采,并提供64路模拟量信号源。本文介绍了ATS(Auto Test System,自动测试系统)的国内外研究现状及发展趋势,并对地面综合测试台系统从总体方案设计、系统硬件设计、系统可靠性及电磁兼容性设计及试验测试结果等四个方面进行了全面论述。论文对系统设计和调试过程中的关键技术进行了充分的分析,并提出了解决方法。具体概括如下:(1)利用有限状态机(FSM)实现了主控功能,与基于微处理器的方案相比,执行速度可预测性强,系统体积小,便于FPGA实现;(2)提出了采用FSM状态编码及嵌入式逻辑分析仪(Signaltap)实现主控模块及FPGA内部模块关键信号状态实时监控方法,加快了系统调试速度;(3)实现了基于FPGA的DDS(Direct Digital Synthesis,直接频率合成)模拟信号源,该方案优点是波形参数调整灵活,只需要软件在DAC之前调整数字量信号,不需调整模拟量增益,提高了系统的抗干扰性及温漂稳定性,且存储深度大;(4)数字量测试模块包括8路数字量信号源及8路PCM码采编单元。数字量信号源码率、帧周期、帧长度等参数均可通过控制软件设置,符合RS232数据帧格式;(5)利用多个数据缓冲FIFO模块及通道编码技术解决了多路参数独立的PCM码流无缝传输的难题。本文还分析了测试台系统中的干扰来源,并针对样机调试过程中出现的电磁干扰问题,对电源模块、印制电路板及某些关键信号进行了电磁兼容设计;最后对系统所完成的试验结果及波形进行了比较分析,证明了系统总体方案设计和可靠性方案是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状及发展简况
• 1.2.2 国内研究现状及发展简况
• 1.3 新一代FPGA 器件及其系统设计技术
• 1.3.1 FPGA 的发展趋势
• 1.3.2 FPGA 器件在自动测试系统中的应用
• 1.3.3 FPGA 系统设计技术
• 1.4 论文主要研究内容及创新点
• 2. 总体方案设计
• 2.1 系统技术指标要求
• 2.2 课题涉及的技术难点及实现途径
• 2.3 系统方案设计
• 2.3.1 方案选择
• 2.3.2 系统结构框图
• 2.3.3 系统工作原理
• 2.4 本章小结
• 3. 主控模块设计
• 3.1 主控模块工作原理
• 3.2 主控FSM 设计
• 3.2.1 主控FSM 时序及状态转换图
• 3.2.2 毛刺、竞争现象以及剩余状态处理
• 3.2.3 FSM 在线调试技术研究
• 3.3 USB 接口模块设计
• 3.3.1 USB 接口硬件电路设计
• 3.3.2 USB 接口模块设计
• 3.4 本章小结
• 4. 数字量模块设计
• 4.1 系统结构框图
• 4.2 信号源单元设计
• 4.2.1 信号源发送时钟设计
• 4.2.2 信号源系统结构
• 4.3 采编单元设计
• 4.3.1 PCM 解码模块设计
• 4.3.2 异步FIFO 模块设计
• 4.4 本章小结
• 5. 模拟量模块设计
• 5.1 系统结构框图
• 5.2 单路信号发生器单元设计
• 5.3 模拟量模块FPGA 逻辑设计
• 5.4 本章小结
• 6. 系统可靠性设计及电磁兼容设计
• 6.1 系统可靠性设计
• 6.2 系统电磁兼容设计
• 6.2.1 电磁干扰分析
• 6.2.2 电磁兼容设计
• 6.2.3 在高速电路的应用
• 6.3 本章小结
• 7. 试验及应用情况
• 7.1 数字量测试结果
• 7.2 模拟量测试结果
• 7.3 应用情况
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢