论文摘要
随着航天技术的不断发展,航天产品的复杂程度和现代化程度不断提高,使其日益依赖于试验和测试手段。计算机网络技术和分布式处理技术的发展,为研究先进的实时分布式机载试飞测试系统提供了良好的条件。机载试飞测试系统有别于其它测试系统,通常采用分布式的构架,而且对系统总线的要求相当苛刻,它不仅要求总线上的数据传输有实时性,而且对带宽的要求也比较高。因此国内外的不少试飞测试系统都是采用专用的总线,这些专用的总线,技术保密、没有采用通用的传输介质,给用户的功能扩展及系统集成带来麻烦。以太网是时下比较流行和实用的数据传输方式,虽然它具有数据传输冲突的问题,但可以通过分时传输机制来解决。解决了数据传输冲突的以太网完全可以胜任飞机试飞测试,而且以太网技术比较成熟、速度快、成本低廉、通用性强,为试飞测试系统的发展提供了良好的支持。本课题研究的分布式试飞测试总线系统就是基于以太网设计的。本课题综合飞机试飞的实际要求,以以太网技术、分布式技术、时钟同步技术、总线技术和FPGA技术为基础,提出了一种分布式试飞测试总线系统的构架方案,完成通用硬件平台设计及其功能实现。本论文重点解决通用的FPGA硬件平台的构架、内外总线的定义与设计、数据采集与PCM输出以及时钟同步的设计等问题。论文主要包括以下几个方面:①在深入研究现有的试飞系统的基础上,参照先进的KAM-500试飞系统,提出了一种分布式试飞测试总线系统的体系结构,分析了其硬件系统的构成,完成了系统控制板卡、功能模拟板卡和内总线底板的硬件电路板设计,实现了小型化的试飞测试总线系统的硬件平台。②研究现有测试总线结构的基础上,利用以太网设计外总线,实现采集单元的同步控制与数据传输,并采用分时传输机制,避免数据传输冲突;利用现场总线思想设计内总线,实现采集单元内数据传输,内总线设计用硬件模块实现,使数据传输达到更高实时性和更小的抖动。这样的总线结构大大提高了系统的可扩展性。③系统控制板卡在SOPC系统下,实现本地数据与其它采集单元的数据交换和数据传输的分时控制,并以自定义逻辑的方式实现内总线数据的传输与控制;PCM板卡和AD板卡以硬件功能模块实现数据的采集和输出。④时钟同步也是试飞系统的关键技术,以往的试飞系统都采用IEEE1588标准实现时钟同步,虽然它能达到很好的同步,但它实现比较复杂,特别是在没有操作系统的情况下。本系统的时钟同步在SOPC系统下实现,采用IEEE1588标准的思想,对其进行裁减和改良,使其实现简单。最后对本论文研究的分布式试飞测试总线系统进行了测试。测试结果表明:本文所设计的试飞系统的构架灵活合理;系统硬件合理,通用性强;外总线通信分时控制以及内总线通信的FPGA实现使数据传输更稳定可靠;时钟同步算法精度高,满足系统实时性要求。该系统现已在飞机试飞测试中试用,并取得了很好的效果。
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摘要ABSTRACT1 绪论1.1 试飞测试系统国内外研究现状1.1.1 分布式实时系统研究现状1.1.2 现场总线技术的研究现状1.1.3 时钟同步技术的研究现状1.2 课题来源、研究内容和意义1.2.1 课题来源1.2.2 研究内容和设计目标1.2.3 研究意义1.3 本文结构2 分布式试飞测试总线系统技术简介2.1 分布式系统2.1.1 分布式系统概述2.1.2 分布式系统的结构/分类2.1.3 分布式系统的特征2.2 总线技术2.2.1 总线的基本概念2.2.2 总线操作2.2.3 现场总线2.3 时钟同步2.3.1 网络时间协议NTP2.3.2 简单网络时间协议SNTP2.3.3 IEEE1588 标准2.4 FPGA 技术在试飞系统中的应用2.4.1 FPGA/SOPC2.4.2 NiosⅡ嵌入式处理器2.4.3 Avalon 总线2.4.4 IP 核和自定义逻辑3 分布式试飞测试总线系统硬件设计3.1 分布式试飞测试总线系统分析与设计3.1.1 分布式试飞测试总线系统概述3.1.2 分布式试飞测试总线系统模型3.1.3 分布式试飞测试总线系统体系结构3.1.4 分布式采集单元3.2 系统控制板卡3.2.1 系统控制板卡方案与选型设计3.2.2 系统控制板卡硬件电路设计3.3 功能模拟板卡3.3.1 功能模拟板卡方案与选型设计3.3.2 功能模拟板卡硬件电路设计3.4 内总线底板3.5 本章小结4 分布式试飞测试总线系统的总线设计4.1 总线拓扑结构4.2 内总线4.2.1 内总线设计要求4.2.2 内总线指令格式定义4.2.3 内总线信号端口定义4.2.4 内总线工作原理4.2.5 内总线工作时序4.3 外总线4.3.1 外总线设计要求4.3.2 外总线网络体系结构4.3.3 以太网控制器DM9000A 驱动4.4 本章小结5 分布式试飞测试总线系统各板卡功能设计5.1 系统控制板卡功能设计5.1.1 系统控制板卡功能体系结构5.1.2 系统控制板卡工作流程5.1.3 系统控制板卡系统配置信息定义5.1.4 自定义内总线逻辑设计5.1.5 外总线功能设计5.2 PCM 板卡功能设计5.2.1 PCM 板卡功能体系结构5.2.2 PCM 板卡功能配置信息定义5.2.3 PCM 板卡工作流程5.2.4 PCM 板卡各功能模块设计5.3 AD 板卡功能设计5.3.1 AD 板卡功能体系结构5.3.2 AD 板卡功能配置信息定义5.3.3 AD 板卡工作流程5.3.4 AD 板卡各功能模块设计5.4 采集单元的同步5.4.1 试飞系统的时间定义5.4.2 IEEE1588 标准同步原理5.4.3 IEEE1588 标准的精简与同步的实现5.4 本章小结6 系统功能实现与验证6.1 系统的验证平台的搭建6.1.1 系统控制板卡的SOPC 构架6.1.2 PCM 板卡的FPGA 构架6.1.3 AD 板卡的FPGA 构架6.2 系统性能测试与分析6.2.1 内总线性能测试与分析6.2.2 外总线性能测试与分析6.2.3 时钟同步性能测试与分析6.2.4 PCM 性能测试与分析6.2.5 AD 性能测试与分析6.3 本章小结7 总结与展望致谢参考文献附录
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