基于SOPC技术的FY-3湿度计数控单元设计与实现

论文摘要

FY-3卫星是我国新一代极轨气象卫星,微波湿度计（MWHS）是FY-3卫星中重要载荷之一,数控单元是风云三号卫星微波湿度计（MWHS）的重要组成部分。它对信号进行采集和数字化处理,通过1553B总线与卫星数管单机实现通讯并且根据处理结果与接收命令来控制系统的工作状态。随着微电子工业的不断发展和FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列）技术的不断提高,片上可编程系统（SOPC,System On a Programmable Chip）技术逐渐成为嵌入式系统技术发展的新方向。论文课题在认真深入地调研了国内外SOPC领域的资料后,选择了开放源代码的MC8051软核处理器,通过硬件设计和软件编程,以FPGA片上可编程系统的形式实现了风云三号卫星微波湿度计数控单元的设计。论文简要介绍了风云三号卫星微波湿度计的系统组成及功能、1553B总线通讯的协议以及通讯接口芯片BU-65170。说明了MC8051软核处理器的基本结构特点,及开发设计方法。重点阐述了FPGA片上系统与外围接口的硬件层次结构和设计过程,以及应用软件的设计方案与程序流程。最后给对以开发板与接口板为基础组成完整系统进行仿真调试,验证了设计的可行性。相对于传统的设计方案而言,本课题所采用的SOPC系统解决方案减少了器件数目、提高了系统的集成度和可靠性。使系统易实现、易升级、易移植,具有较强的适应性和可扩展性,达到了风云三号卫星微波湿度计对数控单元的各项功能要求。本课题研究成果能为风云三号微波湿度计系统将来采用SOPC技术积累了一定的经验和技术基础,具有较好借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 本课题的项目背景
• 1.2 本课题的意义和任务
• 1.3 论文的组织结构
• 第2章 微波湿度计系统的设计与工作原理分析
• 2.1 风云三号卫星微波湿度计的系统组成与功能
• 2.2 微波湿度计工作流程
• 2.3 风云三号卫星微波湿度计扫描方式介绍
• 2.4 数控单元功能需求分析
• 2.4.1 工作状态控制功能
• 2.4.2 数据采集功能
• 2.5 1553B 总线通讯协议和原理介绍
• 2.5.1 远置终端
• 2.5.2 物理层通讯协议
• 2.5.3 通讯过程简述
• 2.6 1553B 总线控制芯片原理介绍
• 第3章 SOPC 技术与8051 软核处理器
• 3.1 SOPC 及其技术
• 3.2 IP 软核与硬核
• 3.3 8051 处理器IP 软核设计介绍
• 3.3.1 功能特点
• 3.3.2 顶层结构
• 3.3.3 设计层次
• 3.3.4 硬件配置
• 3.3.5 其它说明
• 3.4 8051 处理器IP 存储模块的设计
• 3.4.1 Xilinx IP core
• 3.4.2 Core Generator 基本方法
• 3.4.3 制作初始化文件
• 3.4.4 更新mc8051 core 的顶层源文件
• 3.4.5 IP Core 的综合
• 第4章 湿度计数控单元的硬件设计
• 4.1 FPGA 与开发板
• 4.2 FPGA 外部接口板设计
• 4.2.1 LVDS 接口设计
• 4.2.2 LVTTL 与COMS 电平转换
• 4.2.3 其它接口
• 4.3 在FPGA 中数管与通讯单元的设计
• 4.3.1 湿度计测控模块
• 4.3.2 天线驱动接口
• 4.3.3 总线通讯模块
• 4.3.4 数据中转
• 4.4 FPGA 的内部时钟系统设计
• 4.4.1 DCM 的使用
• 4.4.2 全局时钟资源与第二全局时钟资源
• 4.4.3 片内时钟设计时的几个问题
• 4.5 FPGA 综合与适配
• 第5章 湿度计数控单元的软件设计
• 5.1 数管系统软件
• 5.1.1 软件流程
• 5.1.2 软件接口设计
• 5.2 总线通讯软件
• 5.2.1 软件结构
• 5.2.2 软件流程
• 5.2.3 bu-65170 的初始化设置
• 第6章 仿真与调试
• 6.1 仿真与调试工具
• 6.2 调试系统组成
• 6.3 时钟系统
• 6.4 天线接口部分仿真
• 6.5 数据中转部分
• 6.6 1553B 接口芯片控制部分
• 第7章 结论
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢
• 附录 FPGA 的引脚约束