基于FPGA的结冰探测系统设计与实现

论文摘要

防除冰技术的应用需求日益广泛，已由最初的航空安全领域逐渐渗透到日常的生产生活，而先进的结冰探测技术是高可靠性结冰防护系统的前提和关键。面对该领域的国外技术封锁以及我国研发起步相对较晚的挑战，我们应不断推进自主创新技术的研究开发，并加快和完善现有技术工程化工作。采用FPGA技术与内嵌硬核或软核处理器构建的SOPC结冰探测系统存在着电路简单可靠、系统工作性能高、功耗和成本低、系统升级不改动电路、硬软件设计平台化、设计开发周期短、市场反应速度快等诸多优势，将FPGA作为系统核心，是现有结冰探测系统优化升级的最佳选择。本论文是基于FPGA平台的结冰探测技术方案的初步研究。首先通过对当前航空数据总线ARINC429技术实现方式的优缺点分析比较，在原有结冰探测系统的基础上提出了完全基于现场可编程门阵列的高度模块化的SOPC集成系统升级架构。在完成系统硬件电路的设计后，采用硬件描述语言设计了系统通信总线ARINC429的发送控制器和接收控制器以及ADC控制器模块，并通过仿真验证了设计正确性。然后以软核嵌入式处理器NIOS II为核心构建了集成上述三个自定义外设的SOPC系统。最后根据结冰探测要求实现系统数据采集及处理、通信控制及转换等基本功能要求。本研究扩大了结冰探测系统的应用共通性，将为提高总体结冰探测技术水平、加快结冰探测技术产品工程化进度提供坚实的技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 结冰探测技术概述
• 1.2 ARINC429 航空总线技术现状
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 结冰探测硬件系统设计
• 2.1 系统模块化原理
• 2.2 电源电路
• 2.3 基于 FPGA 的主模块电路
• 2.4 光纤式结冰传感器收发电路
• 2.5 本章小结
• 3 功能模块实现
• 3.1 ARINC429 通信规范
• 3.2 ARINC429 发送器模块设计
• 3.3 ARINC429 接收器模块设计
• 3.4 ADC 控制器设计
• 3.5 本章小结
• 4 仿真结果和实验
• 4.1 ARINC429 收发器验证
• 4.2 ARINC429 收发器仿真结果
• 4.3 定制 AVALON-MM 外设
• 4.4 NIOS II 实现系统控制和通信
• 4.5 试验结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 术语