基于SOPC的组合导航计算机的研究与实现
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。
Navigation Computer System has the features of high efficiency, low cost, low power consumption, high abundant interfaces, and responds to the requirements of accuracy, high stability and real-time. With these features and requirements of system, the design of the Integrated Navigation Computer System based on Xilinx Spartan3E 1600E FPGA and TMS3206713 DSP and applied SOPC technology is proposed.
Firstly, this paper presents the Background and Significance of this topic, and illustrates the developments of Integrated Navigation Computer System and the trends in future. Then, analysising the status、main characteristics、design process and basic principles of SOPC technology. And then introduces the overall design of the system based on SOPC.
Then, by writing a Xilinx Board Description (XBD) file based on this platform, a SOPC minimum system is constituted. In this system, many hardware controllers used to realize a navigation computer with the way of IP core is applied to, include CAN controller IP core, GPS Serial Communication IP core, data acquisition IPcore of gyroscope, accelerometer, milemeter, height meter, and IP core of communicating with FPGA and DSP.
After that, a software programmer is designed to achive the function of data acquristion of UART, CAN, gyroscope, accelerometer, milemeter, height miter. These data is sent to DSP processor by FSL bus interface or to PC and CAN equipment by serial port and CAN interface.
At last, the interfaces of the integrated navigation computer System is tested and valided.
The navigation computer system which is based on SOPC has the characteristicsed of flexibility, scalability, small volume, which is meeted to the future direction of the integrated navigation computer system and laid a good foundation to the further development and application.
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。
Navigation Computer System has the features of high efficiency, low cost, low power consumption, high abundant interfaces, and responds to the requirements of accuracy, high stability and real-time. With these features and requirements of system, the design of the Integrated Navigation Computer System based on Xilinx Spartan3E 1600E FPGA and TMS3206713 DSP and applied SOPC technology is proposed.
Firstly, this paper presents the Background and Significance of this topic, and illustrates the developments of Integrated Navigation Computer System and the trends in future. Then, analysising the status、main characteristics、design process and basic principles of SOPC technology. And then introduces the overall design of the system based on SOPC.
Then, by writing a Xilinx Board Description (XBD) file based on this platform, a SOPC minimum system is constituted. In this system, many hardware controllers used to realize a navigation computer with the way of IP core is applied to, include CAN controller IP core, GPS Serial Communication IP core, data acquisition IPcore of gyroscope, accelerometer, milemeter, height meter, and IP core of communicating with FPGA and DSP.
After that, a software programmer is designed to achive the function of data acquristion of UART, CAN, gyroscope, accelerometer, milemeter, height miter. These data is sent to DSP processor by FSL bus interface or to PC and CAN equipment by serial port and CAN interface.
At last, the interfaces of the integrated navigation computer System is tested and valided.
The navigation computer system which is based on SOPC has the characteristicsed of flexibility, scalability, small volume, which is meeted to the future direction of the integrated navigation computer system and laid a good foundation to the further development and application.
引文
[1]张岩.激光陀螺捷联惯导系统数据采集电路分析与设计[D].湖南：国防科学技术大学,2005
[2]王东卫.SOPC+DSP6713构成的复合惯导计算机系统设计与实现[D].黑龙江：哈尔滨工程大学,2008
[3]夏辉.基于DSP的导航计算机硬件设计[D].湖南：国防科学技术大学,2004
[4]马云峰.MSINS/GPS组合导航系统及其数据融合技术研究[D].福建：东南大学,2006
[5]金红新.基于DSP的导航计算机研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学,2008
[6]李海洋.基于DSP和FPGA的多功能嵌入式导航计算机系统设计[D].江苏：南京航空航天大学,2005
[7]栗瑞江.低成本SINS_GPS组合导航系统研究[D].陕西：西北工业大学,2001
[8]罗晖,郭少军,胡绍民.激光陀螺仪频率稳定度高精度测量系统的研制[J].天津：中国惯性技术学,2005,6(13)：86-89
[9]太松月.光纤陀螺捷联惯性导航系统标定测试技术研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学,2007
[10]简方军.一种基于平台的SoPC软硬件协同设计与实现[D].北京：中国科学院计算技术研究所,2006
[11]王骞.基于SOPC的平板显示技术中几个关键问题的研究[D].北京：中国科学院计算技术研究所,2006
[12]何宾.SOPC原理及应用[M].北京：清华大学出版社,2009
[13]邱吉冰.SOPC嵌入式导航计算机研制[D].江苏：南京航空航天大学,2007
[14]杨浩强.基于EDK的FPGA嵌入式系统开发[M].北京：机械工业出版社,2008
[15]邵舒渊,卢选民.SOPC系统设计入门教程[M].陕西：西北工业大学出版社,2010
[16]龙达峰.基于SOPC技术的弹载组合导航系统的应用研究[D].山西：中北大学,2008
[17]刘泽.基于多加速度计车载组合导航系统设计[D].湖南：湖南大学,2010
[18]沈涛,李传志,张小平.Xilinx FPGA/CPLD设计初级教程[M].陕西：西安电子科技大学出版社,2009
[19]李玉寰.基于DSP和FPGA的机载导航计算机设计[M].江苏：南京理工大学,2010
[20]何宾.Xilinx可编程逻辑器件技术详解[M].北京：清华大学出版社,2010
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[23]赵峰,马迪铭.FPGA上的嵌入式系统设计实例[M].陕西：西安电子科技大学出版社,2008
[24]徐立杰.基于MicroBlaze的嵌入式接口设计[D].四川：成都理工大学,2009
[25]田耕.Xilinx ISE Design Suit 10.xFPGA开发指南——DSP、嵌入式与高速传输篇[M].北京：人民邮电出版社,2008
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