赛灵思Spartan-3AN FPGA在弹上信息处理机中的应用

CPU选择

　　4M 1553B总线数据的采集，由4M总线智能通讯接口管理，经CPU接收、组包，再回到4M总线，发送至FPGA进行采集。CPU选择Atmel公司的AT91FR40162S, 内部自带256KB的SRAM和容量为2M x 8b FLASH存储器，主频最高可达75MHz。该ARM的等待电路由硬件等待逻辑产生，在FPGA内部实现。ARM外部中断源主要有：4M 1553B通讯控制器中断;20ms缓冲区切换中断。其中，4M 1553B通讯控制器中断信号经过FPGA整形后送入ARM。20ms缓冲区切换中断提供给FPGA内部各个同步、异步通讯IP组帧状态机用于缓冲区切换。

3路输入数字量接口

　　3路输入数字量，码速率分别为：1.28Mbps、115.2Kbps、38.4Kbps的数据流，数据流在FPGA内部经过串并转换将接收的数据存储在数据缓冲区A和数据缓冲区B中，再经过状态控制机来控制数据的不断更新。

　　同步422接口输出

　　采用两路单向RS422同步串行通讯接口，差分传输，一路为串行数据，一路为时钟数据 ，采用双线制传输。输出码速率2.56Mbps，15位加扰。

　　FPGA设计

　　当3 路输入数字量的数据流和4M的1553数据在20ms的时间内传输时，所需的内存约为10KB。

　　缓冲区存储切换有2种方式：

　　1)当1.28M的同步串行接口接收的数据个数达到64x100时切换;

　　2)由内部的20ms定时器切换。

　　因此当ARM异常后，能够确保除4M总线数据之外的其它通道正常输出。当1.28M的同步串行接口异常后，FPGA内的状态机自动切换到内部的20ms定时器进行切换。FPGA设计及IP核通过SPARTAN3AN集成开发环境进行仿真验证。

　　FPGA选用Xilinx公司的SPARTAN3AN系列的XC3S700AN-4FG484，电压1.2~3.3V，电流50mA~2A,主频最高达70MHz以上。

　　地面单元测试仪的设计

　　单元测试仪(图2)主要完成对信息处理机各种功能和参数的测试，模拟产生弹上机的所有输入信号，并测试其所有输出信号，可用于信息处理机的生产调试、出厂测试和外厂维修。

　　单元测试仪由便携式工控机内插相应PCI板卡和相应软件程序组成，PCI板卡为1块COM通讯测试板卡，其主要实现和弹上高速内总线4Mbps(或以上)1553B总线接口，在软件的控制下，向弹上发送各种测试命令、并接收弹上机的测试结果。

　系统实现

　　信息处理机的系统工作流程见图3，具体包括：

　　(1)上电复位及初始化

　　上电后，FPGA和ARM同时复位，进行初始化过程，其中FPGA初始化中， FPGA内部寄存器和逻辑状态的初始值、内部缓冲区数据清零依靠复位信号来完成，其中的“FPGA参数设定”由监控程序负责执行或由FPGA使用缺省参数完成。

　　如果上电或复位时出现问题，FPGA使用缺省参数自动初始化所有参数并自动进行后续工作。

　　(2)20ms缓冲区切换信号同步

　　完成初始化后，FPGA内部的“20ms缓冲区切换信号”生成逻辑，自动执行和“1.28M同步输入串口”的同步过程，同步过程中不向外发送任何数据，一旦同步后，会给出同步锁定信号Sync Locked=“1”，所有通道的数据采集工作均开始，进入遥测信息接收过程。

　　(3)遥测信息接收

　　通道的数据采集都以FPGA内部产生的“20ms缓冲区切换信号SwitchBuf”为20ms周期标志进行缓冲区的切换(双端口)，分别为A,B两个缓冲区。

　　1.28M通道在20ms内应完成32x100=3200 Bytes的数据接收。并根据字计数器反转当前的SwitchBuf信号。

　　4M 1553B通道应由ARM完成4M 1553B总线遥测数据的接收、过滤、打包，形成20ms内约1500 Bytes的遥测数据包填入分配给它的包缓冲区，由FPGA自动生成对应的包长度信息放入一个包长度FIFO中。此后，ARM重新开始下一20ms数据接收工作，，如此反复循环下去。组帧状态机(MFSTM)在组帧过程中，一旦发现包长度FIFO不空，就从包缓冲区FIFO中读取对应长度的数据包，按照规定格式和位置填入数据融合表。

　　38.4K异步串行输入通道由FPGA的UART IP核完成串行输入数据的接收，IP核根据字间隔是否超过2个字的接收时间来判断是否完成一帧的接收，原理和1553总线数据的接收相同。

　　115.2K异步串行输入通道由FPGA的UART IP核完成串行输入数据的接收.缓冲区由一个FIFO组成。组帧状态机会随时查询该FIFO空满状态，若不空，则就开始连续的读取过程，每间隔200μs从FIFO中读取一个数据并按照规定格式和位置填入数据融合表,直到该FIFO的数据取完为止，若为空，则新帧对应通道的位置数据填零。

(4)组帧

　　组帧工作即遥测数据的数据融合，将各路遥测信息按照给定的数据融合格式组织成一个完整的100帧(1帧200us，100帧20ms)格式进行发送，该功能由设计在FPGA内部“组帧状态机(MFSTM)IP”完成。

　　(5)数据融合表

　　上电复位后，组帧状态机MFSTM等待同步锁定信号Sync Locked=“1”后开始工作，并根据20ms缓冲区切换信号SwitchBuf进行周期性的切换。按照数据融合表设计好的顺序依次访问1.28M同步输入串口缓冲区、4M 1553B总线数据缓冲区、115.2K异步输入串口缓冲区、38.4K异步输入串口缓冲区等等，并读取指定数量的数据依次填入本次20ms的数据融合表中，重复100次，从而完成表中1～100行数据的填写。数据融合表的数据结构设计成FIFO, 使用FIFO可以平衡快速的组帧状态机和慢速的发送状态机之间的速度差异，使发送的数据流保持在2.56Mbps的波特率之下，持续发送。
(6)发送

　　数据融合表的发送则由“发送状态机(SendSTM) IP”完成。它以数据融合表FIFO、2.56M发送时钟为输入，一旦启动就不再停止。发送状态机首先查询数据融合表FIFO, 若FIFO为空，则等待;若FIFO不空，则以2.56M/8的固定时钟频率持续读取数据融合表FIFO的数据，再送入“15段加扰器”进行加扰，加扰后的数据和时钟经RS-422驱动电路转化为RS-422差分形式发送给加密器，即2.56M输出。

　　(7)1.28M同步输入串口故障检测

　　FPGA中的故障检测单元(FDU)负责检测1.28M同步输入串口的输入信号是否正常。当故障检测单元FDU发现1.28M同步输入串口产生的SwitchBuf信号的周期和晶振产生的20ms时钟周期误差超过△T(如±2ms)，则认为1.28M同步输入串口故障，立即将SwitchBuf信号切换到由晶振分频产生的20ms时钟上。

　　系统仿真

　　以下为相关软件对系统主要功能进行的仿真：

数据融合表的结构为100行，64列，第1-32列为高速同步接口数据，第33-50列为总线数据，第51、52列分别为115.2K、38.4K接口数据，还有少量模拟量数据、全帧计数、同步码组等。

　　由于组帧速度远比读出速度快，所以分两个图显示。

　　　　结语

　　用FPGA代替常规处理器实现多路数据的采集、融合并实时发送，利用FPGA丰富的可编程逻辑资源和内部存储器进行逻辑设计，大大减少了外围元器件种类和数量，提高了系统的处理和I/O带宽。

　　同时，FPGA在航天领域的应用也推动了可编程技术的发展。
参考文献：
　　[1] Spartan-3AN FPGA Family Data Sheet. Xilinx公司，DS557, 2007
　　[2] 孙航.Xilinx可编程逻辑器件的高级应用与设计技巧.北京电子工业出版社, 2009
　　[3] 刘蕴才. 遥测遥控系统(第一版)北京：国防工业出版社, 2000
　　[4] 薛小刚等.EDA先锋工作室.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD设计指南. 人民邮电出版社, 2007
　　[5] 刘明业等.集成电路/计算机硬件描述语言VHDL高级教程.清华大学出版社, 2003