基于DSP和FPGA的机载导航计算机设计

论文摘要

本文针对应用于军用直升机上的Doppler/SINS组合导航系统对导航计算机高精度、高性能的要求,设计出一种基于DSP（TMS320C6713）和FPGA （Spartan-3E XC3S500E）协同合作的机载导航计算机系统。在分析Doppler/SINS组合导航系统模型的特点和系统对导航计算机的需求后,提出了基于DSP和FPGA的机载导航计算机整体设计方案,该方案采用DSP负责导航解算,利用FPGA强大的内部资源扩展系统的通信接口,完成外围通信模块控制信号的整合。在导航计算机整体设计方案,包括硬件设计方案和软件设计方案确立的基础上,首先对DSP和FPGA芯片进行选型,其次对实现各个功能模块的关键技术进行研究和开发,包括基于FPGA的数据通信模块、基于DSP的处理器模块以及数据存储模块,开发过程中做了大量的仿真和验证,最后对系统进行综合测试和联调,并进行了地面跑车实验。实验结果证明：系统能够实时采集IMU角速率和加速度、Doppler雷达的速度等信息,能够对IMU、Doppler、GPS、航姿系统、高度表等信息进行导航解算,生成当前位置、姿态等导航数据,并能够完成与机载电子设备间的数据通信与控制。多次的联调和跑车实验结果证明,机载导航计算机达到了预期设计的目的,可以有效提高导航系统的运算精度,实现了高性能、小体积、低成本的要求,系统具有较高的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 导航计算机发展现状
• 1.3 本课题研究的目的、意义及主要内容
• 2 机载导航计算机整体设计
• 2.1 引言
• 2.2 Doppler/SINS组合导航系统模型
• 2.2.1 捷联惯性导航系统
• 2.2.2 Doppler导航系统
• 2.2.3 Doppler/SINS组合导航系统
• 2.3 Doppler/SINS组合导航系统对导航计算机的现实需求
• 2.3.1 功能需求
• 2.3.2 性能需求
• 2.4 基于DSP和FPGA的导航计算机系统方案设计
• 2.4.1 导航计算机总体方案设计
• 2.4.2 导航计算机硬件方案设计
• 2.4.3 导航计算机软件方案设计
• 2.4.4 DSP和FPGA芯片的选型
• 2.5 DSP和FPGA开发分析
• 2.5.1 DSP的特点及设计流程
• 2.5.2 FPGA的特点及设计流程
• 2.6 本章小结
• 3 基于FPGA的数据通信模块设计
• 3.1 引言
• 3.2 通用异步串行接口（UART）设计
• 3.2.1 异步串行通信标准
• 3.2.2 UART总体设计
• 3.2.3 波特率发生器
• 3.2.4 串行数据发送模块
• 3.2.5 串行数据接收模块
• 3.2.6 FIFO模块
• 3.2.7 UART时序仿真
• 3.3 ARINC429通信模块设计
• 3.3.1 ARINC429数据总线传输协议
• 3.3.2 ARINC429总线接口的硬件设计
• 3.3.3 ARINC429通信模块软件开发
• 3.3.4 ARINC429时序仿真
• 3.4 MIL-STD-1553B通信模块设计
• 3.4.1 MIL-STD-1553B数字总线传输协议
• 3.4.2 MIL-STD-1553B总线接口的硬件设计
• 3.4.3 MIL-STD-1553B通信模块软件开发
• 3.4.4 MIL-STD-1553B时序仿真
• 3.5 本章小结
• 4 DSP模块设计
• 4.1 引言
• 4.2 DSP模块功能结构
• 4.3 DSP外部存储器接口设计
• 4.3.1 DSP和FPGA接口的硬件设计
• 4.3.2 DSP和SDRAM接口的硬件设计
• 4.3.3 DSP和FLASH接口的硬件设计
• 4.3.4 EMIF接口的配置
• 4.4 DSP外围电路设计
• 4.4.1 电源设计
• 4.4.2 时钟设计
• 4.4.3 JTAG仿真口设计
• 4.5 本章小结
• 5 系统综合测试、实验结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 系统综合测试
• 5.2.1 串行通信模块测试与结果
• 5.2.2 ARINC429总线通信测试与结果
• 5.2.3 数据存储模块测试与结果
• 5.3 跑车实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文所做的工作
• 6.2 后续工作及研究方向
• 致谢
• 参考文献