FPGA多接口功能在航姿計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

引言
捷聯(lián)慣導(dǎo)中的航姿計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字平臺(tái)導(dǎo)航，需要在復(fù)雜運(yùn)算的同時(shí)還能夠高速、準(zhǔn)確地完成多種傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的采集以及航姿結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)的傳送。通常的做法都是用一片或多片 DSP芯片來完成,但是當(dāng)數(shù)據(jù)接口較多而且數(shù)據(jù)傳輸頻率較高時(shí)，這類系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就難以得到保證；而 FGPA具有豐富的硬件資源，能夠真正實(shí)現(xiàn)多模塊并行工作，而且可以達(dá)到較高的工作頻率。另外，用 FPGA 設(shè)計(jì)航姿計(jì)算機(jī)，還具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：低成本、低功耗、小體積、可重新編程、升級(jí)方便、VHDL 設(shè)計(jì)電路可復(fù)用等。本文詳細(xì)介紹了在接口較多的航姿計(jì)算機(jī)中，怎樣設(shè)計(jì) FPGA使得多種通訊接口功能都能實(shí)時(shí)可靠地實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)際工程意義。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖 1為該捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)需要高速、實(shí)時(shí)地采集多種傳感器（包括大氣傳感器、IMU、磁羅盤）的測(cè)量數(shù)據(jù)，以及一些有關(guān)的模擬量，用于 DSP中高精度的航姿解算，同時(shí)也需要將航姿信息和系統(tǒng)信息發(fā)往多個(gè)設(shè)備（包括飛參記錄儀、顯示儀表和DS）發(fā)送。采集數(shù)據(jù)需要同時(shí)用到的接口包括ARINC429、RS422、SPI、與 DSP并行接口等多種接口；如此多數(shù)量、多種類的接口的完成還必須保證準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。這整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序、邏輯控制都是由 FPGA完成的，DSP（選用 TI公司的TMS320C6713）作為從處理器專門用于航姿解算。本系統(tǒng)中選用的 FPGA芯片為 ACTEL公司 PA系列中的 APA300芯片，用 VHDL語言在 LibroIDE環(huán)境下對(duì)該芯片進(jìn)行開發(fā)。

2多種工業(yè)接口的 FPGA實(shí)現(xiàn)
（1）RS422通訊接口。RS422標(biāo)準(zhǔn)是利用差分傳輸方式提高通信距離和可靠性的一種通信標(biāo)準(zhǔn)。該航姿計(jì)算機(jī)需要用 RS422接口與IMU、大氣傳感器、磁羅盤、無線電航表等六個(gè)外部設(shè)備通訊。由于 RS422可以支持雙工工作模式，為了充分利用資源，因此設(shè)計(jì)了四個(gè)完全相同的并行的接口模塊，其中每一個(gè)接口模塊都是通過 FPAG控制 MAX3140芯片得以實(shí)現(xiàn)（如圖2）；同時(shí)出于設(shè)計(jì)效率的考慮，只設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的實(shí)體，而讓每一個(gè)控制模塊都作為該實(shí)體的一個(gè)實(shí)例。這樣，雖然這四個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)完全相同，但是在頂層實(shí)體中施加不同的控制，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)單工和兩個(gè)雙工的工作模式。該通用的實(shí)體按照 MAX3140的工作時(shí)序圖，通過控制和監(jiān)測(cè) UART的五個(gè)管腳（SCLK數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘、CS片選信號(hào)、DIN控制數(shù)據(jù)輸入、IRQ中斷、DOUT數(shù)據(jù)輸出），完成對(duì)芯片的上電自檢和對(duì)信號(hào)的接收發(fā)送；頂層實(shí)體并行地控制四個(gè)實(shí)體的工作，從而互不影響地實(shí)現(xiàn)了上述多路信號(hào)的接收和發(fā)送。