FPGA多接口功能在航姿計算機中的應用

引言
捷聯(lián)慣導中的航姿計算機實(shí)現數字平臺導航，需要在復雜運算的同時(shí)還能夠高速、準確地完成多種傳感器測量數據的采集以及航姿結果和系統狀態(tài)的傳送。通常的做法都是用一片或多片 DSP芯片來(lái)完成,但是當數據接口較多而且數據傳輸頻率較高時(shí)，這類(lèi)系統的實(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)現多模塊并行工作，而且可以達到較高的工作頻率。另外，用 FPGA 設計航姿計算機，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、升級方便、VHDL 設計電路可復用等。本文詳細介紹了在接口較多的航姿計算機中，怎樣設計 FPGA使得多種通訊接口功能都能實(shí)時(shí)可靠地實(shí)現，具有實(shí)際工程意義。
1系統總體設計
圖 1為該捷聯(lián)航姿系統的硬件結構框圖。該系統需要高速、實(shí)時(shí)地采集多種傳感器（包括大氣傳感器、IMU、磁羅盤(pán)）的測量數據，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信息發(fā)往多個(gè)設備（包括飛參記錄儀、顯示儀表和DS）發(fā)送。采集數據需要同時(shí)用到的接口包括ARINC429、RS422、SPI、與 DSP并行接口等多種接口；如此多數量、多種類(lèi)的接口的完成還必須保證準確性和實(shí)時(shí)性。這整個(gè)系統的時(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(zhuān)門(mén)用于航姿解算。本系統中選用的 FPGA芯片為 ACTEL公司 PA系列中的 APA300芯片，用 VHDL語(yǔ)言在 LibroIDE環(huán)境下對該芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2多種工業(yè)接口的 FPGA實(shí)現
（1）RS422通訊接口。RS422標準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準。該航姿計算機需要用 RS422接口與IMU、大氣傳感器、磁羅盤(pán)、無(wú)線(xiàn)電航表等六個(gè)外部設備通訊。由于 RS422可以支持雙工工作模式，為了充分利用資源，因此設計了四個(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(guò) FPAG控制 MAX3140芯片得以實(shí)現（如圖2）；同時(shí)出于設計效率的考慮，只設計了一個(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)模塊的結構完全相同，但是在頂層實(shí)體中施加不同的控制，就實(shí)現了兩個(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(guò)控制和監測 UART的五個(gè)管腳（SCLK數據接收時(shí)鐘、CS片選信號、DIN控制數據輸入、IRQ中斷、DOUT數據輸出），完成對芯片的上電自檢和對信號的接收發(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)現了上述多路信號的接收和發(fā)送。