分布式试飞测试总线系统的硬件设计与实现

摘要

随着航天技术的不断发展，航天产品的复杂程度和现代化程度不断提高，使其日益依赖于试验和测试手段。计算机网络技术和分布式处理技术的发展，为研究先进的实时分布式机载试飞测试系统提供了良好的条件。机载试飞测试系统有别于其它测试系统，通常采用分布式的构架，而且对系统总线的要求相当苛刻，它不仅要求总线上的数据传输有实时性，而且对带宽的要求也比较高。因此国内外的不少试飞测试系统都是采用专用的总线，这些专用的总线，技术保密、没有采用通用的传输介质，给用户的功能扩展及系统集成带来麻烦。
　　以太网是时下比较流行和实用的数据传输方式，虽然它具有数据传输冲突的问题，但可以通过分时传输机制来解决。解决了数据传输冲突的以太网完全可以胜任飞机试飞测试，而且以太网技术比较成熟、速度快、成本低廉、通用性强，为试飞测试系统的发展提供了良好的支持。本课题研究的分布式试飞测试总线系统就是基于以太网设计的。
　　本课题综合飞机试飞的实际要求，以以太网技术、分布式技术、时钟同步技术、总线技术和FPGA技术为基础，提出了一种分布式试飞测试总线系统的构架方案，完成通用硬件平台设计及其功能实现。本论文重点解决通用的FPGA硬件平台的构架、内外总线的定义与设计、数据采集与PCM输出以及时钟同步的设计等问题。论文主要包括以下几个方面：
　　①在深入研究现有的试飞系统的基础上，参照先进的KAM-500试飞系统，提出了一种分布式试飞测试总线系统的体系结构，分析了其硬件系统的构成，完成了系统控制板卡、功能模拟板卡和内总线底板的硬件电路板设计，实现了小型化的试飞测试总线系统的硬件平台。
　　②研究现有测试总线结构的基础上，利用以太网设计外总线，实现采集单元的同步控制与数据传输，并采用分时传输机制，避免数据传输冲突；利用现场总线思想设计内总线，实现采集单元内数据传输，内总线设计用硬件模块实现，使数据传输达到更高实时性和更小的抖动。这样的总线结构大大提高了系统的可扩展性。
　　③系统控制板卡在SOPC系统下，实现本地数据与其它采集单元的数据交换和数据传输的分时控制，并以自定义逻辑的方式实现内总线数据的传输与控制；PCM板卡和AD板卡以硬件功能模块实现数据的采集和输出。
　　④时钟同步也是试飞系统的关键技术，以往的试飞系统都采用IEEE1588标准实现时钟同步，虽然它能达到很好的同步，但它实现比较复杂，特别是在没有操作系统的情况下。本系统的时钟同步在SOPC系统下实现,采用IEEE1588标准的思想，对其进行裁减和改良，使其实现简单。
　　最后对本论文研究的分布式试飞测试总线系统进行了测试。测试结果表明：本文所设计的试飞系统的构架灵活合理；系统硬件合理，通用性强；外总线通信分时控制以及内总线通信的FPGA实现使数据传输更稳定可靠；时钟同步算法精度高，满足系统实时性要求。该系统现已在飞机试飞测试中试用，并取得了很好的效果。

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目录

1 绪 论

1.1试飞测试系统国内外研究现状

1.2课题来源、研究内容和意义

1.3本文结构

2分布式试飞测试总线系统技术简介

2.1分布式系统

2.2总线技术

2.3时钟同步

2.4 FPGA技术在试飞系统中的应用

3 分布式试飞测试总线系统硬件设计

3.1分布式试飞测试总线系统分析与设计

3.2系统控制板卡

3.3功能模拟板卡

3.4内总线底板

3.5本章小结

4 分布式试飞测试总线系统的总线设计

4.1总线拓扑结构

4.2内总线

4.3外总线

4.4本章小结

5 分布式试飞测试总线系统各板卡功能设计

5.1系统控制板卡功能设计

5.2PCM板卡功能设计

5.3 AD板卡功能设计

5.4采集单元的同步

5.4本章小结

6 系统功能实现与验证

6.1系统的验证平台的搭建

6.2系统性能测试与分析

6.3本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录