基于SoPC的激光陀螺捷联系统硬件平台的设计与实现

摘要

激光陀螺捷联惯导系统是当前船舶导航系统的一个重要发展方向。论文主要研究了平台级FPGA在捷联惯导系统中的应用，提出了基于SoPC的捷联惯导系统硬件平台的构建新方法。
　　 首先，论文介绍了捷联惯导系统和激光陀螺的基本理论，并在此基础上，结合平台级FPGA兼具高性能处理器和可编程逻辑的特点，给出了基于SoPC的激光陀螺捷联惯导系统硬件平台的组成和总体设计方案。
　　 其次，论文根据设计方案，选择Xilinx的Virtex-4 FX20 FPGA作为主芯片，硬件平台的功能控制、数据采集与处理以及通信接口等外设功能都在单一FPGA芯片上实现。详细论述了捷联惯导系统硬件平台电路板的设计，包括FPGA的配置与存储电路、激光陀螺信号采集电路、通信接口电路和供电电源电路等模块，完成了硬件平台的原理图和PCB设计。同时为了满足导航数据处理中大量浮点运算的需求，在FPGA丰富的可编程逻辑中设计了浮点算法处理器，通过辅助处理单元（APU）控制器与PowerPC405处理器接口，结合Xilinx公司提供的EDK软件，在XPS开发环境下，软硬件协同工作，提高了捷联惯导系统硬件平台的整体性能。
　　 最后，论文在完成硬件平台电路板和FPGA片内逻辑的设计后，研究了硬件平台的软件架构和加载方法，对硬件平台的基本参数进行了测试，并针对系统调试过程中出现的几个案例进行分析，最终调试结果达到设计要求。
　　 本硬件平台的设计实现，能够满足捷联惯导系统对高精度和实时性的要求，适应了其高性能和高集成度的发展方向，并具有良好的可扩展性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 捷联惯导的发展现状

1.2 导航计算机的发展现状

1.3 SoPC方法设计导航系统硬件平台的意义

1.4 论文的主要工作和结构安排

第2章 激光陀螺捷联惯导系统原理

2.1 引言

2.2 捷联惯导系统的基本原理

2.3 激光陀螺的基本原理

2.3.1 激光陀螺的工作原理

2.3.2 激光陀螺的闭锁现象

2.4 本章小结

第3章 硬件平台的设计方案

3.1 引言

3.2 捷联惯导系统对硬件平台的需求分析

3.3 SoPC设计流程及Virtex-4 FX FPGA特点

3.3.1 SoPC设计流程

3.3.2 Virtex-4 FX FPGA特点

3.4 硬件平台总体设计方案

3.5 本章小结

第4章 硬件平台的电路设计

4.1 引言

4.2 FPGA配置电路和存储系统

4.2.1 FPGA配置电路

4.2.2 硬件平台的存储系统

4.3 硬件平台外设接口电路

4.3.1 数据采集电路

4.3.2 串口通信电路

4.3.3 USB通信电路

4.3.4 SD卡接口电路

4.3.5 显控电路及扩展接口

4.4 硬件平台供电电源

4.5 硬件平台电磁兼容性

4.5.1 电磁兼容性

4.5.2 提高电磁兼容性的具体措施

4.6 本章小结

第5章 硬件平台的联合调试

5.1 引言

5.2 浮点运算器

5.2.1 捷联惯导系统对浮点运算的要求

5.2.2 APU控制器

5.2.3 浮点运算器的硬件执行

5.3 应用软件的设计

5.3.1 应用软件的架构

5.3.2 应用软件的加载

5.4 硬件平台的调试与分析

5.4.1 电路板参数测试

5.4.2 硬件平台调试案例与分析

5.4.3 系统的调试

5.5 硬件平台基本性能参数

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢

附录A 硬件平台电路原理图和PCB

附录B 硬件平台电路板实物图