PXI可重构串行通讯模块研制

摘要

串行通讯模块在工业控制、通讯以及测试等行业具有广泛的应用,但在不同的应用中,其通讯协议往往不同,从而增加了用户成本和系统集成难度。FPGA可重构技术的出现为此问题提供了可行的解决方案,由于FPGA能够在运行过程中对其全部或部分逻辑资源进行重新配置,这使硬件系统的更新或修改变得十分容易,提高了硬件系统的资源利用率。目前,可重构技术在工业制造、医疗、航天等领域已得到了广泛的应用,将可重构技术扩展至串行通讯模块的设计中具有明显地实用价值,同时对于可重构仪器的研究也有一定的借鉴意义。
　　本文分析了可重构仪器以及串行通讯模块的国内外研究及应用现状,对主流生产厂商的FPGA的重构实现方法进行了分析和比较。在对FPGA可重构技术进行深入的研究和分析的基础上,研制了一种具备本地重构以及远程重构能力的PXI串行通讯模块。该模块以Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA作为重构硬件基础,由重构载板和功能板构成,增强了设计的灵活性和通用性。在重构载板设计中,通过SystemACECF配置方式实现本地重构功能;利用Virtex-5系列FPGA内嵌的TEMAC硬核以及开源的LwIP协议栈实现以太网功能,进而结合SystemACECF配置方式实现远程重构功能。除支持目前的可重构串行通讯模块外,该载板可作为主控板挂接在根据不同需求而设计的功能板上,从而使整个仪器模块具备可重构能力,实现同一硬件通过重构对不同测试需求的适应。
　　最后,对本地重构、远程重构、通讯功能进行了测试。实际测试结果表明,可重构串行通讯模块不仅可以通过本地触发重构实现基于SystemACECF配置方式下的本地重构,而且还可以通过以太网远程发送配置数据文件并触发重构来取得远程重构功能的效果。从多个方面验证了FPGA重构技术的巨大优势。本文对于其它从事该项技术研究与开发的人员具有重要的参考价值和借鉴意义。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2串行通讯模块的国内外研究现状

1.3可重构仪器的国内外研究现状

1.4本文的研究内容与结构

第2章 PXI可重构串行通讯模块研制方案

2.1功能和技术指标

2.2总体设计方案

2.3基于Xilinx FPGA本地功能重构方案

2.4基于Xilinx FPGA平台的远程网络化重构方案设计

2.5通讯功能电路设计方案

2.6本章小结

第3章 硬件电路设计

3.1 FPGA外围电路设计

3.2本地重构配置电路设计

3.3远程重构电路设计

3.4通讯功能电路通用化设计

3.5本章小结

第4章 系统固件设计

4.1本地重构固件设计

4.2远程重构系统固件设计

4.3本章小结

第5章 测试与分析

5.1测试方案

5.2测试结果与分析

5.3本章小结

结论

附录一 可重构载板与功能板实物图

参考文献

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