基于DSP和FPGA的多功能嵌入式导航计算机系统设计

摘要

为适应组合导航计算机的微型化、高性能度的要求,拓宽导航计算机的应用领域.本文进行了基于DSP和FPGA的组合导航系统设计研究.论文首先根据组合导航计算机的特点和应用要求,提出了基于DSP和FPGA的组合导航计算机系统方案.该方案是以DSP作为处理器,由FPGA实现输入输出等外围接口,完成对IMU信号的采集和缓存、多串行口的扩展、键盘接口扩展以及液晶显示接口扩展等功能;DSP通过EMIF接口实现和FPGA通信.然后论文重点进行了采用FPGA实现FIFO缓存、ADC采样控制器和接口单元、异步串行通讯接口、小键盘接口和液晶显示接口的设计,并对各功能模块进行了时序仿真验证,同时针对各功能模块设计了驱动软件.最后,为进一步缩小导航计算机的体积,论文提出了基于嵌入PowerPC的FPGA的SOPC设计方案,并对片上系统的硬件结构进行了设计.论文中所有接口设计使用VHDL语言采用自顶向下、层次化、模块化系统设计方法.高速浮点DSP作为导航处理器,FPGA作为外设接口单元,使DSP专注于复杂的导航解算,提高了系统效率和速度.VHDL语言描述的设计模块作为IP核可重用,修改升级灵活,设计IP核也可以直接应用于片上系统设计中.同时,本文提出的多串行口扩展硬件实现简单;硬件实现带有缓存的高速ADC信号采集控制具有不占用CPU资源、运行速度快的特点.FPGA可重新编程、VHDL模块可重用,因此用FPGA设计接口电路灵活方便,升级容易.用高速度、小体积、低功耗、低成本的DSP和FPGA设计导航计算机适应了其微型化、高性能、低成本、低功耗的发展方向.

目录

文摘

英文文摘

承诺书

注释表

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2 SINS/GPS组合导航计算机国内外发展现状

1.3本课题研究的目的、意义及主要内容

第二章SINS/GPS组合导航计算机方案

2.1引言

2.2 SINS/GPS组合导航系统算法

2.2.1捷联惯性导航原理

2.2.2捷联惯性导航算法

2.2.3 GPS卫星导航系统

2.2.4 SINS/GPS组合导航系统

2.3 DSP和FPGA的特点和开发

2.3.1 DSP的特点和开发

2.3.2可编程逻辑器件的结构和工作原理

2.3.3硬件描述语言

2.3.4 FPGA开发流程和开发工具

2.4基于DSP和FPGA的组合导航计算机方案

2.5 DSP、FPGA等主要芯片选型

2.5.1 DSP选型

2.5.2 FPGA 选型

2.5.3 ADC和液晶显示器选型

2.6本章小结

第三章基于FPGA的数据采集和通信接口设计

3.1引言

3.2模拟信号数据采集部分设计

3.2.1模拟信号采集硬件结构

3.2.2 ADC采样控制器总体设计

3.2.3 CPU接口模块设计

3.2.4 FIFO模块设计

3.2.5 ADC接口模块设计

3.2.6 ADC采样控制器的软件驱动程序设计

3.3基于FPGA的多通用串行接口(UART)的设计

3.3.1异步串行通讯标准

3.3.2异步串行口总体设计

3.3.3波特率发生器

3.3.4串行数据发送模块

3.3.5发送FIFO模块

3.3.6串行数据接收模块

3.3.7接收FIFO模块

3.3.8 CPU接口逻辑

3.4 ADC采样控制器与UART时序仿真

3.4.1 ADC采样控制器时序仿真

3.4.2 UART时序仿真

3.5本章小结

第四章FPGA实现人机接口和DSP接口设计

4.1引言

4.2液晶显示接口设计

4.2.1液晶显示接口总体设计

4.2.2液晶显示接口控制器设计

4.2.3液晶显示接口驱动程序设计

4.3键盘接口设计

4.3.1键盘接口总体设计

4.3.2按键编码逻辑设计

4.4 FPGA与DSP的接口设计

4.5人机接口模块时序仿真

4.5.1液晶显示接口时序仿真

4.5.2键盘接口时序仿真

4.6本章小结

第五章基于Virtex-Ⅱ Pro的SOPC导航计算机系统方案设计

5.1引言

5.2 Virtex-Ⅱ Pro特点

5.2.1 PowerPC405内部结构

5.2.2 PowerPC405外部接口

5.2.3 CoreConnect技术

5.3基于Virtex-Ⅱ Pro组合导航系统方案设计

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1本文所做的工作

6.2后续工作及研究方向

参考文献

致 谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文