FPGA多接口功能在航姿計算機中的應(yīng)用

引言
捷聯(lián)慣導(dǎo)中的航姿計算機實現(xiàn)數(shù)字平臺導(dǎo)航，需要在復(fù)雜運算的同時還能夠高速、準確地完成多種傳感器測量數(shù)據(jù)的采集以及航姿結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)的傳送。通常的做法都是用一片或多片 DSP芯片來完成,但是當數(shù)據(jù)接口較多而且數(shù)據(jù)傳輸頻率較高時，這類系統(tǒng)的實時性就難以得到保證；而 FGPA具有豐富的硬件資源，能夠真正實現(xiàn)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(shè)計航姿計算機，還具有以下突出的優(yōu)點：低成本、低功耗、小體積、可重新編程、升級方便、VHDL 設(shè)計電路可復(fù)用等。本文詳細介紹了在接口較多的航姿計算機中，怎樣設(shè)計 FPGA使得多種通訊接口功能都能實時可靠地實現(xiàn)，具有實際工程意義。
1系統(tǒng)總體設(shè)計
圖 1為該捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)需要高速、實時地采集多種傳感器（包括大氣傳感器、IMU、磁羅盤）的測量數(shù)據(jù)，以及一些有關(guān)的模擬量，用于 DSP中高精度的航姿解算，同時也需要將航姿信息和系統(tǒng)信息發(fā)往多個設(shè)備（包括飛參記錄儀、顯示儀表和DS）發(fā)送。采集數(shù)據(jù)需要同時用到的接口包括ARINC429、RS422、SPI、與 DSP并行接口等多種接口；如此多數(shù)量、多種類的接口的完成還必須保證準確性和實時性。這整個系統(tǒng)的時序、邏輯控制都是由 FPGA完成的，DSP（選用 TI公司的TMS320C6713）作為從處理器專門用于航姿解算。本系統(tǒng)中選用的 FPGA芯片為 ACTEL公司 PA系列中的 APA300芯片，用 VHDL語言在 LibroIDE環(huán)境下對該芯片進行開發(fā)。

2多種工業(yè)接口的 FPGA實現(xiàn)
（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、無線電航表等六個外部設(shè)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(shè)計了四個完全相同的并行的接口模塊，其中每一個接口模塊都是通過 FPAG控制 MAX3140芯片得以實現(xiàn)（如圖2）；同時出于設(shè)計效率的考慮，只設(shè)計了一個通用的實體，而讓每一個控制模塊都作為該實體的一個實例。這樣，雖然這四個模塊的結(jié)構(gòu)完全相同，但是在頂層實體中施加不同的控制，就實現(xiàn)了兩個單工和兩個雙工的工作模式。該通用的實體按照 MAX3140的工作時序圖，通過控制和監(jiān)測 UART的五個管腳（SCLK數(shù)據(jù)接收時鐘、CS片選信號、DIN控制數(shù)據(jù)輸入、IRQ中斷、DOUT數(shù)據(jù)輸出），完成對芯片的上電自檢和對信號的接收發(fā)送；頂層實體并行地控制四個實體的工作，從而互不影響地實現(xiàn)了上述多路信號的接收和發(fā)送。