基于FPGA在弹上信息处理机中的应用

(2)20ms缓冲区切换信号同步

完成初始化后，FPGA内部的"20ms缓冲区切换信号"生成逻辑，自动执行和"1.28M同步输入串口"的同步过程，同步过程中不向外发送任何数据，一旦同步后，会给出同步锁定信号Sync Locked="1"，所有通道的数据采集工作均开始，进入遥测信息接收过程。

(3)遥测信息接收

通道的数据采集都以FPGA内部产生的"20ms缓冲区切换信号SwitchBuf"为20ms周期标志进行缓冲区的切换(双端口)，分别为A,B两个缓冲区。

1.28M通道在20ms内应完成32x100=3200 Bytes的数据接收。并根据字计数器反转当前的SwitchBuf信号。

4M 1553B通道应由ARM完成4M 1553B总线遥测数据的接收、过滤、打包，形成20ms内约1500 Bytes的遥测数据包填入分配给它的包缓冲区，由FPGA自动生成对应的包长度信息放入一个包长度FIFO中。此后，ARM重新开始下一20ms数据接收工作，，如此反复循环下去。组帧状态机(MFSTM)在组帧过程中，一旦发现包长度FIFO不空，就从包缓冲区FIFO中读取对应长度的数据包，按照规定格式和位置填入数据融合表。

图3 信息处理机工作流程

38.4K异步串行输入通道由FPGA的UART IP核完成串行输入数据的接收，IP核根据字间隔是否超过2个字的接收时间来判断是否完成一帧的接收，原理和1553总线数据的接收相同。

115.2K异步串行输入通道由FPGA的UART IP核完成串行输入数据的接收.缓冲区由一个FIFO组成。组帧状态机会随时查询该FIFO空满状态，若不空，则就开始连续的读取过程，每间隔200μs从FIFO中读取一个数据并按照规定格式和位置填入数据融合表,直到该FIFO的数据取完为止，若为空，则新帧对应通道的位置数据填零。

(4)组帧

组帧工作即遥测数据的数据融合，将各路遥测信息按照给定的数据融合格式组织成一个完整的100帧(1帧200us，100帧20ms)格式进行发送，该功能由设计在FPGA内部"组帧状态机(MFSTM)IP"完成。

(5)数据融合表

上电复位后，组帧状态机MFSTM等待同步锁定信号Sync Locked="1"后开始工作，并根据20ms缓冲区切换信号SwitchBuf进行周期性的切换。按照数据融合表设计好的顺序依次访问1.28M同步输入串口缓冲区、4M 1553B总线数据缓冲区、115.2K异步输入串口缓冲区、38.4K异步输入串口缓冲区等等，并读取指定数量的数据依次填入本次20ms的数据融合表中，重复100次，从而完成表中1～100行数据的填写。数据融合表的数据结构设计成FIFO, 使用FIFO可以平衡快速的组帧状态机和慢速的发送状态机之间的速度差异，使发送的数据流保持在2.56Mbps的波特率之下，持续发送。

(6)发送

数据融合表的发送则由"发送状态机(SendSTM) IP"完成。它以数据融合表FIFO、2.56M发送时钟为输入，一旦启动就不再停止。发送状态机首先查询数据融合表FIFO, 若FIFO为空，则等待;若FIFO不空，则以2.56M/8的固定时钟频率持续读取数据融合表FIFO的数据，再送入"15段加扰器"进行加扰，加扰后的数据和时钟经RS-422驱动电路转化为RS-422差分形式发送给加密器，即2.56M输出。

(7)1.28M同步输入串口故障检测

FPGA中的故障检测单元(FDU)负责检测1.28M同步输入串口的输入信号是否正常。当故障检测单元FDU发现1.28M同步输入串口产生的SwitchBuf信号的周期和晶振产生的20ms时钟周期误差超过△T(如±2ms)，则认为1.28M同步输入串口故障，立即将SwitchBuf信号切换到由晶振分频产生的20ms时钟上。

系统仿真

以下为相关软件对系统主要功能进行的仿真：

图4 ISE编译后得出的FPGA资源利用情况

图5 数据融合表的仿真结果

数据融合表的结构为100行，64列，第1-32列为高速同步接口数据，第33-50列为总线数据，第51、52列分别为115.2K、38.4K接口数据，还有少量模拟量数据、全帧计数、同步码组等。

图6 数据融合表输入及输出的对比

由于组帧速度远比读出速度快，所以分两个图显示。

图7 2.56M发送数据

结语

用FPGA代替常规处理器实现多路数据的采集、融合并实时发送，利用FPGA丰富的可编程逻辑资源和内部存储器进行逻辑设计，大大减少了外围元器件种类和数量，提高了系统的处理和I/O带宽。

同时，FPGA在航天领域的应用也推动了可编程技术的发展。

来源：维库开发网