FPGA在弹上信息处理机中的应用

信息处理机(图1)用于完成导弹上多路遥测信息的采集、处理、组包发送。主要功能包括高速1553B总线的数据收发 、422接口设备的数据加载与检测、多路数据融合和数据接收、处理、组包发送的功能。其中，总线数据和其他422接口送来的数据同时进行并行处理;各路输入信息按预定格式进行融合与输出;数据输出速率以高速同步422口的帧同步脉冲为源，如果高速同步422口异常不影响总线数据和其它422口的数据融合与输出功能。在CPU发生异常或总线数据异常时不影响其它422口数据的融合与输出功能;能够对从总线上接收的数据进行二次筛选、组包，并发送往总线，供其它设备接收。

　　图1 信息处理机功能框图弹上功能框图

　　系统设计
　　CPU选择
　　4M 1553B总线数据的采集，由4M总线智能通讯接口管理，经CPU接收、组包，再回到4M总线，发送至FPGA进行采集。CPU选择Atmel公司的AT91FR40162S, 内部自带256KB的SRAM和容量为2M x 8b FLASH存储器，主频最高可达75MHz。该ARM的等待电路由硬件等待逻辑产生，在FPGA内部实现。ARM外部中断源主要有：4M 1553B通讯控制器中断;20ms缓冲区切换中断。其中，4M 1553B通讯控制器中断信号经过FPGA整形后送入ARM。20ms缓冲区切换中断提供给FPGA内部各个同步、异步通讯IP组帧状态机用于缓冲区切换。
　　3路输入数字量接口
　　3路输入数字量，码速率分别为：1.28Mbps、115.2Kbps、38.4Kbps的数据流，数据流在FPGA内部经过串并转换将接收的数据存储在数据缓冲区A和数据缓冲区B中，再经过状态控制机来控制数据的不断更新。
　　同步422接口输出
　　采用两路单向RS422同步串行通讯接口，差分传输，一路为串行数据，一路为时钟数据 ，采用双线制传输。输出码速率2.56Mbps，15位加扰。
　　FPGA设计
　　当3 路输入数字量的数据流和4M的1553数据在20ms的时间内传输时，所需的内存约为10KB。
　　缓冲区存储切换有2种方式：
　　1)当1.28M的同步串行接口接收的数据个数达到64x100时切换;
　　2)由内部的20ms定时器切换。
　　因此当ARM异常后，能够确保除4M总线数据之外的其它通道正常输出。当1.28M的同步串行接口异常后，FPGA内的状态机自动切换到内部的20ms定时器进行切换。FPGA设计及IP核通过SPARTAN3AN集成开发环境进行仿真验证。
　　FPGA选用Xilinx公司的SPARTAN3AN系列的XC3S700AN-4FG484，电压1.2~3.3V，电流50mA~2A,主频最高达70MHz以上。
　　地面单元测试仪的设计
　　单元测试仪(图2)主要完成对信息处理机各种功能和参数的测试，模拟产生弹上机的所有输入信号，并测试其所有输出信号，可用于信息处理机的生产调试、出厂测试和外厂维修。
　　单元测试仪由便携式工控机内插相应PCI板卡和相应软件程序组成，PCI板卡为1块COM通讯测试板卡，其主要实现和弹上高速内总线4Mbps(或以上)1553B总线接口，在软件的控制下，向弹上发送各种测试命令、并接收弹上机的测试结果。

　　图2 地面单元测试仪框图

　　系统实现
　　信息处理机的系统工作流程见图3，具体包括：
　　(1)上电复位及初始化
　　上电后，FPGA和ARM同时复位，进行初始化过程，其中FPGA初始化中， FPGA内部寄存器和逻辑状态的初始值、内部缓冲区数据清零依靠复位信号来完成，其中的“FPGA参数设定”由监控程序负责执行或由FPGA使用缺省参数完成。
　　如果上电或复位时出现问题，FPGA使用缺省参数自动初始化所有参数并自动进行后续工作。
　　(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