（通信与信息系统专业论文）综合显示控制器数据通信演示系统设计.pdf

摘要 摘要 随着航空技术的发展，飞机对航空电子系统的提出的要求也越来越高，大多 数飞机品质的改善很大程度上依赖于航空电子性能的提高。为适应我国航空电子 发展的需要，进行了航空电子系统小规模的综合化项目的研究。 本文介绍了飞机航电综合显示控制器的数据通信演示系统设计。结合第四代 综合显示控制器的发展趋势，以嵌入式系统和p c i 0 4 总线模块为核心的技术为基 础，并在此基础上扩展实现了综合显示器的数据通信演示系统。完成了综合显示 控制器演示系统的软、硬件设计，和实现串口通信r s 4 2 2 和航空a r i n c 4 2 9 的通 信，并尝试应用一种支持向量回归机的建模的自适应滤波器的方法对信号进行去 噪处理，并进行模拟仿真。最后对综合显示控制器数据通信演示系统的进行模拟 演示，达到了设计的目的。 关键字：综合显示控制器嵌入式f p g as v r自适应滤波 a b s 廿a c t a b s t r a c t w 池m ed e v e l o p m e 王1 to ft e c h n i c a l 缎o n a u t i c s ，n l ea i 平l a n em a k e sh i 曲d e m a l l d s o fa 啊o n i c ss y s t e m t h ei m p r o v e m e n to fa i 印l a l l e s q u a l i 锣i i l1 a r g em e a s u r ei l 印e n d u p o nt h ei i i l p r o v e i l l e n to fa v i o n i c sc a p a b i l i 够h 1o r d e rt 0m e e tt h ed e m a n d so fo u r c o u n 缸ya v i o n i c se l e c 仃0 1 1 i ct e c h 血q u e ，w eh a v ep r o c e s s e dp r e r e s a r c hp r o j e c ti ns m a l l s c a l ei n t e 弩a t e d t h ed e s i g no fa 埘o i l i c s y n 戗l 舐c a l 一d i s p l a y & c o n 臼o l l e ro fd a t ac o m m u n i c a t i o n d e l n o n s t r a t i o ns y s t e mw i l lb ei n v 0 1 v e di nt h i sp a p e lu n d e rt h eb a c k g r o u n do fm ef o u 曲 g e n 耐i o n a v i d n i c s s y n t h e t i c a l d i s p l a y & c o n 昀1 i e r sd e v c l o p m e n t a n dw i t h也e e m b e d d c ds y s t e ma n dp cl0 4b u sb a s e do n ，m ed a t ac o m m 吼i c a t i o ns v n t h e t i c a l - d i s p l a y & c o n 臼o l l e rd e m o n s 僦i o ns y s t e mw a sc o m p l e t e d i i lt h i sp 印e r ，m es o f 时a r e 锄dh a r d w a r eo ft h e s y n t h e t i c a l - d i s p l a y c o n 仃0 1 1 e rw e r ec o m p l e t e d锄ds 嘶a l c o m m u n i c a t i o nr s 4 2 2a r i n c 4 2 9c o u l dw o r kl a s t ，w es u c c e s s 向1 1 ys i m u l a t ew e r e 觚s h e da i l d it r i e d u s i n gas u p p 叫 v e c t o rr e g r e s s i o nm o d e lo fa d a p t i v ef i l t e r d 锄o n s t r a ：t i o n ，r e a c h i n gt h ed e s i g n k e y w o r d s ：s y n t h e 6 c a l d i s p l a y c o n t r o l l e re m b e d e ds y s t e mf p g a s t a d a p 廿v e f n t e r 西安电子科技大学 学位论文独立性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盘垒j t日期土他 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名：老 期 期 日 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 国防现代化是我国的“四个现代化”之一，国防现代化要求我们采用国内和 国外的先进的理论和技术来武装我们的部队，综合显示控制系统是各个战机必备 的装置，也是现代战争中不可缺少的武器装备，在现代化高技术战争中起着举足 轻重的作用，被誉为战争中空中武器的控制处理的核心j 。在现代的战争中，飞行 员和飞机及其机载设备构成了人机闭环。人机各环节之间的相互作用依靠人机接 口。随着航空技术的发展，飞机的性能不断的提高，机载航空电子设备日益增多 和复杂，从而使人机接口对于充分发挥人的主宰作用越来越具有重要的意义。人 机接口可以概括地分为显示器和控制器两类。显示器是人的“信息输入”人机接 口，控制器是人的“信息输出 人机接口。即综合显示控制器的设计目标是向驾 驶员显示日益增多的大量信息，方便了解情况，容易决策。控制器的设计目标是 向驾驶员提供迅速、方便的控制的同时，综合显示控制系统在普通的客机中也是 非常重的装置，飞行员可以通过彩色液晶综合显示器可以直观的了解到飞机现在 的各种数据和信息，飞行员可在综合显示器上获取经系统核心计算机处理的图形 化信息，如通信导航、飞行参数等。这种显示信息简洁、方便，己使飞行员从单 纯操纵者转变成座舱资源管理者。集中控制和综合显示，能及时响应和集中处理 飞行员的各种命令，能根据飞行员操作程序和系统运行状态准确及时地向飞行员 提供各种工作信息或决策信息，从而大大减轻飞行员的工作负荷，提高飞行员快 速应变和决策能力【2 j 。 综合显示控制系统己成为未来先进作战飞机航空电子系统设计的关键技术之 一，其核心是综合显示处理机它将负责整个系统的控制管理、数据计算、信息图 形化处理、系统通信管理及综合显示控制等功能。 综合显示控制系统是各种传感、处理及控制系统的终端，是由一些显示器件 和功能部件组成的显示设备，能够独立完成一定的显示任务。各终端包括：大气 机，雷达，雷达告警，塔康，吊舱以及态势处理机的飞行数据和航姿数据，各终 端的显示系统是用来显示和处理相应的终端所获取的目标信息和情报，以提供给 操作人员使用【3 】。操作使用人员对终端系统的控制也是通过该终端系统设备来进行 实施干预的。所以综合显示控制系统既是信息的输出设备，也是人机交互，彼此 联系的平台。现代综合显示控制系统，配以计算机进行信息处理和控制，使得终 端实现的功能更加完善。对于一套完整的终端显示系统中，除了硬件设备外，还 需要配以软件。软件的基础部分是图形显示软件程序还包括信息交换与控制部分， 2 综合显示控制器数据通信演示系统设计 完成人机交互功能。由于终端显示的硬件研制己进入相对成熟的阶段，因此，编 制画面美观、可视性佳、人机界面友好、可移植性强和可靠性高的显示软件，成 为实现雷达终端显示系统的研制人员所主要致力研究的方向m j 。 随着计算机技术、图形处理技术及液晶显示技术的飞速发展与日益密切结合， 综合化航空电子技术也取得较大的发展，也己进入第四代综合化模块化航空电子 系统【5 】。新一代航空电子系统的重要特征之一是：传统的分立式仪表显示概念己被 淡化，综合显示处理概念得到空前加强，座舱自动化程度得以提高。系统将大量 使用多功能彩色显示器为飞行员提供一个优良的人机接口。 综合显示控制器在航电系统中的有着非常重要的作用和意义。鉴于其重要性， 我们必需确保它的工作的可靠性。故研究综合显示控制器的数据通信演示系统同 样也具有非常重要意义的。综合显示控制器数据通信演示系统与以往的数据通信 演示系统相比更具有完整性，真实性。该演示系统可以进行对综合显示器的所有 数据通信演示，既可以单独对某项功能的演示，也可以对几项功能的联合演示， 也可以对显示器整体来演示即完全模拟出飞机在整个飞行过程中的所有数据的演 示，这一点是与以往演示系统的最大的区别。该演示系统不仅可以使综合显示器 操作人员更直观，更具体的熟悉综合显示器的功能和使用方法，尽快适应新一代 的综合的系统。同时也使综合显示控制器操作人员了解到综合显示器的工作原理， 出现问题时可以更能直接了解到问题的出处，以便解决，而且还可以为机修人员 提供综合显示器数据通信的参考模板，更直接，更快捷的排查和解决故障。 1 2 目前现状 对于航电综合显示控制器数据通信演示系统设计，由于综合显示器是该演示 系统的研究对象和基础，所以有必要进行研究和了解综合显示器的发展，在此基 础上完成设计出对应的演示系统。综合显示控制器的逐步的发展和提高，与之相 对应的综合显示器数据通信演示系统也逐步的在改善。 综合显示控制器大致经历的了四个阶段： 第一代分立式结构，这是6 0 年代之前普遍采用的航空电子系统结构形式，实 际上它还不算是个完全意义的航电系统，因为不存在中心计算机对整个系统的控 制。这种结构中每个子系统都有各自的传感器，控制器，显示器以及自己的专用 的计算机。此种形式专用性强，缺少灵活性，难以实现大量的信息交换。 第二代是集中式的结构，6 0 年代中期以后，数字技术迅速发展，数字计算机 开始用于机载导航和火控计算。鉴于当时各主要子系统，如雷达，惯导，自动驾 驶仪一般还是模拟式的，所以都要通过模数转换与中心计算机进行接口，计算结 果还要通过数模转换再送往显示和控制系统。在信息链路的最后环节形成资源共 第一章绪论 享，使用几个数据处理器完成底宽带的数据传输变换功能，如导航、武器投放、 外挂管理、显示、控制等，各单元之间通过1 5 5 3 b 总线交联。这种形式是大多数 现役军用飞机使用的结构。 第三代为联合式结构，这种结构的综合化程度进一步提高，系统共享的综合 处理器己外场可更换模式的形式安装于两个以上的综合机架中，各模式安装在电 母板上，通过p i 总线和t m 总线互连，又通过网关和光纤高速总线交联，高速总 线连接几个机架构和系统共享的大容量存储器，传感器和座舱控制显示器通过点 对点光纤连接到综合机架的相应外场可更换模块，其他如飞机通用设备管理，飞 控，外挂管理等通过1 5 5 3 b 总线互连并连接到综合机架。该结构的特点在于i c p 综合了火控计算，座舱显示图形发生，外挂管理，系统任务的调度，系统完好情 况的监视等各种计算，调度，管理任务，这些任务实动态地分配给外场可更换模 块的。这种结构及保存了子系统得相对独立性，又具有集中式结构全机统一调度 和管理的特点。 第四代为综合共享式结构，以“宝石台 和联合攻击机( j s f ) 为代表，是未 来一代航空电子系统的主要结构形式。它通过对航空各个电子系统的信号和数据 进行高度的综合处理，对计算机资源，射频部件和天线口径的广泛共享，实现了 系统的效能改善。它的特点是在第三代的基础上采用了整个航空电子系统的统一 航空电子网络并推进了传感器系统综合。这样，实现了容错，重构能力，降低了 成本，体积和重量，又提高了性能【6 】。 目前由于显示控制器还处在第三代向第四代慢慢的过渡阶段，所以显示控制 器的演示系统也相对处在对综合显示控制器的数据通信系统的某一项的演示或者 是几项的联合演示，演示比较单一，而且模拟演示起来的真实性要差的这个阶段。 本文描述的综合显示器是结合第四代显示器的发展为背景的，所以综合显示控制 器在功能更将强大，更将方便，使用更人性化。但是综合化后的显示控制器对于 设计人员在设计时不仅要考虑在功能、结构、数据的通信和处理方面都要比前几 代更复杂，更繁琐，而且还要考虑综合化带来了信号之间的相互干扰，电磁干扰 ( e m i ) ，电磁兼容( e m c ) 等新的问题。 1 3 研究目标 目前国内仍以第三代航电系统占主导的地位，第四代航电系统的研究已经起 步。国内已经初步开始进行的航电子系统小规模化的预研，慢慢的向第四代航电 系统的过渡。因此我们可以根据第四代航电综合显示控制器的发展趋势，并在我 们已经掌握的技术和现有的技术状态的基础上实现来综合显示控制器数据通信演 示系统。 4 综合显示控制器数据通信演示系统设计 本课题的研究过程中，需要对航电综合显示控制系统功能的构成进行探索和 研究，而对于显示器综合化后的新环境中的各种视频信号的形成、显示控制、显 示画面的调度、各种数据信号的处理以及各种显示器接口信号的交联及与飞行员 人机界面的交互对话，都是全新的新研究领域，也是一个难度较大的探索过程。 该课题的以研究过程背景，以工程实践中的相关理论和设计为基础，构成了本论 文的主题。本文研究的主要内容： ( 1 ) 通过r s 4 2 2 和a r i n c 4 2 9 通信接口实现演示系统的通信。 ( 2 ) 数据的采集d 和控制量i o 的电路板实现及基于f p g a 的视频控制板 的实现。 ( 3 ) 基于d e l p l l i 的人机界面的交互对话及演示系统的通信。 ( 4 ) 尝试应用一种支持向量回归机的自适应滤波器方法对信号进行去噪。 1 4 本文的结构以及内容安排 经过对综合显示控制器的研究和分析，完成了基于嵌入式系统和p c 1 0 4 总线 为核心技术的综合显示控制器数据通信演示系统。并尝试应用一种支持向量回归 机建模的自适应滤波器的方法进行信号处理，并进行仿真。 第一章：绪论。介绍了综合显示控制器的发展和现状，了解到演示系统的研 究的背景然后提出了演示系统的研究目标。 第二章：综合显示控制器数据通信演示系统硬件实现。从综合显示控制器的 级联的设备图中，直观的看出该演示系统所要模拟演示的内容。进一步得到演示 系统的工作原理，完成对演示平台的搭建，并对各硬件模块进行介绍。 第三章：综合显示数据通信演示系统软件的实现和通信串口的实现。通过对 演示系统的整体的分析，完成对软件的设计和对串口通信的实现。 第四章：基于s v r 通信信号去噪处理研究。尝试应用一种支持向量回归机的 一种自适应滤波器的方法对信号进行去噪处理，并进行仿真实验。 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 综合化、实时化、标准化是下一代显示器的发展方向，其中综合化是最为主 要的。这就要求对新一代的航电综合显示控制器演示系统实现的高度综合，采用 自上而下的顶层设计方法，在满足实现各项功能的要求基础上，进行整体的统计 硬件是接口功能的物理承担者；软件是控制硬件动作的指令集，它使得各个硬件 部件互相配合形成有序的动作集；而调试是检验硬件功能的正常完成以及验证该 硬件是否能有效地支持控制其运行的软件，并使得这些软件准确地完成其控制意 图的过程。 分析演示系统的原理后主要完成了演示系统的硬件平台的搭建和各硬件模块 的设计。 2 1 演示系统工作原理 综合显示控制器主要负责控制整个系统的各个部分，以及控制、协调和其他 系统通信，并同时完成有关的计算工作，和将其与飞机其他外视频源送来的视频 信号一起传输到显示器上进行显示，并能发送视频记录仪上进行记录。因此它的 具体功能包括： ( 1 ) 接受并处理其他航电子系统的信息，并显示有关处理结果； ( 2 ) 显示控制的信号处理，控制，实时显示飞机状态信息； ( 3 ) 驾驶员输入控制与管理：响应并满足飞行员的操作，即满足飞行的控制 要求； 为了满足上述功能，从性能角度上分析，综合显示器演示系统应该完成下述 工作： ( 1 ) 通过上位机来实现各种串口通信。显示器上的所需的原始信息均来自飞 机上的机载设备、如大气数据计算机、惯性导航系统、雷达、雷达告警、飞机的 左右发动机、无线电高度表等、包括r s 4 2 2 、a r n c 4 2 9 通信。通信机应该满足 各种总线的通信，随着新航电系统设计思想的实行，整合了各个电子模块和计算 机的功能区之间的信息通讯对总线的带宽提出了更高的要求，电子显示仪器的显 示内容也会更加丰富。 ( 2 ) 通过上位机来控制实现各种交联设备产生的各种视频，图片及各种参数。 综合显示器上显示的各种视频和图片均来自不同的信号源，有来自雷达，吊舱等 的视频信号、也有航姿、态势处理机等的图片、字符信息。 ( 3 ) 通过上位机来实现对综合显示控制数据通信演示系统的各种模拟量的采 集、i o 量以及视频信号的控制。 6 综合显示控制器数据通信演示系统设计 该综合显示器的外围串口通信是通过r s 4 2 2 和a r 矾c 4 2 9 通讯接口来实现的。 串口通信主要完成的是通过r s 4 2 2 和a r i n c 4 2 9 通信方式实现接受来自雷达、雷 达告警、塔康、大气机、吊舱和态势处理机的飞行数据和航姿数据。视频信号由 前面板周边键控制产生相应的图形、字符信号并将这些信号转换成l v d s 信号驱 动液晶屏显示；当进入态势画面时，接受来自态势处理机的l v d s 信号，显示战 术态势画面，这时显示器负责周边键的状态发给态势处理机，由态势处理机完成 画面的控制调度，并以l s 信号的形式传送给显示器；当进入雷达画面时，根 据雷达状态字的要求，结合接受雷达的l s 信号，显示气象状态画面，叠加显 示气象视频及量程。 显示器在将l 如s 信号驱动液晶屏显示的同时，还将l 旧s 信号发送给视频 记录仪用于视频记录。显示器具有白天夜间工作的模式。在白天工作模式工作时， 其亮度较亮，显示画面在日间座舱环境亮度较高时也能清晰可见；在夜间工作模 式时，其亮度较暗，以适应夜间座舱环境较暗的情况。正常工作时显示器能够对 环境的光亮度自动调节显示亮度或通过调节手动亮度调节显示亮度；通过对比调 节按键进行对比调节。 2 2 演示系统硬件平台的实现 2 2 1 演示系统的基本架构 综合显示控制器是从各种信息源获得的显示信息。这些信息源包括惯导系统、 大气数据系统、无线电高度表、发动机转速表、发动机排气温度表、塔康、罗盘、 航姿机载设备、无线电罗盘以及电源系统。另外，按照系统设计要求，综合电子 战系统的威胁信息也要在综合显示器上显示。这些交联关系如图2 1 所示，通过该 交联图可以知道综合显示器演示系统具体应该所要完成的模拟演示内容。 从该飞机的综合显示控制器系统的外围交联的设备图可以很直观的看到综合 显示控制器系统与外围设备之间的数据通信包括有航图、发动机转速、飞机数据 转发、吊舱、罗盘、航姿、周边键的串口通信r s 4 2 2 和雷达、雷达告警、塔康 a r i n c 4 2 9 通信，无线电高度表、场压装订、信号电源、工作电源、热电偶信号的 数据采集和目夜转换开关、数字地图计算机( d m c ) 开关机、无线电高度有效、 无线电高度有效和自检的开关控制i o 量、还有模拟量的检测部分和相对应交联设 备的在显示控制器系统上显示的字符、图形等视频信号。这些数据通信都是要在 该演示系统中所要完成演示的内容。因此该演示系统是一个高度综合，复杂化的 数据通信系统。 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 大气机数据l 一场压装订 t # 置d c 一 j 一 j 门口 系统卜一电压模拟信号 攫叉j 、d - p 惯导系统戡兽翟甚譬 一开关机信号 一视频信号一 航图系统 综键盘指令r s 4 2 2 _ - 发动机仪表卜一发动机排温 厶 口 系统卜_ 一发动机转速r s 4 2 2 - 显 r s 4 2 2罗盘 不 无线电 卜无线电高度有效- _控 r s 4 2 2 航姿 高度表卜- 一无线电高度 制 系r s 4 2 2 i 周边键 复合视频输 统 出 _ 一i o 控制、视频输出 一a i u 【n c 4 2 9 i 塔康 雷达l 一雷达a r l n “2 争一i 舱控制 i日夜转换 雷达告警l 一雷达告警。堰矾c 4 2 卜 一i o 控制 工作电源 图2 1 综合显示控制器与外围交联图 演示系统是以嵌入式系统和p c 1 0 4 总线模块为核心为基础，并在此基础扩展 完成r s 4 2 2 ，a r i n c 4 2 9 的串口通信、数据采集和i o 控制模块及对视频版控制模块。 该演示系统的硬件的基本结构框图如图2 2 所示。 图2 。2 演示系统硬件基本结构框图 图2 2 中主控板采用p c 1 0 4 c p u 模块，前端与演示系统接口位置配置隔离模 块。i o 板、a d 板分别用来进行开关量的检测与控制以及模拟量的采集与模拟量 的输出，三块板子共同组成了p c 1 0 4 数据采集、模拟输出模块。显示终端为e l 平 板显示屏。在硬件设计中，加入备用采集通道，当软件发现有采集通道不能正常 工作时，自动打开相应的备用通道，从而大幅度的提高了系统可靠性。采用此方 案的优点为：高集成度、可靠性高、体积小、操作简便、显示直观、醒目、编程 采用高级语言，方便日后升级。 综合显示控制器数据通信演示系统设计 2 2 2 演示系统核心模块的实现 该演示系统要具备演示内容的真实性就必须与综合显示控制器的运行环境一 样，可以在工作温度宽、强震动的机载环境中运行。而普通p c 体积大、工作温度 范围较小、抗震性差，不能适应的特殊环境。单片机体积小巧，是一种可编程器 件，但是由于目前芯片集成水平的限制，单片机的功能十分单一，资源十分有限， 不能满足复杂航电系统的要求。嵌入式计算机具有实时性、低成本、小型化、专 用化和高可靠性，克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于p c 的控制系 统非实时性的缺点，在工业控制领域将具有广泛的应用前景。 该演示系统采用基于p c 1 0 4 总线的嵌入式工控机p c m 3 3 5 0 作为演示系统的 控制器，具备实时数据采集和处理、实时控制、显示、数据传输等功能。 一、嵌入式系统概述 随着计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，计算机技术从2 0 世纪 9 0 年代进入充满机遇的“后p c 时代”以来，控制系统正在向网络化、数字化迅 猛发展，使得控制技术与嵌入式技术和网络技术的结合更加紧密。现代工业对控 制系统的可扩展性、可管理性和易用性提出了越来越高的要求，这使得常规仪表 逐渐被以嵌入式系统为核心的计算机控制系统所替代。随着嵌入式系统在工业控 制中的广泛应用，将极大地提高工业生产的信息化、现代化和自动化水平。 根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备 的装置 ( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n 仃o l ，m o n i t o ro ra s s i s tt l l eo p e r a t j o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp 1 a 1 1 t s ) 国内普遍被认同的定义为：嵌入式系统是以应用为 中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【2 1 1 。嵌入式系统是随着计算机技术、 微电子技术、通信技术的发展而发展起来的。嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了 它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成。 嵌入式系统是硬件和软件的集合体，由硬件和软件两大部分组成。硬件包括 嵌入式处理器、存储器、外部设备和i o 端口、图形控制器等。嵌入式处理器通常 是单片机或微控制器，有8 位、1 6 位、3 2 位等不同类型，现在常用的是3 2 位微 处理器【2 2 1 。 l 、嵌入式硬件子系统 2 2 】【2 3 】 嵌入式系统的硬件以嵌入式处理器为核心，主要由嵌入式处理器、总线、存 储器以及输入输出接口和外部设备组成。 a 、嵌入式处理器。嵌入式系统的处理器单元称为嵌入式处理器。嵌入式处理 器是嵌入式系统硬件的核心，运行嵌入式系统的系统软件和应用软件。嵌入式处 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 9 理器的种类很多，包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器、可 编程器件以及它们之间的组合。目前，应用最广泛的是嵌入式微处理器。嵌入式 微处理器体系结构可采用冯诺依曼结构或哈佛结构；指令系统可采用精简指令集 或复杂指令集。 b 、总线。总线是指一组进行互连和传输信息( 指令、数据和地址) 的信号线， 是连接c p u 与各组件以及各组件之间的桥梁。采用总线结构便于组件和设备的扩 充，尤其是制定了统一的总线标准后更容易实现不同组件和设备间的互连。嵌入 式系统的总线一般分为片内总线和片外总线。片内总线就是嵌入式微处理器与片 内其他组件连接的总线；片外总线集成在微处理器内或外接扩展芯片上，用于与 外部设备连接。目前常用的总线有i s a 总线、p c i 总线、a 蹦总线、p c 1 0 4 总线 在占 手o c 、存储器嵌入式系统的存储器分为三级：高速缓存c a c h e 、主存和外存。高 速缓冲存储器中存放的是当前使用的最多的程序代码和数据，即主存中部分内容 的副本。主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放运行中的程序及数据。外 存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放用户的各种信息，容量大，可永久 保存数据，但存取速度相对主存而言要慢得多。 d 、输入输出接口和设备。嵌入式系统是面向应用的，不同的应用所需的接口 和外设不同。在嵌入式系统中，通常把大多数接口和部分外设集成到嵌入式处理 器上，如t i m e r 、i u c 、u a r t 、g p i o 、u s b 、a d 、d 厂a 、l c dc o n t r o l l e r 、d 【a 控制器和中断控制器等。 2 、嵌入式软件子系统 嵌入式软件包括嵌入式系统软件、支撑软件和应用软件。嵌入式系统软件， 是指控制、调度嵌入式系统资源的软件，又称为嵌入式操作系统。嵌入式支撑软 件，是指辅助应用软件开发的工具软件，包括系统分析设计工具、仿真开发工具、 交叉开发工具、测试工具、配置管理工具和系统维护工具等。嵌入式应用软件， 是指嵌入式系统中面向特定应用的软件。 嵌入式软件具有以下特点：规模小，开发难度大、快速启动，直接运行、高 实时性和高可靠性、程序一体化、开发环境和运行环境不相同。 通常，嵌入式软件的开发环境运行在宿主机上，开发完成后，嵌入式软件将运行 在嵌入式目标机中。 嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在工业控制领 域得到了广泛的应用，如工业过程控制、远程监控、智能仪器仪表、机器人控制、 数控系统等。此外，随着网络技术和通讯技术的发展，工业控制现场的网络化已 经成为发展趋势。这就对传统的基于微控制器的控制系统提出了更高的要求。由 于嵌入式系统本身所具备的网络和人机交互的能力，它逐渐取代微控制器控制方 综合显示控制器数据通信演示系统设计 式将成为一种可能。 二、p c 1 0 4 介绍 p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其信号定义p c a t 基本一致，是一种优化的小型堆栈式嵌入式系统。p c 1 0 4 的工作温度为0 6 0 ，可以在相对湿度为o 9 5 的环境中正常运行，并且具有较强的抗震性。此 外，它还具备通用单片机无法实现的功能：支持l c d 和v g a 两种显示模式，支 持网络，支持电子硬盘和普通p c 硬盘，支持c d r o m 和软驱等等。p c 1 0 4 可以 称得上是一台小型化的个人电脑。独特的硬件“看门狗”( w a t c h d o g ) 能对系统运 行情况进行监视，及时处理发生的异常情况【2 0 1 。 p c 1 0 4 嵌入式计算机模块是一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的 结构化模块。由于与通用的p c 和p c a t 标准完全兼容，用户可以很快掌握其软 硬件的使用，而且费用低、风险小、大大的缩短产品开发周期。p c 1 0 4 的c p u 模 块包括p c a t 的所有标准功能，同时又有一些独特的功能【2 0 】： 1 、全部使用c m o s 器件，低功耗，典型值低于2 w ； 2 、可通过堆积方式方便的扩充模块； 3 、可通过串口来显示和控制设备，串行口可以作为标准p c 的c o m l 通信口 或扩展为控制台串行口，用于键盘输入和显示中断输出或计算机间的串行输入输 出口； 4 、可使用固态电子盘作为存储器，适合嵌入式应用； 与原来的p c 总线一样，p c 1 0 4 一直是以一个非法定标准在执行，它不是哪 一个委员会设计制定的。1 9 9 2 年i e e e 开始着手为p c 和p c a t 总线制定一个精 简的i e e e p 9 9 6 标准。与p c 、p c a t 总线相对应，p c 1 0 4 也定义了两种模块版本： 8 位和1 6 位。p c 1 0 4 总线与p c i 总线的主要不同在于【1 7 j ： 1 、小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3 6 3 8 英寸( 即9 6 9 0 m m ) ，比一 般p c 系列微机主板尺寸要小的多。 2 、堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，p c 1 0 4 总线以“针”和“孔” 形式层叠连接，这种层叠封装有极好的抗震性。 3 、轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，铀= l a 总线驱动即可使模块正 常工作，每个模块1 2 瓦能耗。为适应小型化要求，各模板都采用v l s i 器件、门 阵列、a s c i 芯片及大容量固态盘。 p c 1 0 4 总线信号定义和功能与它们在i s a 总线相应部分是完全相同的。1 0 4 根线 分为5 类：地址线、数据线、控制线、时钟线、电源线。 三、基于p c 1 0 4 总线的嵌入式工控机p c m 3 3 5 0 本演示系统中的嵌入式系统主控制器选用研华的p c m 3 3 5 0 ，控制器硬件部分 由5 个基本部分组成：主控制器模块、通信扩展模块、显示单元、存储模块、键 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 1 l 盘：如图2 3 所示。 图2 3基于p c 1 0 4 嵌入式控制器硬件框图 2 2 3 外围电路模块 在演示系统数据的采集是p c 1 0 4 模块系统基础上通过n i 数据采集卡 d a q p c i 0 4 6 2 2 1 来实现的。该卡不仅可以数据采集实现d ，还带有8 路i o 量可 以满足演示系统的需要，而且高低温，冲击、振动、湿度、电磁兼容等性能上符 合军用产品标准，目前在中国，大量配套使用在军用电子设备上。主要完成对上 节中的模拟量的采集和i o 的控制。 对电路的设计而言，除了准确完成设计功能以外，还要体现如下几个原则： 结构简单、功能灵活、可靠性好、调试简便等。完成了对模拟量的采集、i o 控制 量及视频控制电路设计现实。 一、模拟量的采集 在综合显示控制系统中，在与其交联的设备中，在综合显示控制器，有项功 能就是对一些电压检测并显示，如飞机交流工作电压1 15 v a c4 0 0 h z ，直流工作电 压2 8 5 v d c ，发动机排气温度表系统0 1 0 0 m v d c ，无线电高度表信号o 2 0 v d c ， 场压装订信号o 1 0 v 。这些模拟信号的大小和性质都需要在综合显示控制器中显 示出来，所以必须进行a d 转换。故在该演示系统中要模拟演示出电压，并送给 上位机进行显示。在这些模拟量中大多数是直流电压，仅有一路交流信号，所以 得考虑其幅度的采集和频率的采集。在这些直流电压中还有一路发动机排温微弱 信号的采集。 在交流信号采集中，在检测出信号的峰值后按照一定的关系计算得出有效值， 采用的芯片是a d 5 3 6 ，a d 5 3 6 是美国a d i 公司推出的专门用于真有效值直流转 换的单片集成电路。它的性能与混合或模数器件相当甚至更优，a d 5 3 6 可直接计算 出任何包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流输出信 号。从而实现对1 1 5 v a c 的转换成直流来采集。如图2 4 所示。 而频率4 0 0 h z 采集是通过芯片l m 3 3 9 采用电压比较的方式来实现的。l m 3 3 9 可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简 单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。通过这种用法，我就可以 1 2 综合显示控制器数据通信演示系统设计 实现对4 0 0 h z 的采集。如图2 5 所示。 c 图2 41 1 5 v a c 的采集电路 图2 54 0 0 h z 的采集电路 发动机排气温度表系统中分包含有左右发动机排温信号两个信号与综合显示 控制系统交联，但是对于模拟演示系统来说，只是对综合显示控制器来说实现通 信就可以，没有左右之分，只要证明能演示出结果正确就可以了，所以我们把两 路合在一起就可以当作左右发动机的排温信号了。在设计时候考虑到发动机排温 信号是一种弱电压信号容易受到干扰，所以必须考虑到干扰问题，要多加滤波电 容，而且传输过程中要注意屏蔽。先通过分压电路得到小信号，如图2 6 所示。 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 1 3 图2 6 排温微弱信号 小信号的放大也要考虑到受干扰的影响，放大器件也要采用精确的，不容易 受到干扰的，因此使用了a d 6 2 6 a n 低压差分放大器，进行放大采集。如图2 7 所示。 三 图2 7 排温小信号的放大 对于直流电压2 8 5 c 和场压装订号o 1 0 v 信号及无线电高度表信号0 2 0 v d c ，采用简单的分压电路来得到，而且采用军品级的专用芯片l m l 2 4 。如图 2 8 所示。 图2 8对2 8 5 v d c 的分压采集电路 二、i o 输入输出量 i o 接口是整个通信机的关键组成部分，通过对各通信接口的管理和控制工 1 4 综合显示控制器数据通信演示系统设计 作，达到数字及模拟信号的高速的接受、转换与发送，及信息交流的目的。由于 d a q 卡上带有i o 量，故可以实现上位机的控制。 从图2 1 看出该演示系统中有很多输入输出量通过硬件电路实现。通过对i o 的实现来达到信息的传输及开关的目的。在实现过程中我们一般通过继电器或者 光耦来控制的。继电器实质是种传递信号的电器，它根据输入的信号达到不同 的控制目的，继电器一般是用来接通和断开控制电器。耦合器以光为媒介传输电 信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由三部分组成： 光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管( l e d ) ，使之发 出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这 就完成了电一光一电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器 输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能 力和抗干扰能力。所以一般在控制输入给p c 机时我们一般使用的光耦，这个既可 以起到控制实现输入输出又可以达到与p c 机良好的隔离作用。该通信机中包含有 航图串行口的接入、航图视频的接入、大气机的接入、惯导接入、发动机转速表 接入、无线电高度表接入、日夜转换开关、运行灯、报警灯的控制。电路很简单， 如图2 9 所示继电器控制电路，图2 1 0 所示光耦控制电路。 图2 9继电器实现i o 控制电路 图2 ，l o 光耦实现i o 控制电路 三、视频视频控制模块 1 、基于f p g a 的l v d s 的信号传输。在演示系统其中一项是通过视频信号 l v d s 的传输实现图片的在显示器上的显示，上位机通过i o 开关的方式对f p g a 进行控制图片的输入和输出并在显示器上的显示。但是进入在综合显示演示系统 中显示器视频信号是以l 、，d s 的方式进行传输的。图片是提前烧制在n a s h 当中的， f p g a 为核心，输出相应的图片信息通过f p g a 从s r a m 得到图片的三基色( r g b ) 主 书一 第二章综显数据通信演示系统的硬件实现 1 5 信息，最后在把r g b 的t t l 电平信号转换成n s 信号传送给显示器。 在被称为信息时代的今天，为适应信息化的高速发展，高速处理器、多媒体、 虚拟现实以及网络技术对信号的带宽要求越来越大，多信道应用日益普及，所需 传送的数据量越来越大，速度越来越快。因此需要新的技术解决这个问题成，l 旧s 这种高速低功耗接口标准为解决这一瓶颈问题提供了可能。 而l v d s ( l o w v 0 1 t a g ed i 蜀衙e 1 1 t i a ls i 盟a l i n g ) 接口又称r s 6 4 4 总线接口，是 2 0 世纪9 0 年代才出现的一种数据传输和接口技术。l v d s 即低电压差分信号，这 种技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点 对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。l v d s 在对信号 完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用。目前， 流行的l v d s 技术规范有两个标准：一个是t w e 认( 电讯工业联盟电子工业联 盟) 的a n s 胛w e 认一6 4 4 标准，另一个是i e e e l 5 9 6 。3 标准。它使得数据能在差 分传输线对或平衡电缆上以几百兆比特秒的速率传输。l 旧s 是用于高速数据传 输的通用接口标准。正是由于其在速度、噪声e m i 、功耗、成本等方面的优点， l 旧s 技术之所以能够解决目前物理层接口的瓶颈。 图2 1 1 所示为l v d s 的原理简刚2 引，其驱动器由一个恒流源( 通常为3 5 m a ) 驱动一对差分信号线组成。在接收端有一个高的直流输入阻抗( 几乎不会消耗电 流) ，所以几乎全部的驱动电流将流经1 0 0 欧姆的终端电阻在接收器输入端产生约 3 5 0 m v 的电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产 生一个有效的”0 ”或”1 ”逻辑状态【2 9 】。 y d d ，一。 电潮0 搿s 融 图2 1 1l v d s 的工作原理不葸图 随着电子制造技术的发展，可编程器件纷纷超越百万门级，设计者面临的产 品性能与设计效率的挑战也越来越大，因此必须合理选择各e d a 厂家提供的软件 开发工具来加速设计，才能在较短的时间内设计出高效稳定的产品。 a l t e f a 公司是全球著名的可编程逻辑器件供应商 3 2 】，也是f p g a 器件的领先供 应商，它在多年用户需求的基础上开发了多种性能优越的系列产品，其售后服务 综合显示控制器数据通信演示系统设计 周全，用户涉及面广，是开发和研制产品的最佳选择之一c y c l o n e i i 系列f p g a 是 a 1 t e r a 公司中等密度的f p g a 产品，基于s 仃a t i x 架构，采用全铜s r a m 工艺，覆 盖门数从5 万门到3 0 万门。c y c l o n e 器件f p g a 主要由逻辑阵列快( l a b ) 、嵌入式 存储器块、i o 单元和p l l 等模块构成，在各个模块之间存在着丰富的互连线和时 钟网络。该芯片逻辑资源丰富，逻辑单元数量最大可达2 0 0 6 0 个，内置m 4 k 嵌入 式阵列块( e a b ) ，最大r a m 数位2 8 8 k b i t s ，可以达到2 0 0 m h z 的工作频率。器件 内部可提供多达4 个全功能的多时钟系统所必需的锁相环( p l l ) ，用于板级的时钟 网络管理和专用i o 接口，这些接口用于连接业界标准的外部存储器器件。该系列 还具有用于d d rs d 删和f c 删( f a s tc y c l e 洲) 的双倍速率传输接口；支持包 括3 1 1 m b p s 低电压l v d s 接口在内的多种i 0 标准；支持6 6 m h z 、3 2 位的p c i 标 准：支持多种口核：支持采用低成本串行配置器件对f p g a 进行配置。因此通过对 比根据需要选择的是f p g a 中c y c l o n e i i 核心芯片e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 ，这个芯片主要 在视频方面应用广泛，而且使用稳定。 o u a r h l s l l 6 o 是越t e r a 公司新版本的f p g a 设计软件，界面直观、友好，支持 灿t e r a 的全系列芯片，为f p g a 设计提供了最高效和最快速的实现途径，与传 f p g a 设计流程相比，发工具可以分为两类，厂商提供的软件工具，一类是其设计 效能显著提高。q u a r n j s u 集成的e d a 开a l t e r