[硕士论文精品]基于fpga的无人机大气数据测试系统

西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统中文摘要在无人驾驶飞机或一些小型飞机中，大气数据参数的采集和处理是非常重要的，它是保障飞机飞行安全以及保证地面指挥和操纵人员正确引导飞行、顺利完成飞行任务的关键所在。本文针对大气数据采集与处理的具体特点，对大气数据参数的采集、处理进行了研究和讨论。本文论述了无人机大气数据测试系统的工作原理，论证了适合其特点的总体方案，采用FPGA芯片作为系统的载体，并着重对系统级芯片内部模块化设计进行了论述。在设计中采取了按功能分割各个模块方法，并分别对测试系统的各个模块进行设计。以对指示空速VI的测试系统作为设计的主干线，详细地论述了测试指示空速劝的系统组成及各个模块之间关系。由于所有的模块均采用VHDL语言进行源代码的编写，所以在对总体及各个模块进行硬件建模完成之后，便进行源代码的设计与输入。在所有模块源代码编写完毕以后，通过编写测试激励文件对所有模块及总体进行功能及时序仿真，并分析仿真结果。最后，通过下载至实验板的测试工作，最终论证了所设计的基于FPGA的大气数据测试系统的可行性。关键字指示空速、硬件描述语言、模块化设计、现场可编程逻辑器件西北工业大学硕十论文基于TPGA的无人机大气数据测试系统ABSTRACTINTHEPILOTLESSAIRCRAFTORSOMEANDSMALLSCALEDAIRPLANE,ATMOSPHEREPARAMETEROFCOLLECTWITHHANDLETOISCOUNTFORMUCH,ANDITGUARANTEETHEAIRPLANETOFLYTHESAFETYANDGUARANTEETHEGROUNDDIRECTWITHMANIPULATETHERIGHTLEADINGOFPERSONNELFLY,SMOOTHLYCOMPLETETHEKEYPLACEOFTHEFLIGHTMISSIONTHISTEXTAIMATSTHEATMOSPHEREDATATOCOLLECTWITHTHECONCRETECHARACTERISTICSTHATPROCESSED,TOATMOSPHEREPARAMETERCOUNTOFCOLLECT,HANDLINGANDPROCEEDSINGRESEARCHWITHDISCUSSTHISTEXTINDETAILINTRODUCEDTHEDATAOFUNMANNEDMACHINEATMOSPHERETOTESTTHESYSTEMSWORKPRINCIPLE,ARGUMENTEDTHETOTALPROJECT,ADOPTIONOFINKEEPINGWITHITSCHARACTERISTICSEDTHE印GACHIPTHESLICEDTHECARRYINGOFCONDUCTANDACTIONSSYSTEMED,ANDCOMBINETOPUTGREATEMPHASISONTOSYSTEMCLASSCHIPSLICEINTERNALMODULARDESIGNTHEDESIGNPROCEEDSTREATISEADOPTEDTOPRESSFUNCTIONTOPARTITIONTHEEACHMOLDPIECEFOR,ANDDISTINGUISHINGDESIGNSYSTEMOFEACHMOLDPIECEINTHEDESIGNWITHTESTINSTRUCTIONAIRSPEEDVISYSTEMCONDUCTANDACTIONSSYSTEMTHATDESIGNTHATMAINTRUNKLINE,INDETAILDISCUSSEDTHETESTTOINSTRUCTIONEDAIRSPEEDTOISSOONTHEVIEDTOCONSTITUTEANDOFTHEEACHMOLDPIECERELATIONBECAUSEOFALLMOLDSPIECETHEPLAITFORPLAITFORALLADOPTINGTHEVFIDLLANGUAGEPROCEEDINGSOURCECODEWRITING,THEREFOREAFTERPROCEEDINGHARDWAREOFRIGHTTOTALANDEACHMOLDPIECESETUPMOLDCOMPLETE,THENPROCEEDINGSORCECODEWRITEATHAVEASORCECODEPLAITWRITETOCOMPLETEHEREAFTER,PASSPLAITTOWRITETOTESTTOENCOURAGERIGHTALLMOLDPIECESESANDTOTALPROCEEDINGFUNCTIONSOFDOCUMENTSONTIMETHEPREFACEIMITATETRUE,ANDTHEANALYSISIMITATETRUERESULTFINALLY,PASSTOTESTWORKTHATDOWNLOADTHEBITFILETOTHETESTBOARD,VALIDATETHEPOSSIBILITYOFTHEDESIGNOFACCORDINGTOTHEFPGAATMOSPHEREDATATESTSYSTEMKEYWORDSINSTRUCTIONAIRSPEED、HDL,MODULARDESIGN,FPGA西北R业大学硕上论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统第一章绪论11课题的背景和意义无人驾驶飞机，即不载人飞机，简称无人机，是由无线电遥控设备或自备程序控制系统操纵的不载人飞机。它具有体积小、重量轻、机动性好、造价低廉、用途广泛、不依赖机场、空勤保障简单、不受人的生理特点限制等优点，在现代战争、气象、地质勘探和科学实验中得到广泛应用。同其它通用的飞机一样，无人机大气数据的采集与处理也同样非常重要。它是保证无人机飞行安全和地面指挥、操纵人员正确引导飞行、顺利执行飞行任务的关键之一。最早的飞机是在没有任何飞行仪表的情况下飞行的，驾驶员只能依赖于他的视觉、感觉、和听觉给出相对地面的高度和速度等大气参数。因此，这种飞行只限于在良好的气候条件下进行的，试图在恶劣天气下飞行维修会发生飞行事故。随着航空技术的发展，航空专家们越来越多的认识到必须设计一种能够在能见度很差的条件下操纵飞机的系统，即飞行状态仪表。大气数据仪表即是表征飞行状态仪表的一部分。最初的空速指示器和高度表非常简单。空速指示器就是利用表内的开口膜盒，在动压的作用下产生膨胀，从而带动指针指示出相应的空速。这是因为动压的大小与气流的速度等因素有关，所以指针的指示能够反映气流速度的大小，即空速的大小。而由于在标准大气压条件下，气压高度与静压是一一对应的单值函数关系，所以可以用气压的大小来反映飞机气压高度的大小，因此最初的高度表实际上就是一种真空膜盒式气压计，以米或英尺计量高度。首先把膜盒内部抽成接近真空，作用在膜盒外部的为静压，这样，高度表便是测量绝对压力的气压计，不过刻度为与气压相对应高度罢了。气动式大气仪表的进步发展，造就了升降速度指示器和马赫数指示器的出现。机械式大气数据仪表依靠空气流动直接驱动指示器，结构简单、可靠性好。经过专家的多年研制，出现了许多修正方案，如温度误差的机械补偿，气压校正等，因而提高了指示精度。随着气动仪表的高速发展，从而导致了气动传感器的出现，促进了大气数据测试系统发展，并逐渐在此基础之上演变成大气数据计算机系统，研究大气数据测试系统正是为以后设计数字式大气数据计算机系统做准备。由于飞机飞行时所需的大气数据参数有很多，要想把所有的参数都测量出来西北R业大学硕上论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统第一章绪论11课题的背景和意义无人驾驶飞机，即不载人飞机，简称无人机，是由无线电遥控设备或自备程序控制系统操纵的不载人飞机。它具有体积小、重量轻、机动性好、造价低廉、用途广泛、不依赖机场、空勤保障简单、不受人的生理特点限制等优点，在现代战争、气象、地质勘探和科学实验中得到广泛应用。同其它通用的飞机一样，无人机大气数据的采集与处理也同样非常重要。它是保证无人机飞行安全和地面指挥、操纵人员正确引导飞行、顺利执行飞行任务的关键之一。最早的飞机是在没有任何飞行仪表的情况下飞行的，驾驶员只能依赖于他的视觉、感觉、和听觉给出相对地面的高度和速度等大气参数。因此，这种飞行只限于在良好的气候条件下进行的，试图在恶劣天气下飞行维修会发生飞行事故。随着航空技术的发展，航空专家们越来越多的认识到必须设计一种能够在能见度很差的条件下操纵飞机的系统，即飞行状态仪表。大气数据仪表即是表征飞行状态仪表的一部分。最初的空速指示器和高度表非常简单。空速指示器就是利用表内的开口膜盒，在动压的作用下产生膨胀，从而带动指针指示出相应的空速。这是因为动压的大小与气流的速度等因素有关，所以指针的指示能够反映气流速度的大小，即空速的大小。而由于在标准大气压条件下，气压高度与静压是一一对应的单值函数关系，所以可以用气压的大小来反映飞机气压高度的大小，因此最初的高度表实际上就是一种真空膜盒式气压计，以米或英尺计量高度。首先把膜盒内部抽成接近真空，作用在膜盒外部的为静压，这样，高度表便是测量绝对压力的气压计，不过刻度为与气压相对应高度罢了。气动式大气仪表的进步发展，造就了升降速度指示器和马赫数指示器的出现。机械式大气数据仪表依靠空气流动直接驱动指示器，结构简单、可靠性好。经过专家的多年研制，出现了许多修正方案，如温度误差的机械补偿，气压校正等，因而提高了指示精度。随着气动仪表的高速发展，从而导致了气动传感器的出现，促进了大气数据测试系统发展，并逐渐在此基础之上演变成大气数据计算机系统，研究大气数据测试系统正是为以后设计数字式大气数据计算机系统做准备。由于飞机飞行时所需的大气数据参数有很多，要想把所有的参数都测量出来西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据侧试系统需要建立一个庞大的大气数据计算机系统，而基于FPGA的无人机大气数据测试系统这一课题正是为此做准备的研究工作。结合无人机的特点，本人的设计就是以测试指示空速VI、气压高度场这两个大气数据参数为目的，设计一个专门的系统来实现测试的目的，为以后建立数字式大气数据计算机系统做好准备工作。而在具体的系统设计时，以测试指示空速VI为设计的主干线。本课题主要的研究内容就是如何根据大气原始参数传感器输出的信号，经过采集和处理以后，得到满足精度和速度要求的指示空速VI、气压高度HP等大气数据参数。而系统的载体则是一片FPGA芯片，在此芯片内部构造一个能对前端传送过来的信号进行采集和处理的系统则是研究的重点。互12本人的主要工作FPGA以其功能强大，开发过程投资少、周期短、可反复修改、保密性好黑匣子、开发工具智能化等特点成为当今硬件设计的首选方式之一。本课题的工作主要是在研究大气数据的采集与计算、以及FPGA模块化设计的基础上，以XILINXSPARTANIIXC2S100芯片为依托，在其中构建一个满足一定精度和速度专用的大气数据测试系统。具体包括以下几方面的工作1研究无人机大气数据测试系统的组成及测试方法，着重研究指示空速、气压高度的测试与计算推导过程，得出在满足一定条件下的最佳运算方式2掌握FPGA的特点和工作原理，将FPGA的模块化设计合理运用于本设计之中3重点研究片内系统各个模块构造，以及各个模块之间或内部的信号联系。考虑到本课题所使用的开发板中内嵌的MINXSPARTAN11XC2S100的FPGA芯片为系统之载体，在满足一定精度与速度的条件下搭建出系统的各个模块4对各个模块及总体功能进行分析，编写出相应的基于VHDL语言的源代码，并完成设计输入5设计输入完成之后，对所设计的系统各模块进行仿真、综合、实现，并得出功能仿真、综合后仿真、布局布线后仿真的结果，并把结果反馈到原设计之中，参照预先的设定的要求，根据仿真结果对不足之处进行不断修改，直到满足要求为止6在仿真得出正确结果之后，将系统综合、实现并生成BIT文件，下载至FPGA芯片内进行最后的上板验证，并分析结果，以待以后进一步的研究。西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据侧试系统需要建立一个庞大的大气数据计算机系统，而基于FPGA的无人机大气数据测试系统这一课题正是为此做准备的研究工作。结合无人机的特点，本人的设计就是以测试指示空速VI、气压高度场这两个大气数据参数为目的，设计一个专门的系统来实现测试的目的，为以后建立数字式大气数据计算机系统做好准备工作。而在具体的系统设计时，以测试指示空速VI为设计的主干线。本课题主要的研究内容就是如何根据大气原始参数传感器输出的信号，经过采集和处理以后，得到满足精度和速度要求的指示空速VI、气压高度HP等大气数据参数。而系统的载体则是一片FPGA芯片，在此芯片内部构造一个能对前端传送过来的信号进行采集和处理的系统则是研究的重点。互12本人的主要工作FPGA以其功能强大，开发过程投资少、周期短、可反复修改、保密性好黑匣子、开发工具智能化等特点成为当今硬件设计的首选方式之一。本课题的工作主要是在研究大气数据的采集与计算、以及FPGA模块化设计的基础上，以XILINXSPARTANIIXC2S100芯片为依托，在其中构建一个满足一定精度和速度专用的大气数据测试系统。具体包括以下几方面的工作1研究无人机大气数据测试系统的组成及测试方法，着重研究指示空速、气压高度的测试与计算推导过程，得出在满足一定条件下的最佳运算方式2掌握FPGA的特点和工作原理，将FPGA的模块化设计合理运用于本设计之中3重点研究片内系统各个模块构造，以及各个模块之间或内部的信号联系。考虑到本课题所使用的开发板中内嵌的MINXSPARTAN11XC2S100的FPGA芯片为系统之载体，在满足一定精度与速度的条件下搭建出系统的各个模块4对各个模块及总体功能进行分析，编写出相应的基于VHDL语言的源代码，并完成设计输入5设计输入完成之后，对所设计的系统各模块进行仿真、综合、实现，并得出功能仿真、综合后仿真、布局布线后仿真的结果，并把结果反馈到原设计之中，参照预先的设定的要求，根据仿真结果对不足之处进行不断修改，直到满足要求为止6在仿真得出正确结果之后，将系统综合、实现并生成BIT文件，下载至FPGA芯片内进行最后的上板验证，并分析结果，以待以后进一步的研究。西北工业大学硕士论文签于FPGA的无人机大气数据测试系统13本文的内容安排本文在内容上做了如下安排第一章，绪论部分，总体对设计工作及论文情况进行简要介绍第二章，对大气数据测试系统的组成进行较为详细的阐述，并对指示空速VI、气压高度HP的计算原理加以全面的推导第三章，简单的介绍一下FPGA的基本原理以及它的设计流程，另外还论述了本人对FPGA模块化设计MODULARDESIGN方法的理解第四章，然后，通过对测试系统的各种条件分析，对本课题所研究的对象在所基于的FPGA芯片内部进行系统级的搭建，并详细论述了系统内部各模块的设计方法与设计流程，并且使用基于VHDL语言的描述编写出源代码，为下一步的各级仿真工作做准备第五章，在完成设计输入之后，通过各级仿真确定系统的功能及时序是否正确，验证系统的精度和速度是否满足要求，在各模块及总体的各级仿真通过之后，便进行最后的上板验证工作，并分析结果第六章，结论。西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据侧试系统第二章无人机大气数据测试系统的理论基础大气数据各种参数的测量是现代化飞行中必不可少的一项工作，它为机载火控系统，飞行控制系统和导航系统等提供所需的实时大气数据信息，其性能的好坏不仅直接关系到对大气数据的准确检测和指示，而且还影响飞行任务的完成及飞行的安全。因此，世界上各个国家都非常重视大气数据测试系统的发展和应用。随着航空与电子技术的飞速发展，大气数据测试系统逐渐演变为大气数据计算机系统。21大气数据测试系统的功能要求飞机的大气数据参数主要应用于飞机上的导航系统、火控系统、发动机自控系统、空管系统，另外即时的仪表显示、警告系统等也是必不可少的信息。因此，为了满足飞机上其它系统对大气数据信息的需求和对大气数据系统的安全性、可靠性、可维修性的要求，一般来说，大气数据计算机应具有一下功能R111如果该系统在输入静压PS，总压P或动压PQ、大气总温TT，气压修正信号AP。和指示仰角A和静压源误差修正信号的条件下，应能提供下列大气参考信息，即气压高度HP，气压修正高度伽、气压高度变化率、高度偏差信号4HP、马赫数MAMA的变化率、指示空速VI、真空速V、最大允许空速VN和最大允许马赫数M、真实仰角A，、大气密度P、大气静温T、大气总温T真实静压P、指示动压PQI、真实动压巧、空速保持AV和静压变化率等2系统应具有输出不同形式信息的功能。如根据实际需要能输出直流、单向交流、三项交流等模拟信息，也能输出二进制和二一十进制串行或并行的数字量信息等3系统应具有误差修正功能如静压源误差修正、传感元件的非线性修正等4系统应具有自监控功能和故障警告功能，其中包括全部主要部件的监控能力5系统应具有飞行前和飞行中的自检测功能6系统应具有可快速方便地更换组件功能等。上述对大气数据系统的全面功能要求，视飞机机种的不同而有所差别。除上述功能要求外，其还应该满足一般常规要求，如静态性能、动态性能、体积、重量和功耗等。事实上，并不是所有的飞机都完全满足上述功能要求，当然也没有必要。例西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据侧试系统第二章无人机大气数据测试系统的理论基础大气数据各种参数的测量是现代化飞行中必不可少的一项工作，它为机载火控系统，飞行控制系统和导航系统等提供所需的实时大气数据信息，其性能的好坏不仅直接关系到对大气数据的准确检测和指示，而且还影响飞行任务的完成及飞行的安全。因此，世界上各个国家都非常重视大气数据测试系统的发展和应用。随着航空与电子技术的飞速发展，大气数据测试系统逐渐演变为大气数据计算机系统。21大气数据测试系统的功能要求飞机的大气数据参数主要应用于飞机上的导航系统、火控系统、发动机自控系统、空管系统，另外即时的仪表显示、警告系统等也是必不可少的信息。因此，为了满足飞机上其它系统对大气数据信息的需求和对大气数据系统的安全性、可靠性、可维修性的要求，一般来说，大气数据计算机应具有一下功能R111如果该系统在输入静压PS，总压P或动压PQ、大气总温TT，气压修正信号AP。和指示仰角A和静压源误差修正信号的条件下，应能提供下列大气参考信息，即气压高度HP，气压修正高度伽、气压高度变化率、高度偏差信号4HP、马赫数MAMA的变化率、指示空速VI、真空速V、最大允许空速VN和最大允许马赫数M、真实仰角A，、大气密度P、大气静温T、大气总温T真实静压P、指示动压PQI、真实动压巧、空速保持AV和静压变化率等2系统应具有输出不同形式信息的功能。如根据实际需要能输出直流、单向交流、三项交流等模拟信息，也能输出二进制和二一十进制串行或并行的数字量信息等3系统应具有误差修正功能如静压源误差修正、传感元件的非线性修正等4系统应具有自监控功能和故障警告功能，其中包括全部主要部件的监控能力5系统应具有飞行前和飞行中的自检测功能6系统应具有可快速方便地更换组件功能等。上述对大气数据系统的全面功能要求，视飞机机种的不同而有所差别。除上述功能要求外，其还应该满足一般常规要求，如静态性能、动态性能、体积、重量和功耗等。事实上，并不是所有的飞机都完全满足上述功能要求，当然也没有必要。例西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统如我们所要讨论的无人机大气数据测试系统就属于这种情况，我们只需要研究由输入参数中最基本的参数一一动压PQ或者静压PS来测量出指示空速VI或者气压高度HP来。22无人机大气数据测试系统的组成无人机大气数据测试系统，虽然对大气数据各个参数的测量范围及功能不及其它大型飞机强大，但是对它的研究也是十分重要的。通用大气数据测试系统是一种典型的综合实时测试系统，它依靠少量的传感器获得基本信息后，通过数据处理单元计算出几十个甚至上百个有用的大气数据参数，提供给其它需要大气参数的机载电子设备。同时，它的运算及传递速度快，能及时采集、运算和输出信息，以适应飞机系统的快速动态响应要求。针对无人机的具体特点，我们提出了无人机大气数据测试系统的具体设计方案，其工作原理框图如图21所示。图21无人机大气数据测试系统原理框图因为我们研究的是无人机大气数据测试系统，受无人机成本、体积、重量、功耗、使用环境条件等诸多方面因素的限制，它不可能像普通大型飞机上所使用的大气数据计算机一样，全面地测量出大气静压PS、大气动压巧、总温度TC,攻角、侧滑角等大气数据计算机系统所需要的全部输入参数。同样的道理，对输出参数的选取也只要求输出最基本、最重要的大气数据参数。从图21可见，它由原始参数传感器、输入接口、基于FPGA的运算处理单元等组成。原始参数传感器包括静压传感器和动压传感器。它们分别测得相应的原始参西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统如我们所要讨论的无人机大气数据测试系统就属于这种情况，我们只需要研究由输入参数中最基本的参数一一动压PQ或者静压PS来测量出指示空速VI或者气压高度HP来。22无人机大气数据测试系统的组成无人机大气数据测试系统，虽然对大气数据各个参数的测量范围及功能不及其它大型飞机强大，但是对它的研究也是十分重要的。通用大气数据测试系统是一种典型的综合实时测试系统，它依靠少量的传感器获得基本信息后，通过数据处理单元计算出几十个甚至上百个有用的大气数据参数，提供给其它需要大气参数的机载电子设备。同时，它的运算及传递速度快，能及时采集、运算和输出信息，以适应飞机系统的快速动态响应要求。针对无人机的具体特点，我们提出了无人机大气数据测试系统的具体设计方案，其工作原理框图如图21所示。图21无人机大气数据测试系统原理框图因为我们研究的是无人机大气数据测试系统，受无人机成本、体积、重量、功耗、使用环境条件等诸多方面因素的限制，它不可能像普通大型飞机上所使用的大气数据计算机一样，全面地测量出大气静压PS、大气动压巧、总温度TC,攻角、侧滑角等大气数据计算机系统所需要的全部输入参数。同样的道理，对输出参数的选取也只要求输出最基本、最重要的大气数据参数。从图21可见，它由原始参数传感器、输入接口、基于FPGA的运算处理单元等组成。原始参数传感器包括静压传感器和动压传感器。它们分别测得相应的原始参西北工业大学硕_L论文基于FPGA的无人机人气数据测试系统数静压PS和动压PQ，并以模拟量的形式送到输入接口电路。由于本课题主要考虑的是在FPGA片内系统的构造，对前端只要考虑接收正常的电压信号05V经电压变频率V/F转换后的频率信号FI，并对它们进行处理而不用考虑何种型号的传感器，毕竟我们最关心的还不是前端送过来的电压信号，对此信号的采集与处理才是大气数据测试系统设计的关键。输入接口电路主要由V/F变换器组成，把来自原始参数传感器信号变成频率信号输入到FPGA芯片中去，经过相应的函数运算处理，得到气压高度HP和指示空速VI这两个最为关键的大气数据参数。得到的结果可以经过一些变换再传递给无人机的控制系统，以供其它机载设备使用。23大气数据参数的计算原理大气数据参数有很多，这里着重介绍气压高度、指示空速及真空速这几个无人机必需的大气参数的计算原理。231气压高度计算的原理2311国际标准大气为了满足飞机仪表标准化的需要，1972年由航空与航天器技术委员会起草，国际民航组织和世界各相关组织共同讨论，并得到世界上主要国家同意的“国际标准大气”，已由国际化标准组织ISO正式编入国际标准IS02533一标准大气，该标准规定一2001米一80000米高度范围内大气各参数与高度的关系。国际标准大气规定F111空气为干燥的理想气体，并遵循理想气体方程所确定的关系。PRT_。，F一尸、JM21式中一气体的气压单位一气体的密度单位T一气体的温度单位M一平均空气克分子量PAKG/3KM28964420K留KMOL西北工业大学硕_L论文基于FPGA的无人机人气数据测试系统数静压PS和动压PQ，并以模拟量的形式送到输入接口电路。由于本课题主要考虑的是在FPGA片内系统的构造，对前端只要考虑接收正常的电压信号05V经电压变频率V/F转换后的频率信号FI，并对它们进行处理而不用考虑何种型号的传感器，毕竟我们最关心的还不是前端送过来的电压信号，对此信号的采集与处理才是大气数据测试系统设计的关键。输入接口电路主要由V/F变换器组成，把来自原始参数传感器信号变成频率信号输入到FPGA芯片中去，经过相应的函数运算处理，得到气压高度HP和指示空速VI这两个最为关键的大气数据参数。得到的结果可以经过一些变换再传递给无人机的控制系统，以供其它机载设备使用。23大气数据参数的计算原理大气数据参数有很多，这里着重介绍气压高度、指示空速及真空速这几个无人机必需的大气参数的计算原理。231气压高度计算的原理2311国际标准大气为了满足飞机仪表标准化的需要，1972年由航空与航天器技术委员会起草，国际民航组织和世界各相关组织共同讨论，并得到世界上主要国家同意的“国际标准大气”，已由国际化标准组织ISO正式编入国际标准IS02533一标准大气，该标准规定一2001米一80000米高度范围内大气各参数与高度的关系。国际标准大气规定F111空气为干燥的理想气体，并遵循理想气体方程所确定的关系。PRT_。，F一尸、JM21式中一气体的气压单位一气体的密度单位T一气体的温度单位M一平均空气克分子量PAKG/3KM28964420K留KMOL西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统R一通用气体常数R831432比M2/S2KKMOLR一空气专用气体常数RRM28705287M2/S2K2以海平面为零高度，海平面大气的标准状态为气压PO为760MMHG或101325KPA气温TO为28815K标准空气密度为1225KGJM3为了便于讨论大气中的压力分布，国际标准大气引出重力势及重力势高度H的概念。重力势。X,Y,Z代表了地球大气层内某一给定点上空气微粒的势能DX,YZ。在地球重力场内，当4X,Y,Z为常数时，其所确定的面上的所有势能都相等，就称之为“等位势面”或“等重力势面”。当空气微粒沿地球外法线从重力势为。的面移动到的4D2D2DID4面时，单位质量所做的功为DOG,DH或。，丈GXDH式中H一几何高度弹位米G一随几何高度H变化的自由落体加速度单位用重力势中除以标准自由落体加速度GN,就得到重力势高度H湘秒2的表示式4112傀乙中1H月一一FGANG911DH互DH在标准大气情况下，只考虑地球万有引力时，用下面的公式就可以足够精确地求得不同高度的重力加速度。二M2一，RN26式中R6356766米称为地球的公约半径。将式26代入式24，可得70八，2H二RHRHH二RHR一H4对流层的顶界为11公里上升1000米，气温降低65K在对流层内，气温垂直变化率为65K/KM，即每在高度为N公里至随高度的变化而变化，等于一5660C当高度超过25公里的平流层内，气温不25公里时，气温随高度的升西北工业大学硕士论文基于FYGA的无人机大气数据侧试系统高略有上升，气温的垂直变化率约为1K/KM而每一高度分层的温度均取为重力势高度的线性函数，即几二T,6H一H,2C,式中HB一相应层的重力势高度下限值TB一相应大气温度下限值0一气温的垂直变化率扣DT/DH2312飞行高度的定义及种类飞行高度是指飞机在空中距离某一个基准面的垂直距离，它是描述飞机的飞行性能和飞行状态的主要参数之一，也是飞机在飞行中的一个重要的控制参数。根据测量高度时所选取的基准面不同，得出的飞行高度也不同，在飞行中所使用了飞行高度大约可分为以下几种1相对高度飞机从空中到一指定地点地面的垂直距离一称为相对高度。利用大气特性测量相对高度时，一般指定地点的气压平面作为基准面2真实高度飞机从空中到正下方地面目标上的垂直距离，称为真是高度3绝对高度飞机从空中到实际海平面的垂直距离4气压高度指飞机从空中到大气压力等于760MMHG的标准气压平面的垂直距离。这是一个人为的大气模型高度，由于大气是飞机等飞行器飞行的载体，气压高度是控制飞机正常飞行的重要参数，所以得出精确的气压高度是相当重要的。另外，气压高度在国际上是通用的，在空中交通管制中有极大的作用。当飞机作长途转场飞行或在指定空域待命飞行时，都按某一指定的气压高度来保持飞行高度，以防止飞机在同一航线上与其它飞机相撞，从而保证了飞机的飞行安全。所以，本课题以气压高度的测量作为主要对象之一，如果不加注明的话，我们这里讨论的飞行高度一般都是指气压高度HP2313气压高度公式的推导我们知道，利用大气压力随高度的变化而变化的特性，通过测量飞机所在处的大气压力指静压PS就可以间接测量飞机的气压高度HP。这是假设大气相对于地球静止，即没有水平和垂直方向的运动，这时可在任意高度上取一个截面积为DS,高度为DH的微型空气柱，如图22所示。西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机人气数据测试系统图22微型空气柱压力分析示意图假设这微型空气柱的下底面所承受的大气压力为PS上地面所受的大气压力为PSDPS，则压差为DPS，而设其重量为G，因为大气柱处于静止平等状态，则其静力平衡式为而所以且P只DS一只识冲GGPGBDHDS明DSPBDHDS0PBDH210PSH只一二二GH找L211识识一DH将式25袱入上式，得些_GDHRT212当16，0时，将T二TB,6H一HB代入212式，并在HB至HP,PB至PS的高度和气压范围内，将式212两边积分，即REDP,H,81一“止JJ0PD“,RTNAH一“BL整理后，可得“一“1扣，一幻1一SHAR二，一誉P一8R一卜、213214西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统当FL二0时，则可得_9H，一价P二PBER凡凡，RTL。PHPHBBLNBG,P215216当用上式求解HP时，由于标准大气温度不是连续的，故HP有不同的函数表达式，下面就分别讨论之HPL同理，可以对超音速流的气动力方程222做适当的整理，可得PAKLKDZ_兴_R一一1,_、A，4K一2K一1M、VKLMA2PK十12MA2，兴_R一一R4KMA一2K一1“P,VZLE239由上式可得V_阵2P9NP,1E，一超音速时压缩效应修正系数，且240238459MAS7MA2一11251429一1MA241由式226228240可见，不论是超音速气流还是亚音速气流，也不论是否考虑压缩性效应，空速与动压入，静压PS和大气密度PS或气温都有确定的函数关系。因此通过测量大气的静压、动压和大气密度气温就可以间接地测量空速。2324指示空速测量原理如果将上面讨论的空速公式中飞机所在处的大气静压PS，大气密度PS或大气静温功看作常数，并把它们分别取为标准海平面上的大气静压PO，大气密度PO大气静温TO，则可分别得到AL且不考虑空气压缩性时V,2P92R几尺可一DPO242MA,1,考虑空气压缩性时西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统一了，RTOK“PK,2RTAK_11PKA一2P4PO1EN243式中1，代、2一K，叱、E巴一吸一1十吸一十“4A24A当K14时。粤山Z，畏山A一粤鹉ZV,24KRTAV,Z16075TO244对于MAL时几一1一柯_KL匕22P0K124K一2K一“与，V,PK1ZMAI一1I一P4KMA一2K一LJ山AO两KL一合POV,Z1一，245式中，式中MAT为VI对应的马赫数，由246可得V,2P4PA1EN246238459MA,犷7MA,Z一1F51429COMA,2A7这样一来，空速V就只与动压PY成单值函数。在这种情况下，就把空速VI称为指示空速。显然，指示空速VI是不考虑大气密度P，实际上也就是大气静压P。和静温T5，而只把上一段所讨论的空速随高度变化的空速。而为了和指示空速VI相区别，我们，又称为真实空速、真空速。可见，在标准海平面上指示空速VI等于真空速，而在其它高度上真空速都大于指示空速，而且高度越高，相差越大。2325无人机指示空速与真空速计算公式1指示空速计算公式由于受自身条件的限制，无人机的飞行速度都比较低MA远远小于1，一般西北工业大学硕上论文基干FPGA的无人机大气数据测试系统在对流层中飞行HP小于1100米，所以在无人机上并没有引入马赫数和大气温度等参数。因此，在研究它的大气数据计算机时，只考虑其处于亚音速且空气压缩时的情况。公式243就是符合上述情况的指示空速的公式，即二扮KILPKTO1QKK1P一12PPO1C简化之得二A,括PKL1PAK一1248将标准平面得大气静压PO，音速AO和K14代入上式，得V,二1225058,1511013257一1249式中，动压PY得单位是KPA,VJ的单位是KM/H。由于本课题所研究的主要对象便是利用FPGA芯片构造测试系统来计算飞行速度远远小于1MA，飞行高度小于11000米的无人机指示空速，所以这个公式将作为后期函数运算模块设计的主要考虑对象。2真实空速的计算公式同样，在只考虑亚音速且空气压缩时的情况下，我们可以由式233来计算出飞机的真实空速。但考虑到实际计算中的方便，下面就介绍一种由指示空速推导出真实空速的方法。指示空速VI可以写成2PV卜一了甲VPOK,EA250而真实空速V为2P_V、甲万升下丫P妙十气251式中，E和PS,和P。分别是某高度上和标准平面的静止大气密度和压缩效应修正系数。由251式除以250式，可得V二PO_LEQR1EVPO_LLEO252V氛253西北工业大学硕士论文基于FP认的无人机大气数据侧试系统式中，大气密度的相对变化量毛，为。二AYP一P6T,PTO254高度变化引起的压缩修正系数的相对变化毛为。一T1E,一255所以，真实空速可表示为一。一XLTTTTOL而由式29可知，在平流层中大气静温可近似由下式代替一,6H，一、1AH,N256即257由式213可得“一“1AHPAA6258把式257、式258代入式256中，可得刀一兀一兀T1H,VV,P61二C1HTOV,1一0006528815HP_2126259由式仅59可以看出，只要求出指示空速VI及气压高度场，就可以求出真实空速V来。所以，指示空速VI和HP的计算对于无人机的飞行控制，以及其它参数的计算有着至关重要的作用，利用动压PQ和静压PS又可以分别根据公式249和公式217求出处于低速远远小于1MA、低空高度小于11000米飞行的无人机指示空速VI和气压高度HP综上所述，根据前端动压传感器和静压传感器送过来电压信号，对之进行采集和处理便可得到所需的各参数。本课题的主要任务便是研究如何在一块FPGA芯片中通过内部系统的搭建，对前端信号进行采集、处理得出理想的结果，并且各级仿真通过，以及综合、实现得出可下载的BIT文件，以供以后的工作使用。西北工业人学硕士论文墓于即GA的无人机大气数据测试系统第三章基于FPGA的片内系统的研究当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路VLSIC，几万门以上以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路ASIC芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件FPLD，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD31可编程逻辑器件与硬件描述语言妇11可编程逻辑器件PLDPLD是可编程逻辑器件PROGRAMABLELOGICDEVICE的简称，FPGA是现场可编程门阵列FIELDPROGRAMABLEGATEARRA刃的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/FPGAPLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能做什么呢可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PID来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步。FPGA现场可编程门阵列与CPLD复杂可编程逻辑器件都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAI,GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都西北工业人学硕士论文墓于即GA的无人机大气数据测试系统第三章基于FPGA的片内系统的研究当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路VLSIC，几万门以上以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路ASIC芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件FPLD，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD31可编程逻辑器件与硬件描述语言妇11可编程逻辑器件PLDPLD是可编程逻辑器件PROGRAMABLELOGICDEVICE的简称，FPGA是现场可编程门阵列FIELDPROGRAMABLEGATEARRA刃的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/FPGAPLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能做什么呢可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PID来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步。FPGA现场可编程门阵列与CPLD复杂可编程逻辑器件都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAI,GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都西北工业大学硕士论文纂于FPGA的无人机大气数据测试系统开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是XILINX公司的FPGA器件系列和ALTERA公司的CPLD器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。简化的FPGA/CPLD的结构由4部分组成输入/输出模块、二维逻辑阵列模块、连线资源和内嵌式存储器结构。输入/输出模块是芯片与外界的接口，完成不同电气特性下的输入/输出功能要求二维逻辑阵列模块是可编程逻辑的主体，也可以根据设计灵活地改变连接与配置，完成不同的逻辑功能连线资源连接所有的二维逻辑阵列模块和输入/输出模块，连线长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度内嵌式存储器结构可以在芯片内部存储数据。FPGA与CPLD的主要区别便是两者的二维逻辑阵列模块内部结构不同。1CPLD的二维逻辑阵列基于乘积项PRODUCTTERM结构，它的内部结构如图31所示。这种PLD可分为三块结构宏单元MAROCELL，可编程连线PIA和1/O控制块。宏单元是PLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。图1中兰色部分是多个宏单元的集合因为宏单元较多，没有一一画出。可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。I/O控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。图31左上的INPUT/GCLKI,INPUT/GCLRN,INPUT/OE1,INPUT/OE2是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与PLD中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。ATONOI洁图31基于乘积项的PLD内部结构2FPGA的二维逻辑阵列模块是基于查找表LOOKUPTABLE结构，简称为LUT,LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以西北工业大学硕士论文基于FPGA的无人机大气数据测试系统每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16X1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。如表31所示，为一个4输入与非门的例子。实际逻辑电路LUT的实现方式1一。粼到WITU161RAM016XL爪姗OUTJA,B,C,D输入逻辑输出地址RAM中存储的内容1兀城义000的000010仪K加10001111111111表31一个4输入与非门的FPGA的LUT实现形式本课题研究的对象便是基于XILINX公司生产的SPARTANIIXC2S100的FPGA芯片，此芯片的内部构造如图32所示。E口田巨巫刁S门J吕匕吕一一N印口1，J口D日L汪日口口仁团口燃烈Q口口口翻KI几、妇产肠尸，全麒眼碾碾国门曰门曰日门门曰门CLOSFTI门IRGT9LJ口口T图32XILINXSPARTAN11芯片的内部构造SPARTAN11主要包括CLBS,1/0块，RAM块和可编程连线未表示出在SPARTAN11中，一个CLB包括2个SLICES，每个SLICES包括两个LUT，两个触发器西北工业大学硕士论文墓于FPGA的无人机大气数据测试系统和相关逻辑。SLICES可以看成是SPARTANII实现逻辑的最基本结构，它的结构如图33所示。图33SPARTANII的SLICES结构另外，FPGA中寄存器资源比较丰富，适合做同步时序电路较多的设计CPLD中组合逻辑资源比较丰富，适合做组合电路较多的设计。本课题