CN111781866A - 一种基于fpga的可重构测发控计算机模块组 - Google Patents

一种基于fpga的可重构测发控计算机模块组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，包括：FPGA核心控制模块，用于桥接模块之间数据信息流；电源模块，用于为模块组内各模块提供电源；背板模块或线缆网，用于为各模块提供数据信息流信道和供电接口；外设功能模块，用于实现模块组的具体功能；扩展操作系统主板，用于扩展可视的图形化界面，将计算机模块组中的数据信息流提供用户查看，并对控制逻辑进行实时监控和干预。应用本发明重构集成的飞行器测发控计算机设备具有极强的灵活可扩展性，且具有小型化、集成化优势，可以满足短周期、低成本、高可靠性的设备应用需求。

Description

一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组
技术领域
本发明涉及地面测试和发射控制领域。更具体地，涉及一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组。
背景技术
地面测试和发射控制设备作为现代飞行器装备的重要使用维护设备，是飞行器产品中使用频繁、工作环境复杂、可靠性要求极高的重要组成部分，其测发控功能的完整性与可靠性直接关系到飞行器全生命周期的健康状态，并决定了飞行器完成任务的能力。
目前各类飞行器呈现出多样化、复杂化的发展趋势，而配套的测发控设备多采用专用设备的研制模式，在硬件研制过程中未采用通用化可扩展架构，因此飞行器测发控计算机种类和数量日趋增多，耗费了大量研制经费与投入的同时延长了设备研制周期，且硬件资源重复利用率无法得到有效提高，不能满足未来飞行器种类多样化、快速发展的应用需求。
因此，测发控计算机类设备应逐步趋向于可重构的通用化硬件平台研制模式，采用硬件资源最小化、软件资源最大化的通用化技术途径，从而使硬件资源的有效利用率得到显著提升。所谓可重构技术，即在软件的控制下，根据应用的需要，利用系统中的可重构资源重新构造计算平台，使其同时具有专用硬件电路的高性能和软件的灵活性。
通用可重构控制计算机模块组是根据目前测发控计算机、电气控制组合类产品微小型化、通用化需求定制的一类通用型模块，基于FPGA技术进行研发设计有利于测发控计算机产品实现小型化、集成化，且能够有效提升运算效率与性能，可用于搭建具备标准外设功能接口模块的硬件平台。
应用基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，可以实现多代硬件产品的通用化、模块化与内部接口的标准化，使得一型、一代硬件平台将可以兼容多种软件产品，从而适应多型、多代不同飞行器功能需求的测发控应用需求。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种通用性强、使用灵活、可扩展性强的可重构计算机模块组，用于根据应用对象的特定需求快速搭建、集成可实施任务的测发控计算机类设备,能够大幅度提升该类设备的集成开发效率、提升综合保障性能、提升硬件设备重复利用效率，从而有效应对传统研制模式下测发控计算机类设备专用性强、研制周期难以压缩、资源消耗大等实际问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，所述模块组包括：
至少一个FPGA核心控制模块，用于桥接模块之间数据信息流，运行顶层控制逻辑；
至少一个电源模块，用于为所述模块组内所有模块提供电源，并且在所述电源模块的对外面板上设置有直流或交流电源输入接口，所述电源模块还设置有开关用于控制模块组的开关状态；
至少一个背板模块或线缆网，用于为各所述模块提供数据信息流信道，同时通过来自所述电源模块的直流电源母线为所有所述模块提供供电接口；和
外设功能模块，用于实现所述模块组的具体功能；
其中，所述背板模块上设置有一个FPGA核心控制模块插槽、一个电源模块插槽和两个以上外设功能模块插槽，所述背板模块或线缆网通过所述FPGA核心控制模块插槽、电源模块插槽和外设功能模块插槽与所述FPGA核心控制模块、电源模块和外设功能模块连接；
所述FPGA核心控制模块通过所述数据信息流信道与所述电源模块插槽和外设功能模块插槽双向连接；
所述电源模块通过所述供电接口为所述FPGA核心控制模块和外设功能模块供电。
可选地，所述计算机模块组还包括：
扩展操作系统主板，用于扩展可视的图形化界面，将所述模块组中的所述数据信息流提供用户查看，并对控制逻辑进行实时监控和干预；
其中，所述背板模块上设置有扩展操作系统主板插槽，所述背板模块或线缆网通过所述扩展操作系统主板插槽与所述扩展操作系统主板连接；
所述FPGA核心控制模块通过所述数据信息流信道与所述扩展操作系统主板双向连接；
所述电源模块通过所述供电接口为所述扩展操作系统主板供电。可选地，所述模块组还包括外设功能接口，所述外设功能模块通过所述外设功能接口与所述外部设备连接，所述外设功能接口与所述插槽为通用标准接口。
可选地，所述FPGA核心控制模块具有星型数据指令总线，所述FPGA核心控制模块物理层具有网络接口，所述FPGA核心控制模块协议层具有PowerLink接口，所述FPGA核心控制模块还具有一组数字量输入接口。
可选地，所述FPGA核心控制模块具有一组数字量输入接口，用于识别所述外设功能模块类型，通过为所述外设功能模块分配不同类型识别码，并在所述外设功能模块加电前识别所述外设功能模块的种类。
可选地，所述FPGA核心控制模块设置有顶层逻辑层架构，并且所述顶层逻辑层架构设置有测发控计算机控制算法逻辑模块或嵌入式软核。
可选地，所述电源模块对外设功能模块的电源输出采用程控输出模式，由所述FPGA核心控制模块进行集中控制。
可选地，所述外设功能模块由通用外设接口模块和外设功能调理模块组成，所述通用外设接口模块包括一组数字量输入逻辑接口、至少一个串行总线通讯逻辑接口和一组逻辑控制开关，所述外设功能调理模块包括至少一个标准化接口功能I/O端口和至少一个标准化接口识别I/O端口，所述标准化接口识别I/O端口输出端连接所述逻辑控制开关输入端和所述逻辑接口输入端，所述标准化接口功能I/O端口与所述逻辑控制开关双向连接，所述逻辑控制开关与所述逻辑接口根据预设FPGA程序活动连接。
可选地，所述电源模块输入端具有220伏交流电源接口或者28伏交直流电源接口。
可选地，所述外设功能模块包括：数字量输入接口模块、数字量输出接口模块、模拟量采集接口模块、422/485串行接口模块、1553B总线接口模块、CAN总线接口模块、LAN接口模块和FlexRay总线接口模块中的两种以上，各所述模块具有相同标准的通用结构及电气接口。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，具有极强的灵活可扩展性，在小型化、集成化方面具有较大优势，可以实现一型、一代硬件平台将兼容多种软件产品，从而适应多型、多代不同飞行器功能需求的测发控应用需求。同时，所述计算机模块组基于核心FPGA控制模块通过星型PowerLink接口进行桥接设计，统一了不同外设的控制方式，能够通过配置参数控制计算机模块组的工作逻辑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明所述一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组组成架构示意图；
图2示出本发明所述外设功能模块组成结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，该模块组包括：
至少1个FPGA核心控制模块，用于桥接模块之间数据信息流，运行顶层控制逻辑；
至少1个电源模块，用于为模块组内所有模块提供电源，并且在电源模块的对外面板上设置有直流或交流电源输入接口，电源模块还设置有开关用于控制模块组的开关状态；
至少1个背板模块或1组电缆网，用于为各模块提供数据信息流信道，同时通过来自电源模块的直流电源母线为所有模块提供供电接口；和
外设功能模块，用于实现模块组的具体功能；
其中，背板模块上设置有1个FPGA核心控制模块插槽、1个电源模块插槽和两个以上外设功能模块插槽，背板模块或通过FPGA核心控制模块插槽、电源模块插槽和外设功能模块插槽与FPGA核心控制模块、电源模块和外设功能模块连接；FPGA核心控制模块通过数据信息流信道与电源模块插槽和外设功能模块插槽双向连接；电源模块通过供电接口为FPGA核心控制模块和外设功能模块供电。
应说明的是，背板模块是用于各个模块进行互联的，其功能也可由一组电缆网代替。
在进一步的实施例中，计算机模块组还包括：扩展操作系统主板。该扩展操作系统主板用于扩展可视的图形化界面，将模块组中的数据信息流提供用户查看，并对控制逻辑进行实时监控和干预。
背板模块上设置有扩展操作系统主板插槽，背板模块或线缆网通过扩展操作系统主板插槽与扩展操作系统主板连接；FPGA核心控制模块通过数据信息流信道与扩展操作系统主板双向连接；电源模块通过供电接口为扩展操作系统主板供电。
在进一步的实施例中，该模块组还包括外设功能接口，外设功能模块通过外设功能接口与外部设备连接，外设功能接口与插槽为通用标准接口，各外设功能模块可任选外设功能接口或插槽使用。外设功能模块对外引出的连接器采用防差错设计，从而避免连接错误导致的硬件损伤。
在进一步的实施例中，FPGA核心控制模块具有星型数据指令总线，FPGA核心控制模块物理层具有网络接口，FPGA核心控制模块协议层具有PowerLink接口，FPGA核心控制模块还具有一组数字量输入接口。外设功能模块或其中的通用外设接口模块采用FPGA进行设计开发，将外设的输入检测与输出控制信号转换为数据流，通过PowerLink接口接驳到FPGA核心控制模块。
在进一步的实施例中，FPGA核心控制模块具有一组数字量输入接口，用于识别外设功能模块类型，通过为外设功能模块分配不同类型识别码，并在外设功能模块加电前识别外设功能模块的种类。
应说明的是，本申请中数字量输入接口为通用标准的数字量输入接口。本申请中一组数字量输入接口中数字量输入接口的数量为任意多个。在一个具体实施例中，数字量输入接口的数量为五个。
在进一步的实施例中，FPGA核心控制模块设置有顶层逻辑层架构，并且顶层逻辑层架构设置有测发控计算机控制算法或重构测发控计算机的嵌入式软核的控制系统。因此，FPGA核心控制模块中可将整机控制逻辑与算法写入顶层逻辑，实现设备功能，也可以通过软件在FPGA核心控制模块中增加嵌入式软核，在软核中实现重构测发控计算机的控制功能。
在进一步的实施例中，电源模块输入端具有220伏交流电源接口或者28伏交直流电源接口，电源模块及背板模块中的直流电源母线为各模块提供两种电源：一种用于FPGA核心控制模块启动，受电源模块面板开关控制；另一种接受FPGA核心控制模块数据指令总线控制，通过程控输出模式为其他各模块实施加电或断电，从而可确保FPGA核心控制模块先启动，待其工作稳定后通过总线控制程控电源为外设功能模块加电启动，可有效规避启动过程中对外接口造成的影响。
在进一步的实施例中，外设功能模块由通用外设接口模块和外设功能调理模块组成，通用外设接口模块包括两个以上数字量输入逻辑接口、至少一个串行总线通讯逻辑接口和至少一个逻辑控制开关，外设功能调理模块包括至少一个标准化接口功能I/O端口和至少一个标准化接口识别I/O端口，标准化接口识别I/O端口输出端连接逻辑控制开关输入端和逻辑接口输入端，标准化接口功能I/O端口与逻辑控制开关双向连接，逻辑控制开关与逻辑接口活动连接。
在进一步的实施例中，外设功能模块包括：数字量输入接口模块、数字量输出接口模块、模拟量采集接口模块、422/485串行接口模块、1553B总线接口模块、CAN总线接口模块、LAN接口模块和FlexRay总线接口模块中的两种以上，各模块具有相同标准的结构及接口。
在进一步的实施例中，外设功能模块中的数字逻辑部分可以通用外设接口模块形式集成，并采用FPGA进行设计，连接不同的外设功能电路调理模块，通过识别点可区分其功能属类特征，通过集成IP核通用外设接口模块的相应数字逻辑功能，即可形成不同的外设功能模块，将产品通用部分外扩到最大范围。
其中，外设功能模块和扩展操作系统主板应根据应用场景进行选配。
目前各类飞行器呈现出多样化、复杂化的发展趋势，而配套的测发控设备多采用专用设备的研制模式，在硬件研制过程中未采用通用化可扩展架构，因此飞行器测发控计算机种类和数量日趋增多，耗费了大量研制经费与投入的同时延长了设备研制周期，且硬件资源重复利用率无法得到有效提高，不能满足未来飞行器种类多样化、快速发展的应用需求。
本发明提供了一种通用性强、使用灵活、可扩展性强的可重构计算机模块组，用于根据应用对象的特定需求快速搭建、集成可实施任务的测发控计算机类设备,能够大幅度提升该类设备的集成开发效率、提升综合保障性能、提升硬件设备重复利用效率，从而有效应对传统研制模式下测发控计算机类设备专用性强、研制周期难以压缩、资源消耗大等实际问题。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述计算机模块组包括：
至少一个FPGA核心控制模块，用于桥接各模块之间数据信息流，运行顶层控制逻辑；
至少一个电源模块，用于为所述模块组内各模块供电，并且在所述电源模块的对外面板上设置有直流或交流电源输入接口，所述电源模块还设置有用于控制模块组的开关状态的开关；
至少一个背板模块或线缆网，用于为各所述模块提供数据信息流信道，同时通过来自所述电源模块的直流电源母线为各模块提供供电接口；和
外设功能模块，用于实现所述模块组的具体功能；
其中，所述背板模块上设置有一个FPGA核心控制模块插槽、一个电源模块插槽、两个以上外设功能模块插槽，所述背板模块或线缆网通过所述FPGA核心控制模块插槽、电源模块插槽和外设功能模块插槽与所述FPGA核心控制模块、电源模块和外设功能模块连接；
所述FPGA核心控制模块通过所述数据信息流信道与所述电源模块插槽和外设功能模块插槽双向连接；
所述电源模块通过所述供电接口为所述FPGA核心控制模块和外设功能模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述计算机模块组还包括：
扩展操作系统主板，用于扩展可视的图形化界面，将所述模块组中的所述数据信息流提供用户查看，并对控制逻辑进行实时监控和干预；
其中，所述背板模块上设置有扩展操作系统主板插槽，所述背板模块或线缆网通过所述扩展操作系统主板插槽与所述扩展操作系统主板连接；
所述FPGA核心控制模块通过所述数据信息流信道与所述扩展操作系统主板双向连接；
所述电源模块通过所述供电接口为所述扩展操作系统主板供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述计算机模块组还包括外设功能接口，所述外设功能模块通过所述外设功能接口与所述外部设备连接，所述外设功能接口与所述插槽为通用标准接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述FPGA核心控制模块具有星型数据指令总线，所述FPGA核心控制模块物理层具有网络接口，所述FPGA核心控制模块协议层具有PowerLink接口，所述FPGA核心控制模块还具有一组数字量输入接口。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述FPGA核心控制模块具有一组以上数字量输入接口，用于识别所述外设功能模块类型，通过为所述外设功能模块分配不同类型识别码，并在所述外设功能模块加电前识别所述外设功能模块的种类。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述FPGA核心控制模块设置有顶层逻辑层架构，并且所述顶层逻辑层架构设置有测发控计算机控制算法逻辑模块或嵌入式软核。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述电源模块对外设功能模块的电源输出采用程控输出模式，由所述FPGA核心控制模块进行集中控制。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述外设功能模块由通用外设接口模块和外设功能调理模块组成，所述通用外设接口模块包括一组以上数字量输入逻辑接口、至少一个串行总线通讯逻辑接口和一组逻辑控制开关，所述外设功能调理模块包括至少一个标准化接口功能I/O端口和至少一个标准化接口识别I/O端口，所述标准化接口识别I/O端口输出端连接所述逻辑控制开关输入端和所述逻辑接口输入端，所述标准化接口功能I/O端口与所述逻辑控制开关双向连接，所述逻辑控制开关与所述逻辑接口根据预设FPGA程序活动连接。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述电源模块输入端具有220伏交流电源接口或者28伏交直流电源接口。
10.根据权利要求1或8所述的基于FPGA的可重构测发控计算机模块组，其特征在于，所述外设功能模块包括：数字量输入接口模块、数字量输出接口模块、模拟量采集接口模块、422/485串行接口模块、1553B总线接口模块、CAN总线接口模块、LAN接口模块和FlexRay总线接口模块中的两种以上，各所述模块具有相同标准的通用结构及电气接口。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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