1、FPGA技术在测控系统中的应用研析2议程军工领域中FPGA的典型应用实例FPGA技术的特点“软件自定义”范围的拓展基于FPGA的拓展应用和技术详解3议程军工领域中FPGA的典型应用实例FPGA技术的特点“软件自定义”范围的拓展基于FPGA的拓展应用和技术详解4FPGA的典型应用：铁鸟试验系统结合飞控、液压、供配电等多个系统功能机电结合铁鸟台综合验证飞机功能和性能铁鸟试验台构架及其仿真系统FCC数据采集系统负载控制系统仿真系统反射内存反射内存压力/流量负载位置湿度电压/电流振动RPM负载位置系统级的硬件在环测试控制器网络软件优化机械系统集成利用FPGA的高性能计算与实时仿真6这里，不仅需要单个控
2、制单元的硬件在环测试仿真器仿真器仿真器仿真器导航嵌入式控制器嵌入式控制器嵌入式控制器嵌入式控制器引擎襟翼防碰撞系统7还需要系统级的仿真测试仿真器仿真器仿真器仿真器导航嵌入式控制器嵌入式控制器嵌入式控制器嵌入式控制器引擎襟翼 防碰撞系统8集成化的综合仿真验证平台控制器控制器控制器控制器控制器仿真器 仿真器 仿真器 仿真器 仿真器 通讯总线嵌入式控制器间通信模拟及数字信号集成多个子系统和级联多种功能控制器9集成化的综合仿真验证平台控制器控制器控制器控制器控制器仿真器仿真器仿真器仿真器仿真器操作者人机界面时序与数据共享测试仿真系统间实现数据共享和时基共享集成多个子系统和级联多种功能控制器10系统架构
3、集成化的综合仿真验证平台控制器控制器控制器控制器控制器反射存储器和定时同步模块NI RIO航空航天通讯网络11选择NI PXI构建铁鸟系统“我们选择了NI VeriStand用于我们的Legacy 500 Iron Bird。因为这个开发环境本身就提供了大量的功能，可以大大地减少我们在开发上花费的精力。”-M.A.Pires,测试设备开发协调员，EmbraerFADECAPU飞行控制系统航空电子设备起落架12实现效果13FPGA的典型应用:机载/吊舱实时采集需要在Real Time环境下，采集、处理、显示80个不同的参数单系统下的广域性和多功能性适用性 原件需要从系统中被方便地安装和拆卸使用P
4、XI技术和LabVIEW的澳大利亚军用黑鹰直升机1.RAAF黑鹰直升机的飞行测试黑鹰直升机的飞行测试2.“捕食者捕食者”机载吊舱数据采集机载吊舱数据采集14FPGA的典型应用：综合航电射频系统101 201 LRU 示例示例轴承方位指示器轴承方位指示器废气温度指示器废气温度指示器姿态方位指示器姿态方位指示器发射机启动角度发射机启动角度水平位置指示器水平位置指示器防滑控制单元防滑控制单元罗盘系统放大器罗盘系统放大器飞控计算机飞控计算机HUD控制平台控制平台流动气体质量监测器流动气体质量监测器能源量指示器能源量指示器主控指示器主控指示器Alpha/Mach/AOA监测监测器器Alpha/Mach计
5、算机计算机CBATS:VDATS 航电测试家族成员15英国宇航公司(BAE)的综合航电测试系统 DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPEWAVEFORM DIGITIZERVECTOR NETWORKANALYZER SPECTRUM ANALYZER PHASE NOISE ANALYSIS MODULATION ANALYSIS VECTOR SIGNAL ANALYSISRF SIGNALGENERATIONARBITRARYWAVEFORMGENERATIONNOISEFIGUREPOWERA/DCONVERTERSYSTEMUNDERTESTMEMORYD/ACONV
6、ERTERHOST&DATA PROCESSORINTERFACE CALIBRATIONALIGNMENTRF&SIGNALCONDITIONINGRF&SIGNALCONDITIONINGDIGITALSIGNALPROCESSOR适用：F-16 地面维修测试 C-130 地面保障NI PXIe-7965RPMI 26.5 GHz downconverter利用FPGA实现实时数字端处理16基于FPGA实现辅助航行航电系统测试http:/ Landing System(ILS,Cat I,II,III)Marker Beacon(MKR)VHF Omni-Directional Radio
7、 Range(VOR)Tactical Air Navigation(TACAN)Non Directional Beacon(NDB)VHF/UHF Communication(VHF/UHF COMM)Microwave Landing System(MLS)Distance Measuring Equipment(DME)Primary Surveillance Radar(PSR)Secondary Surveillance Radar(SSR)Precision Approach Radar(PAR)Precision Area Navigation(P-RNAV)Precision
8、 Approach Path Indicator(PAPI)Visual Approach Slope Indicator(VASI)17议程军工领域中FPGA的典型应用实例FPGA技术的特点“软件自定义”范围的拓展基于FPGA的拓展应用和技术详解18以软件为中心的模块化架构通过软件对仪器进行配置采集并实时传输数据在主机上主机上进行自定义自定义的数据分析和显示PC处理器处理器软件软件模块化模块化I/O下一代仪器系统下一代仪器系统信号信号总线总线原始数据原始数据用户用户自定义自定义功能功能配置配置19“软件自定义”范围的进一步扩展从软件自定义到前端硬件的自定义,实现“Smart I/O”PC处理
9、器处理器软件软件模块化模块化I/O下一代仪器系统下一代仪器系统信号信号总线总线原始数据原始数据用户用户自定义自定义功能功能配置配置在PXI模块化架构下,通过引入FPGA技术,可进行自定义的高速板高速板载信号处理载信号处理、控制决策控制决策、以及实现自定义协议接口自定义协议接口20“Smart I/O”值得关注的第三个维度灵活性和可自定义性分分辨辨率率采样率采样率21“IP to the Pin”使 用户通过软件自定义的IP 尽可能靠近 可重配置仪器 的 I/O管脚FPGA上的上的IP可以是可以是:控制逻辑数据处理数据生成数字协议编解码,逻辑计算22片上片上I/O单元单元可编程互连单元可编程互连
10、单元可配置逻辑单元可配置逻辑单元FPGA技术23FPGA应用于测控系统的优势高可靠性高可靠性 基于硬件实现实时性实时性 确定性的算法执行时间,时钟周期可低至5ns可重复配置可重复配置 根据具体应用对硬件进行重配置高处理能力高处理能力 硬件级的计算和处理能力使更高的测量和处理速度成为可能并行执行并行执行 通过硬件资源实现真正的并行任务和流水线处理,提高测试吞吐量24基于FPGA的典型应用自定义触发自定义触发与采集与采集连续的实时测量连续的实时测量闭环控制闭环控制与动态测试与动态测试协议接口与仿真协议接口与仿真高处理能力高处理能力并行执行并行执行可重复配置可重复配置高处理能力高处理能力实时性实时性
11、可重复配置可重复配置高处理能力高处理能力并行执行并行执行高可靠性高可靠性实时性实时性高处理能力高处理能力并行执行并行执行25NI RIO技术简化了FPGA应用 优势不需要设计外围电路不需要掌握HDL语言知识快速与测试系统集成(数据传输,同步)软件软件:直观的直观的LabVIEW FPGA编程方式编程方式简化了简化了FPGA的开发的开发硬件硬件:多种现成可用的带有多种现成可用的带有FPGA的可重配置硬件的可重配置硬件26直观的LabVIEW FPGA图形化编程ABCDFEYW XZF=(A+B)CD E27自定义模拟自定义模拟I/O多速率扫描多速率扫描自定义自定义模拟触发模拟触发自定义计数自定义
12、计数PWM时钟时钟计数器计数器自定义定时与同步自定义定时与同步内置内置信号处理信号处理基于FPGA的自定义I/O编程28基于NI RIO技术的测控系统架构 1软件NI-RIO驱动LabVIEW 或LabVIEW RTNI硬件测量前端模拟/数字FPGA总线接口用户自定义用户自定义用户可自定义用户可自定义R系列智能数据采集系列智能数据采集 Xilinx Virtex-5 FPGA 750kS/s AI,1MS/s AO 8 AI,8 AO,96 DIO/160 DIORIO中频收发模块中频收发模块 针对DSP优化的Xilinx Virtex-5 250kHz-80MHz中心频率,20MHz中频带宽
13、 100MS/s ADC,200MS/s DAC 内置数字上变频/下变频29基于NI RIO技术的测控系统架构 2软件NI-RIO驱动LabVIEW 或LabVIEW RTNI硬件测量前端电路FPGA总线接口用户自定义用户自定义用户可自定义用户可自定义用户可自定义用户可自定义PXI/PXIeNI FlexRIO30NI FlexRIO 同步 时钟/触发总线 电源/冷却 Peer-to-Peer Streaming(针对PXIe)PXI 平台平台NI FlexRIO FPGA 模块模块 Virtex-5 FPGA 132 数字I/O 最高512 MB DRAMNI FlexRIO 前端适配器模块
14、前端适配器模块 可自定义的模拟或数字I/O NI提供适配器开发套件(MDK)也可选择由NI或第三方公司提供的现成适配器模块PXI/PXIe31NI FlexRIO适配器模块数字数字模拟模拟100 MHz SE DIOCamera Link200 MHz LVDS DIO200 MHz SE/LVDS DIORS-485/4222 ch.100 MS/s AI/AO32 ch.50 MS/s AI4 ch.250 MS/s AI16 ch.50 MS/s AI32不同的前端I/O适配器应用举例通信系统设计雷达NDT无损检测超声应用4 ch.250 MS/s AI32 ch.50 MS/s AIN
15、I 6583混合数字逻辑测试通信应用32 SE and 16 LVDS 高速高速DIONI 5761NI 575233基于NI RIO技术的测控系统架构 3软件NI硬件I/O模块FPGA以太网用户自定义用户自定义用户可自定义用户可自定义可选择可选择NI或或第三方模块第三方模块,也可自定义也可自定义实时控制器运行LabVIEW RT上位机运行LabVIEW用户可自定义用户可自定义NI CompactRIONI Single-Board RIO适用于嵌入式或有特殊要求的工作环境34议程军工领域中FPGA的典型应用实例FPGA技术的特点“软件自定义”范围的拓展基于FPGA的拓展应用和技术详解35基于
16、FPGA的应用举例自定义触发自定义触发与采集与采集连续的实时测量连续的实时测量闭环控制闭环控制与动态测试与动态测试协议接口与仿真协议接口与仿真自定义专属协议交互自定义专属协议交互36自定义或专属的协议交互常见于航空航天行业MIL-STD-1553,ARINC-429,自定义设备或专业保密协议 常见要求硬件定时的速度和可靠性定制的数字接口用于原型验证和测试37使用LabVIEW FPGA映射专属协议38基于FPGA的应用举例自定义触发自定义触发与采集与采集连续的实时测量连续的实时测量闭环控制闭环控制与动态测试与动态测试协议接口与仿真协议接口与仿真实时信号处理实时信号处理39板载信号处理基于FPG
17、A进行输入数据的预处理相比于在主机通过软件进行重采样，可以将部分数据的预处理放在FPGA上完成，从而缓解主机CPU的开销，使系统总体性能最优40用于FPGA上的信号处理IPLabVIEW FPGA模块自带函数 提供经验证的FPGA功能模块代码可导入已有IP核或VHDL代码o通过IP Integration Node工具或CLIP FPGA模块可作为协处理器借助借助PXI Express背板可进行高达背板可进行高达800MB/s的的Peer-to-Peer Streaming(延时延时10 us)42支持P2P Streaming的模块化仪器NI PXIe-5622 IF Digitizer 1
18、6-bit,150 MS/s 3250 MHz bandwidth 60 MHz bandwidth DDCNI PXIe-5122 Digitizer14-bit,100 MS/s 100 MHz bandwidthNI PXIe-5663 VSA 10 MHz to 6.6 GHz 16-bit,150 MS/s 50 MHz bandwidthNI PXIe-5450/51 Arb 16-bit,400 MS/s 145 MHz bandwidthNI PXIe-5663 VSG 85 MHz to 6.6 GHz 16-bit,400 MS/s 100 MHz bandwidthNI
19、PXIe-5665 VSA 20 Hz to 3.6 GHz 16-bit,150 MS/s 50 MHz bandwidth43软件编程Host VIFPGA#1(Writer)FPGA#2(Reader)44RF举例:实时频谱测量45传统基于扫频的频谱测量传统基于扫频的频谱测量基于实时基于实时FFT的频谱测量的频谱测量实时频谱测量46基于FPGA的应用举例自定义触发自定义触发与采集与采集连续的实时测量连续的实时测量闭环控制闭环控制与动态测试与动态测试协议接口与仿真协议接口与仿真频域信号触发频域信号触发47频域触发P2P StreamNI-RFSA DataPXI TriggerPXIe-5
20、663矢量信号分析仪PXIe FlexRIOPXIe-8130控制器48FPGA上的程序代码加窗加窗FFT计算计算频谱窗比较频谱窗比较产生触发产生触发从从VSA读取读取P2P数据数据49基于FPGA的应用举例自定义触发自定义触发与采集与采集连续的实时测量连续的实时测量闭环控制闭环控制与动态测试与动态测试协议接口与仿真协议接口与仿真闭环控制闭环控制50硬件操作系统驱动 API应用软件运算传统系统传统系统ms级响应输出UUT输入较长的软件响应时间较长的软件响应时间软件决策51硬件运算运算操作系统驱动 API应用软件ms-ns*级响应UUTLabVIEW FPGA 系统系统*取决于FPGA的时钟速率
21、输出输入更快的硬件响应更快的硬件响应更高的可靠性更高的可靠性硬件决策52基于基于FPGA的控制的控制 单单个个PID 200 kHz基于基于FPGA的控制的控制 四四个个PID循环循环 200 kHz快速控制决策 200kHz的闭环控制53软件无线电;数字/模拟误比特率测试RFID,HDMI 测试仪FFT 协处理信道仿真器协议感知接口频域触发实时频谱分析更多基于FPGA的测控应用高速闭环控制硬件在环HIL自定义触发自定义触发与采集与采集连续的实时测量连续的实时测量闭环控制闭环控制与动态测试与动态测试协议接口与仿真协议接口与仿真54总结FPGA应用于测控系统的优势高可靠性实时性可重复配置高处理能力并行执行NI助您高效地利用FPGA构建前沿测控系统基于FPGA的现成硬件平台LabVIEW FPGA图形化编程专业的FPGA技术支持与培训
