专利名称：一种具有可重构功能的飞轮模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞轮模拟器。
背景技术：
卫星设备模拟器具有研制周期短、研制成本低等优势，在卫星地面仿真测试系统中常代替真实的卫星部件完成卫星的仿真测试。飞轮模拟器就是一种模拟真实卫星飞轮电气特性的卫星设备模拟器，用于卫星姿态轨道控制仿真测试系统中。现有的飞轮模拟器大都采用DSP或单片机作为处理器，采用这种方式设计的每个模拟器通常只能够模拟单一种类的飞轮模型，通用性差，灵活性差。
发明内容
本发明是为了解决现有采用DSP或单片机作为处理器的飞轮模拟器只能够模拟单一种类的飞轮模型，造成通用性差以及灵活性差的问题，从而提供一种具有可重构功能的飞轮模拟器。一种具有可重构功能的飞轮模拟器，它包括FPGA、电压输入接口电路、模拟量采集电路、RS-422接口电路、重构触发按键、Flash电路、数字隔离电路、模拟量输出电路、飞轮转速输出电路和飞轮转速方向输出电路和JTAG接口电路，所述FPGA内嵌有系统重构控制逻辑模块、用户重构控制逻辑模块和配置芯片控制逻辑模块；重构控制逻辑模块用于接收来自重构触发按键或RS-422接口电路的触发命令； 还用于根据用户的控制参数或通过外置控制器的控制参数实现可重构功能；用户重构控制逻辑模块用于根据系统重构控制逻辑模块的控制参数监测重构的状态，还用于确定配置镜像的载入次序、出厂配置镜像的用户重构控制逻辑上电后读取起始地址，以及重构后确定下一次调用的应用配置文件；配置芯片控制逻辑模块用于将Flash电路中的配置数据读入FPGA并进行参数配置；电压输入接口电路的电压信号输出端与模拟量采集电路的电压信号输入端连接； 所述模拟量采集电路的电压信号输出端与FPGA的电压信号输入端连接；重构触发按键的重构触发信号输出/输入端通过RS-422接口电路与FPGA的RS-422信号输入/输出端连接；Flash电路的Flash信号输出/输入端与FPGA的Flash信号输入/输出端连接；FPGA 的数字隔离信号输出端与数字隔离电路的数字隔离信号输入端连接；数字隔离电路的模拟量输出端与模拟量输出电路的模拟量输入端连接；数字隔离电路的飞轮转速信号输出端与飞轮转速方向输出电路的飞轮转速信号输入端连接；数字隔离电路的飞轮转速方向信号输出端与飞轮转速方向输出电路的飞轮转速方向信号输入端连接JTAG接口电路的JTAG信号输出/输入端与FPGA的JTAG信号输入/输出端连接。有益效果本发明设计的飞轮模拟器具有可重构功能，能够在相同硬件基础上通过配置文件的改变实现对不同飞轮的模拟，通用性强；本发明采用FPGA作为可重构处理器
3和飞轮模型求解的运算器，飞轮模型解算的精度更高。本发明能够随时通过触发重构改变模拟的飞轮模型，灵活性强。
图1是本发明的结构示意图；图2是远程系统方式不同配置文件之间转换关系示意图；图3是可重构功能电路结构示意图；图4是本发明的整体逻辑控制示意图；图5是出厂配置镜像用户重构控制逻辑流程示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1说明本具体实施方式
，一种具有可重构功能的飞轮模拟器，它包括FPGAl、电压输入接口电路2、模拟量采集电路3、RS-422接口电路4、重构触发按键5、Flash电路6、数字隔离电路7、模拟量输出电路8、飞轮转速输出电路9和飞轮转速方向输出电路10和JTAG接口电路11，所述FPGAl内嵌有系统重构控制逻辑模块、用户重构控制逻辑模块和配置芯片控制逻辑模块；重构控制逻辑模块用于接收来自重构触发按键5或RS-422接口电路4的触发命令；还用于根据用户的控制参数或通过外置控制器的控制参数实现可重构功能；用户重构控制逻辑模块用于根据系统重构控制逻辑模块1-1的控制参数监测重构的状态，还用于确定配置镜像的载入次序、出厂配置镜像的用户重构控制逻辑上电后读取起始地址，以及重构后确定下一次调用的应用配置文件；配置芯片控制逻辑模块用于将Flash电路中的配置数据读入FPGA并进行参数配置；电压输入接口电路2的电压信号输出端与模拟量采集电路3的电压信号输入端连接；所述模拟量采集电路3的电压信号输出端与FPGAl的电压信号输入端连接；重构触发按键5的重构触发信号输出/输入端通过RS-422接口电路4与FPGAl的RS-422信号输入 /输出端连接；Flash电路6的Flash信号输出/输入端与FPGAl的Flash信号输入/输出端连接；FPGAl的数字隔离信号输出端与数字隔离电路7的数字隔离信号输入端连接；数字隔离电路7的模拟量输出端与模拟量输出电路8的模拟量输入端连接；数字隔离电路7的飞轮转速信号输出端与飞轮转速方向输出电路10的飞轮转速信号输入端连接；数字隔离电路7的飞轮转速方向信号输出端与飞轮转速方向输出电路10的飞轮转速方向信号输入端连接JTAG接口电路11的JTAG信号输出/输入端与FPGAl的JTAG信号输入/输出端连接。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器的区别在于，系统重构控制逻辑模块和配置芯片控制逻辑模块均采用远程系统升级IP核实现。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器的区别在于，FPGAl采用Cyclone III系列芯片实现。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器的区别在于，FPGAl采用EP3C25F3M型号芯片实现。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器的区别在于，Flash电路6采用型号为JS^F256P30B85的芯片实现。本发明采用Altera公司Cyclone III系列FPGA芯片远程系统升级方式实现可重构功能，远程系统升级重构方式是一种全局重构，存储在配置存储器中的每个配置文件都必须是覆盖FPGA全部逻辑资源的配置文件，这些配置文件又分为出厂配置镜像(Factory Image)和应用配置镜像(Application Image)。出厂配置镜像只有1个，应用配置镜像可以有多个。在系统上电或配置过程出错时，载入出厂配置对FPGA进行配置，在触发重构后，再将相应的应用配置镜像载入FPGA进行配置，如图2所示。不同的应用配置镜像之间不能够进行直接的切换，必须要先载入出厂配置镜像文件，然后再载入相应的应用配置镜像文件。本发明的整体电路包括具有可重构功能和飞轮模拟器功能，飞轮模拟器功能包括对飞轮控制电压的采集，在FPGA中对飞轮模型的求解，以及对TTL脉冲信号和0 +5V表征飞轮轴温和电流信息的电压信号的输出，同时FPGA具有全局可重构功能。对输入的飞轮控制电压进行采集后，将采集的电压结果送入FPGA中进行飞轮模型的解算，解算后的转速信号和方向信号经过数字隔离和驱动器后输出。表征飞轮电流信息和轴温信息的模拟电压输出通过数字隔离和D/A转换器实现。可重构功能采用Altera公司支持全局重构的Cyclone III系列EP3C25F3M型号芯片实现。Cyclone III系列FPGA 支持远程系统升级，可以实现全局可重构。该方案采用片外并行Flash作为配置存储器，采用用户自己编写的逻辑功能模块和远程系统升级IP核实现配置文件的读入和配置，以及对可重构功能的控制。可重构功能电路包括FPGA、配置存储器Flash芯片、JTAG接口、RS-422接口和重构触发按键五部分，各部分之间的连接关系如图3所示。配置存储器Flash芯片用来存储重构需要的配置文件，配置文件可以通过JTAG接口烧写到Flash芯片中，用户可以通过RS-422 向FPGA发送指令触发重构，也可以按下重构触发按键触发重构。本发明采用Intel公司的JS^F256P30B85型号Flash芯片作为FPGA的配置芯片。 该Flash芯片支持远程系统升级配置方式。FPGA的配置采用速度较快的AP配置方式，采用 AP配置方式时，Flash芯片的各个管脚不能随意地连接到FPGA的任意通用1/0管脚上，所有Flash管脚都要连接到指定的FPGA管脚上。本发明的整体逻辑可重构飞轮模拟器一个出厂镜像配置文件和两个应用镜像配置文件。在这三个配置文件中，出厂镜像模拟零动量反作用飞轮；应用配置镜像1模拟皮卫星微飞轮；应用配置镜像2模拟零动量反作用飞轮的反转故障。三种配置文件的整体逻辑都如图4所示。整体逻辑包括可重构功能逻辑和飞轮模拟器功能逻辑两部分。可重构功能的逻辑主要包括系统重构控制逻辑、用户重构控制逻辑和配置芯片控制逻辑三个逻辑模块。飞轮模拟器功能的逻辑包括RS-422通信逻辑、协议解析逻辑、模拟量输出逻辑、A/D转换逻辑和模型解算逻辑五个逻辑模块。系统重构控制逻辑是用户与专用远程系统升级电路的接口，可以通过按键或 RS-422向该模块发送指令来触发重构，系统重构控制逻辑是通过Altera公司为远程系统升级功能专门开发的IP核ALTREM0TE UPGRADE实现的，用户通过编写控制逻辑或通过其他的控制器对该IP核进行控制，从而实现可重构功能；用户重构控制逻辑是实现可重构功能的核心逻辑模块，该逻辑模块通过系统重构控制逻辑来监测重构的状态，并确定配置镜像的载入次序，出厂配置镜像的用户重构控制逻辑上电后读取起始地址，重构后通过判断上一次读取的启动地址来确定上一次是哪个配置文件，从而确定下一次调用哪个应用配置文件，其逻辑流程如图5所示；配置芯片控制逻辑的作用是将配置Flash芯片中的配置数据读入FPGA并配置，采用Altera公司提供的IP核PFL实现。RS-422通信逻辑接收来自上位机的RS-422指令，用来触发重构，并接收处理飞轮电流和轴温信息，同时将模型解算的结果以数字量的形式传至上位机，方便上位机对解算结果的分析处理；协议解析逻辑用来对RS-422总线发送来的指令码进行解析，确定指令码的内容，并将输出模拟量的数值送至模拟量输出逻辑；模拟量输出逻辑接收协议解析逻辑发送的模拟量输出的通道和电压值，控制D/A转换器输出相应的电压值；A/D转换逻辑控制 A/D转换器对飞轮的控制电压进行采集，并将采集后的电压数字量送给模型解算逻辑进行飞轮数学模型的求解；模型解算逻辑的功能是对飞轮的数学模型进行求解，该模块是实现飞轮模拟器功能的中心逻辑模块，模型解算模块将飞轮模型解算结果的飞轮转速信号和方向信号以脉冲形式输出。本发明的具有可重构功能的飞轮模拟器有很多优势，例如(1)可以通过重构触发改变配置文件，从而改变所模拟的飞轮模型，具有很强的通用性；( 采用FPGA进行飞轮模型的解算，模型解算的结果更精确，解算速度更快；C3)可以通过配置文件的改变随时改变模拟的飞轮模型，灵活性强；(4)本发明采用的可重构方案不需要外部的重构控制器，采用FPGA内部逻辑对重构进行控制，降低了开发成本。本发明设计的具有可重构功能的飞轮模拟器，采用Altera公司EP3C25F3M型号 FPGA作为可重构处理器，能够通过重构功能的触发，在三个配置文件之间进行功能转换，分别实现对零动量反作用飞轮、具有反转故障的零动量反作用飞轮和用于皮卫星的微飞轮电气特性的模拟。
权利要求
1.一种具有可重构功能的飞轮模拟器，其特征是它包括FPGA(I)、电压输入接口电路 O)、模拟量采集电路(3)、RS-422接口电路G)、重构触发按键(5)、Flash电路(6)、数字隔离电路(7)、模拟量输出电路(8)、飞轮转速输出电路(9)、飞轮转速方向输出电路(10)和 JTAG 接口电路(11)，所述FPGA(I)内嵌有系统重构控制逻辑模块、用户重构控制逻辑模块和配置芯片控制逻辑模块；重构控制逻辑模块用于接收来自重构触发按键(5)或RS-422接口电路的触发命令；还用于根据用户的控制参数或通过外置控制器的控制参数实现可重构功能；用户重构控制逻辑模块用于根据系统重构控制逻辑模块(1-1)的控制参数监测重构的状态，还用于确定配置镜像的载入次序、出厂配置镜像的用户重构控制逻辑上电后读取起始地址，以及重构后确定下一次调用的应用配置文件；配置芯片控制逻辑模块用于将Flash电路中的配置数据读入FPGA并进行参数配置；电压输入接口电路( 的电压信号输出端与模拟量采集电路C3)的电压信号输入端连接；所述模拟量采集电路(3)的电压信号输出端与FPGA(I)的电压信号输入端连接；重构触发按键(5)的重构触发信号输出/输入端通过RS-422接口电路(4)与FPGA(I)的RS-422 信号输入/输出端连接；Flash电路(6)的Flash信号输出/输入端与FPGA(I)的Flash 信号输入/输出端连接；FPGA⑴的数字隔离信号输出端与数字隔离电路(7)的数字隔离信号输入端连接；数字隔离电路(7)的模拟量输出端与模拟量输出电路(8)的模拟量输入端连接；数字隔离电路(7)的飞轮转速信号输出端与飞轮转速方向输出电路(10)的飞轮转速信号输入端连接；数字隔离电路(7)的飞轮转速方向信号输出端与飞轮转速方向输出电路(10)的飞轮转速方向信号输入端连接；JTAG接口电路(11)的JTAG信号输出/输入端与FPGA⑴的JTAG信号输入/输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器，其特征在于系统重构控制逻辑模块和配置芯片控制逻辑模块均采用远程系统升级IP核实现。
3.根据权利要求1所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器，其特征在于FPGA(I)采用Cyclone III系列芯片实现。
4.根据权利要求1所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器，其特征在于FPGA(I)采用EP3C25F3M型号芯片实现。
5.根据权利要求1所述的一种具有可重构功能的飞轮模拟器，其特征在于Flash电路 (6)采用型号为JS^F256P30B85的芯片实现。
全文摘要
一种具有可重构功能的飞轮模拟器，涉及一种飞轮模拟器。它是为了解决现有采用DSP或单片机作为处理器的飞轮模拟器只能够模拟单一种类的飞轮模型，造成通用性差以及灵活性差的问题。它采用基于FPGA的可重构技术，利用Altera公司EP3C25F324型号FPGA作为可重构处理器，能够通过重构功能的触发，在三个配置文件之间进行功能转换，分别实现对零动量反作用飞轮、具有反转故障的零动量反作用飞轮和用于皮卫星的微飞轮电气特性的模拟。通用性更强，能够更好地满足卫星测试过程中对飞轮模拟器的需求。
文档编号G05D17/02GK102495646SQ20111039601
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者刘大同, 庞业勇, 彭宇, 王少军, 赵光权, 马飞 申请人:哈尔滨工业大学