CN104252435B - 基于动态可重构fpga的可变结构智能接口及其配置方法 - Google Patents

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Abstract

基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口及其配置方法，包括动态可重构单元、两个以上多种接口驱动电路及模拟开关矩阵。动态可重构单元，根据外部被控设备的接口类型，完成接口控制器的切换，并控制模拟开关矩阵完成相应电路切换；接口驱动电路，完成数字电平与差分电平间的电压转换；模拟开关矩阵，根据动态可重构单元输出的控制信号，完成驱动电路与物理接口的连接。该接口可针对不同任务需求，依据接入外部被控设备的接口类型，完成接口控制器的动态变换，以实现同一物理接口与不同总线接口设备的通信，该技术便于完成飞控计算机对多种接口类型的外部被控设备的快速集成，可有效提高飞行器飞控计算机的通用性。

Description

基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口及其配置方法
技术领域
本发明具体涉及基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口及其配置方法，属于电气接口领域。
背景技术
飞行控制***是飞行器的核心部分，它以飞控计算机为控制核心，辅以传感器设备、执行机构设备等外部被控设备，实现对飞行器的导航、制导与控制。
飞行器控制***外部被控设备的接口类型有多种，常用的包括RS232、RS422、CAN、1553B等。目前，传统的研制方法为每类飞行器在方案设计时，都会根据选用的外部被控设备接口对飞控计算机进行定制化设计生产。这种传统的研制方法带来两个问题：一是飞控计算机重新设计生产增加了时间成本，不利于飞行器方案的快速验证；二是只因为接口类型不同就可能造成飞控计算机重新投产，一定程度上造成了成本浪费。另外，由于选用的外部被控设备接口类型不同，无法提供统一的测试平台，不能对协作单位提供的外部被控设备进行快速验收测试。
如果飞控计算机和外部被控设备均遵循同样的即插即用标准和规范，且飞控计算机兼容多种总线接口形式，当不同总线接口形式的外部被控设备接入飞控计算机时，飞控计算机能动态改变接口的硬件结构，使之与外部被控设备相匹配，则同样一套飞控计算机，经过与不同外部被控设备的组合，就能快速组建飞行器控制***原型样机，从而更好地满足控制***在快速研制和测试方面的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口及其配置方法，该接口可根据外部设备接口类型，实现接口控制器的在线加载和动态切换，以解决飞行器控制***主控设备对多种接口类型的外部被控设备的兼容问题。
本发明的技术解决方案是：
基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口包括动态可重构单元、两个以上多种接口驱动电路及模拟开关矩阵；所述的动态可重构单元包括重构控制器、动态可重构FPGA和可重构资源库；动态可重构FPGA包括接口类型识别模块、可动态重构的接口控制器、重构配置接口、内部配置访问接口ICAP(Internal Configuration Access Port)；
可重构资源库，存储多种接口控制器IP核；
重构控制器，根据接口类型识别模块送来的设备接口信息，从可重构资源库找出并读取与设备接口信息相对应的接口控制器IP核；重构控制器通过扩展外设部件互联标准总线(PCIe，Peripheral Component Interconnect Express)将与设备接口信息相对应的接口控制器IP核送到动态可重构FPGA的重构配置接口，同时重构控制器产生开关矩阵控制信号送至模拟开关矩阵；
重构配置接口对重构控制器送来的与设备接口信息相对应的接口控制器IP核和外部被控设备控制指令进行判断，若重构控制器送来的为与设备接口信息相对应的接口控制器IP核，则将该IP核进行格式转换成ICAP接口可用的配置数据流、该配置数据流通过ICAP接口将可动态重构的接口控制器配置成与外部被控设备对应的接口控制器；若重构控制器送来的为外部被控设备控制指令，则将该控制指令发给可动态重构的接口控制器；
重构配置接口接收可动态重构的接口控制器发送来的外部被控设备送来的测量数据，将该测量数据按照PCIe协议进行格式转换后发送至重构控制器；
可动态重构的接口控制器通过两个以上多种接口驱动电路中的一个接口驱动电路，将外部被控设备控制指令转换成控制指令差分信号发送至模拟开关矩阵，模拟开关矩阵在开关矩阵控制信号的控制下，导通与外部被控设备对应的驱动电路，将差分信号发送至外部被控设备；
外部被控设备将外部被控设备采集的测量数据差分信号通过模拟开关矩阵送至多种接口驱动电路中的一个接口驱动电路，该接口驱动电路将外部被控设备采集的测量数据差分信号转换成外部被控设备送来的测量数据送至可动态重构的接口控制器；
接口类型识别模块从外部被控设备接收接口类型识别信号，接口类型识别模块通过接口类型识别信号电平值，将接口类型识别信号转化成设备接口信息送至重构控制器。
基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置方法包括步骤如下：
(1)FPGA接口类型识别模块接收外部被控设备的接口类型识别信号；
(2)根据步骤(1)接口类型识别信号的电平值识别外部被控设备的连接状态和具体接口类型；当外部被控设备被识别后同时进行步骤(3)和步骤(5)
(3)FPGA接口类型识别模块将外部被控设备的设备接口信息传递给重构控制器，重构控制器根据外部被控设备的设备接口信息，从可重构资源库找出并读取与设备接口信息相对应的接口控制器IP核；重构控制器通过PCIe总线将与设备接口信息相对应的接口控制器IP核送到动态可重构FPGA的重构配置接口；
(4)将步骤(3)的与设备接口信息相对应的接口控制器IP核进行格式转换成ICAP接口可用的配置数据流、该配置数据流通过ICAP接口将可动态重构的接口控制器配置成与外部被控设备对应的接口控制器，该接口控制器与外部被控设备相对应的驱动电路连接；
(5)重构控制器产生开关矩阵控制信号，通过该信号对模拟开关矩阵进行控制，将外部被控设备和多种接口驱动电路中与该外部被控设备相对应的驱动电路相连通；
(6)步骤(4)和步骤(5)结束后，完成该基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置。
所述的多种接口驱动电路为串行总线驱动电路，包括CAN驱动电路、RS422驱动电路、RS232驱动电路、RS485驱动电路和1553B驱动电路。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明通过动态可重构FPGA及模拟开关矩阵相结合的技术方案实现了多种接口的兼容，使得支持不同总线的外部被控设备可以便捷地连接到主控设备上。
(2)本发明在对接口类型识别过程中，利用接口类型识别信号电平值，自动检测接口类型，完成接口重配置，无需人工参与，具有极强的自主性。
(3)本发明通过动态可重构FPGA的部分重构技术，使得某个接口的重配置不影响其他接口的正常工作。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图；
图2为本发明接口配置流程示意图。
具体实施方式
本发明的基本思路：本发明提出一种基于动态可重构FPGA的可配置的智能接口及其配置方法，通过电路的自主切换实现主控设备接口对多总线类型的兼容，同时辅助主控设备完成对外部被控设备的插拔检测。
下面就结合附图及具体实施例对本发明做进一步介绍。
如图1所示，基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口包括动态可重构单元、两个以上多种接口驱动电路及模拟开关矩阵；动态可重构单元包括重构控制器、动态可重构FPGA和可重构资源库；动态可重构FPGA包括接口类型识别模块、可动态重构的接口控制器、重构配置接口、内部配置访问接口ICAP；
可重构资源库，存储多种接口控制器IP核；
重构控制器，根据接口类型识别模块送来的设备接口信息，从可重构资源库找出并读取与设备接口信息相对应的接口控制器IP核；重构控制器通过PCIe总线将与设备接口信息相对应的接口控制器IP核送到动态可重构FPGA的重构配置接口，同时重构控制器产生开关矩阵控制信号送至模拟开关矩阵；
重构配置接口对重构控制器送来的与设备接口信息相对应的接口控制器IP核和外部被控设备控制指令进行判断，若重构控制器送来的为与设备接口信息相对应的接口控制器IP核，则将该IP核进行格式转换成ICAP接口可用的配置数据流、该配置数据流通过ICAP接口将可动态重构的接口控制器配置成与外部被控设备对应的接口控制器；若重构控制器送来的为外部被控设备控制指令，则将该控制指令发给可动态重构的接口控制器；
重构配置接口接收可动态重构的接口控制器发送来的外部被控设备送来的测量数据，将该测量数据按照PCIe协议进行格式转换后发送至重构控制器；
可动态重构的接口控制器通过两个以上多种接口驱动电路中的一个接口驱动电路，将外部被控设备控制指令转换成控制指令差分信号发送至模拟开关矩阵，模拟开关矩阵在开关矩阵控制信号的控制下，导通与外部被控设备对应的驱动电路，将差分信号发送至外部被控设备；
外部被控设备将外部被控设备采集的测量数据差分信号通过模拟开关矩阵送至多种接口驱动电路中的一个接口驱动电路，该接口驱动电路将外部被控设备采集的测量数据差分信号转换成外部被控设备送来的测量数据送至可动态重构的接口控制器。
接口类型识别模块从外部被控设备接收接口类型识别信号，接口类型识别模块通过接口类型识别信号电平值，将接口类型识别信号转化成设备接口信息送至重构控制器；
在本实施例中，动态可重构FPGA选用Xilinx公司virtex5系列芯片XC5VLX50T，重构控制器选用带有PCIe接口的ARM处理器，驱动电路包括1路CAN接口驱动电路，1路RS422接口驱动电路，实现对CAN和RS422接口的切换。
如图2所示，一种基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置方法具体实现如下：
(1)为实现接口类型识别，增加2根接口类型识别信号线，命名为：ID_0、ID_1，将ID_0和ID_1两根信号线连接至FPGA接口类型识别模块。
外部被控设备统一使用DB-9连接器通过本发明所述的可变结构智能接口与控制设备相连接。通常，RS422接口需要5根信号线，分别是：TX+、TX-、RX+、RX-、GND；CAN接口需要3根信号线，分别是：CAN_H、CAN_L、GND；为实现物理接插件统一，物理接插件管脚分配如表1所示。
表1 接口物理接插件管脚分配
管脚号 连接信号线
1 GND(复用)
2 TX+
3 RX+
4 CAN_H
5 ID_0
6 TX-
7 RX-
8 CAN_L
9 ID_1
(2)接口类型识别模块通过接口类型识别信号的电平值识别外部被控设备的连接状态和具体接口类型；
当可变结构智能接口上无外部被控设备连接时，接口类型识别线电平默认下拉为“00”；规定RS422接口外部被控设备的接口类型识别信号线电平值为“01”，CAN接口外部被控设备的接口类型识别信号线电平值为“10”。这样，若有RS422接口外部被控设备接入，接口类型识别线电平被置为“01”；若有CAN接口外部被控设备接入，接口类型识别线电平被置为“10”。
可变结构智能接口FPGA中的接口类型识别模块通过接口类型识别线上的电平变化，完成外部被控设备接入/拔除检测及外部被控设备接口类型判断。具体为：
00→01：连接RS422设备
01→00：移除RS422设备
00→10：连接CAN设备
10→00：移除CAN设备
(3)例如将RS422接口外部被控设备连接到可变结构智能接口上，接口类型识别模块检测到接口类型识别线电平值由“00”变为“01”，说明接口连接了RS422外部被控设备，接口类型识别模块将设备接口信息传给重构控制器ARM，ARM得知接口上接入了RS422外部被控设备，然后根据RS422接口控制器IP核的存储地址到可重构资源库FLASH芯片内读取相应配置数据，并通过PCIe接口将RS422接口控制器IP核配置数据发送给动态可重构FPGA的重构配置接口。
(4)重构配置接口接收RS422接口控制器IP核配置数据，并对其进行解析，发现是FPGA配置数据，则对其进行格式转换后，发送至ICAP接口，将可动态重构的接口控制器配置成RS422接口控制器；
(5)重构控制器ARM产生开关矩阵控制信号，使RS422驱动电路的TX±、RX±信号与接口的2、6、3、7管脚相连。
(6)至此，完成基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置，构成ARM-FPGA接口控制器-驱动电路-外部被控设备间的数据通路。
如果需要更换CAN接口的外部被控设备，则接口类型识别线电平值由“00”变为“10”，说明接口连接了CAN接口外部被控设备，接口类型识别模块将设备接口信息传给重构控制器ARM，ARM根据CAN接口控制器IP核的存储地址到可重构资源库FLASH芯片内读取相应配置数据，并通过PCIe接口将CAN接口控制器IP核配置数据发送给动态可重构FPGA，将可动态重构的接口控制器配置成RS422接口控制器；同时，产生开关矩阵控制信号，使CAN驱动电路的CAN_H、CAN_L信号与接口的4、8管脚相连。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口，其特征在于：包括动态可重构单元、多种接口驱动电路及模拟开关矩阵；所述的动态可重构单元包括重构控制器、动态可重构FPGA和可重构资源库；动态可重构FPGA包括接口类型识别模块、可动态重构的接口控制器、重构配置接口、内部配置访问接口ICAP；
可重构资源库，存储多种接口控制器IP核；
重构控制器，根据接口类型识别模块送来的设备接口信息，从可重构资源库找出并读取与设备接口信息相对应的接口控制器IP核；重构控制器通过扩展外设部件互联标准总线PCIe将与设备接口信息相对应的接口控制器IP核送到动态可重构FPGA的重构配置接口，同时重构控制器产生开关矩阵控制信号送至模拟开关矩阵；
重构配置接口对重构控制器送来的与设备接口信息相对应的接口控制器IP核和外部被控设备控制指令进行判断，若重构控制器送来的为与设备接口信息相对应的接口控制器IP核，则将该IP核进行格式转换成ICAP接口可用的配置数据流、该配置数据流通过ICAP接口将可动态重构的接口控制器配置成与外部被控设备对应的接口控制器；若重构控制器送来的为外部被控设备控制指令，则将该控制指令发给可动态重构的接口控制器；
重构配置接口接收可动态重构的接口控制器发送来的外部被控设备送来的测量数据，将该测量数据按照PCIe协议进行格式转换后发送至重构控制器；
可动态重构的接口控制器通过多种接口驱动电路中的一个接口驱动电路，将外部被控设备控制指令转换成控制指令差分信号发送至模拟开关矩阵，模拟开关矩阵在开关矩阵控制信号的控制下，导通与外部被控设备对应的驱动电路，将差分信号发送至外部被控设备；
外部被控设备将外部被控设备采集的测量数据差分信号通过模拟开关矩阵送至多种接口驱动电路中的一个接口驱动电路，该接口驱动电路将外部被控设备采集的测量数据差分信号转换成外部被控设备送来的测量数据送至可动态重构的接口控制器；
接口类型识别模块从外部被控设备接收接口类型识别信号，接口类型识别模块通过接口类型识别信号电平值，将接口类型识别信号转化成设备接口信息送至重构控制器。
2.基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)FPGA接口类型识别模块接收外部被控设备的接口类型识别信号；
(2)根据步骤(1)接口类型识别信号的电平值识别外部被控设备的连接状态和具体接口类型；当外部被控设备被识别后同时进行步骤(3)和步骤(5)；
(3)FPGA接口类型识别模块将外部被控设备的设备接口信息传递给重构控制器，重构控制器根据外部被控设备的设备接口信息，从可重构资源库找出并读取与设备接口信息相对应的接口控制器IP核；重构控制器通过PCIe总线将与设备接口信息相对应的接口控制器IP核送到动态可重构FPGA的重构配置接口；
(4)将步骤(3)的与设备接口信息相对应的接口控制器IP核进行格式转换成ICAP接口可用的配置数据流、该配置数据流通过ICAP接口将可动态重构的接口控制器配置成与外部被控设备对应的接口控制器，该接口控制器与外部被控设备相对应的驱动电路连接；
(5)重构控制器产生开关矩阵控制信号，通过该信号对模拟开关矩阵进行控制，将外部被控设备和多种接口驱动电路中与该外部被控设备相对应的驱动电路相连通；
(6)步骤(4)和步骤(5)结束后，完成该基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置。
3.根据权利要求1所述的基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口，其特征在于：所述多种接口驱动电路为串行总线驱动电路，包括CAN驱动电路、RS422驱动电路、RS232驱动电路、RS485驱动电路和1553B驱动电路。
4.根据权利要求2所述的基于动态可重构FPGA的可变结构智能接口的配置方法，其特征在于：所述多种接口驱动电路为串行总线驱动电路，包括CAN驱动电路、RS422驱动电路、RS232驱动电路、RS485驱动电路和1553B驱动电路。
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