FPGA'ya Dayalı Havayolu Veri Toplama Sisteminin Tasarımı
Şu anda, esas olarak endüstriyel üretim, çevresel izleme, havacılık ve bilimsel araştırma alanlarında kullanılan çeşitli olgun veri toplama sistemleri bulunmaktadır. Çoğu gerçek zamanlı veri toplama sistemi, kontrol çekirdekleri olarak DSP (Dijital Sinyal İşleme) denetleyicileri ve mikro denetleyicileri kullanır. Karmaşık algoritmaları uygulamak nispeten kolaydır. Ancak, bunlar bilgi çıkışı ve bant genişliği ile sınırlıdır ve paralel işlemeyi başaramazlar. Toplu veri toplamada bazı zayıflıklar vardır. Son derece güçlü paralel veri işleme yeteneklerine sahip olan Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) popülerdir ve kontrol çekirdeği olarak FPGA ile veri toplama sistemleri de gelişmektedir. FPGA, yüksek esneklik, güçlü genişletilebilirlik ve zengin kaynak özelliklerine sahiptir ve çeşitli arabirim protokolleri ile başa çıkarak, veri toplama sistemlerinde yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Bazı FPGA'lar anti-sigorta, güvenilir performans ve kararlı performans çok yüksektir, bu tür FPGA belirli havacılık uygulamalarında gerekli bir seçenektir.
Dünya, düşük sıcaklık, düşük basınç ve yüksek radyasyon ile uzaya yakın ve ortam son derece serttir Veri toplama sisteminin sensörleri ve kontrol bileşenleri kolayca etkilenir ve anormal çalışır ve hatta sistem çökmesi olgusu meydana gelir. Bu ortamda bir veri toplama sistemi tasarlarken istikrarın dikkate alınması gerekir. FPGA, karmaşık devreleri gerçekleştirebilir ve devre kartındaki kabloların neden olduğu elektromanyetik paraziti azaltabilir. DSP denetleyicileri ve diğer CPU mikro denetleyicileriyle karşılaştırıldığında, FPGA tarafından üretilen donanım devrelerinin özellikleri daha fazla parazit önleyicidir. Güvenilirlik işlemeye yönelik önceki yöntemler, yedek yapı tasarımını ve yeniden tekrar doğrulamasını ve konfigürasyon belleğinin yeniden yapılandırılmasını içerir. Aynı zamanda, veri toplama sisteminin güvenilirliği, işletim ortamı, sistem entegrasyonu, insan-makine birleştirme, program olgunluğu ve güvenlik gibi makul değerlendirme göstergelerine de sahiptir.
Sadece veri toplama görevini yerine getirmek için değil, aynı zamanda verileri gerçek zamanlı olarak yere geri göndermek ve bazı kontrol fonksiyonlarını tamamlamak için havada belirli bir ortamda çalışacak bir veri toplama sistemi tasarlamak gereklidir. İşletim maliyeti ve ortamı dikkate alındığında, sistemin güvenilirliği ve kararlılığının iyileştirilmesi gerekmektedir. Tasarım hem donanım hem de yazılım ile başlar.Donanım açısından, FPGA güçlü bir anti-parazit performansına sahiptir, bu nedenle FPGA sistemin ana denetleyicisi olarak seçilmiştir. Yedeklilik stratejisi benimsenmiştir ve ana denetleyiciye bağlı iki sensör devresi, veri toplama sisteminin güvenilirliğini artırmak için tasarlanmıştır. Yazılım kısmına, modüler programlamayı devam ettirin, sistem sağlamlığını iyileştirmek için sonlu durum makinesini ve izleme stratejisini kullanın.
1 Sistem donanımı tasarımı
Havaalanı veri toplama sistemi temel olarak kontrolör, sensör modülü, UART seri iletişim modülü ve kontrol modülü olarak FPGA ile en küçük sistem modülünü içerir. Şekil 1'de gösterildiği gibi minimum sistem, FPGA denetleyicisinin normal çalışmasını sağlayan çevresel devredir; sensör modülü, sıcaklık, açı, akım ve voltaj gibi sinyallerin toplanmasını ve koşullandırılmasını içerir.Donanımın fazlalığı nedeniyle sinyal, ana kart sinyali ve bağımlı kart olarak bölünmüştür. Sinyal; UART seri iletişim modülü, 2 RS232 seri portu (Beidou modülüne bağlı), 2 RS422 seri portu (Linkong hava bilgisayarı ile bağlantılı) içerir; kontrol modülünde ağırlıklı olarak valf kontrol modülü ve sıcaklık kontrol modülü bulunur, sıcaklık kontrol modülü kontrol için kullanılır Devre kartı üzerindeki bileşenlerin normal çalışmasını sürdürmek için ısıtma direnci.
1.1 En küçük sistem modülü
Bu tasarım, satın alma sisteminin denetleyicisi olarak Altera'nın Cyclone IV E serisinden EP4CE22F1717'yi seçer. 22320 mantık birimi, 154 kullanıcı çıkış portu, 132 çarpanı ve 4 PLL ("Faz Kilitli Döngü") vardır. Çipin harici kristal osilatör frekansı 50 MHz'dir.
1.2 Sıcaklık toplama modülü
Veri sistemi, 10 kanalın sıcaklığını ölçmek için PT100 sıcaklık sensörünü kullanır. PT100 sıcaklık sensörü, sıcaklık değişkenlerini iletilebilen standartlaştırılmış elektrik sinyallerine dönüştürür. Bu sensör, yüksek doğruluk ve iyi stabiliteye sahiptir.Sıcaklık ölçüm aralığı -200 ile 650 arasındadır ve bu, hava sıcaklığı ölçüm aralığı gereksinimlerini karşılar. Şekil 2'de görüldüğü gibi PT100 sensörü diferansiyel devreye bağlanır, diferansiyel gerilim ölçülür, gerilim sinyali şekillendirilir ve ayarlanır ve analog-dijital dönüştürme çipi ile dijital değer elde edilir ve geçici olarak FPGA'da hafızada saklanır. Filtre devresi, RC filtresi kullanır. Enstrümantasyon amplifikatörü, TI'nin düşük güç tüketimi ve yüksek doğruluğa sahip enstrümantasyon amplifikatörü INA333'ü kullanır. AD dönüştürme yongası, 5 V besleme voltajına sahip TLC2543IN kullanır ve 11 kanal harici analog sinyalin paralel olarak girilmesine, seri port çıkış dönüştürme verilerine ve 12 bit çözünürlüğe izin verir.
1.3 Hava basıncı toplama modülü
Bu tasarım, hava basıncı sinyalini toplamak için SMI Company'nin SM5852 serisi hava basıncı sensörünü kullanır. SM5852 sensörünün çalışma sıcaklığı -40 ~ 125 olup, hava trafiğinin zorlu ortamını karşılayabilir.Çip, doğru hava basıncı ölçümü elde etmek için bir sıcaklık dengeleme algoritmasına sahiptir. Bu metin SM5852-003 sensörünü seçer, ölçülebilir basınç aralığı 0 0,3 PSI'dır (İnç Kare Başına Pound). Hava basıncı sensörü hem dijital sinyalleri hem de analog sinyalleri verebilir. Sistem tasarımını basitleştirmek ve sinyal alımını doğru yapmak için sensörün dijital sinyali doğrudan burada toplanır. Dijital sinyal, IIC protokolü aracılığıyla iletilir ve 74LVC4245 seviye dönüştürme çipi, kontrol modülünü korurken, 5 V dijital sinyali 3,3 V dijital sinyale dönüştürmek için voltaj kontrolörü ve sensörü birbirine bağlamak için kullanılır.
1.4 İletişim modülü
Bu modül, bu sistemde çok kritiktir, kollektör ile yer izleme sistemi arasındaki bağlantıdır. Havalimanı edinim platformunda elde edilen bilgilerin gerçek zamanlı olarak yerleşik bilgisayara veya Beidou modülüne iletilmesinden ve iki modülden gerçek zamanlı olarak talimatların alınmasından sorumludur. Alım platformundaki önemli veri bilgileri, farklı uzunluklarda çerçeveler halinde birleştirilir ve önceden çizilmiş bir protokol aracılığıyla yer komuta istasyonuna gönderilir. Verilerin güvenliğini ve doğruluğunu sağlamak için, veri çerçevesi doğrulama bağlantısı eklenir ve çerçeve doğrulama yöntemi olarak özel veya toplam kullanılır.
Bu sistemin FPGA kontrol panosu, veri toplama sisteminin platformuna yerleştirilmiştir.Yer komuta istasyonuyla iki ana iletişim ve etkileşim bilgisi türü vardır: bir tür, toplayıcı tarafından toplanan veri bilgilerini yayınlamak ve diğer tür, yer komuta sisteminden komut bilgilerini almak içindir. . Veri güvenliğini ve toplama sisteminin güvenilirliğini sağlamak için iletişim modülü yedekli olarak tasarlanmıştır. Havadaki bilgisayara iki RS422 arabirimi üzerinden bağlanır ve havadaki bilgisayar, kablosuz iletişim yoluyla yer komuta istasyonu ile bilgi alışverişinde bulunur. Ek olarak, iki RS232 arabirimi aracılığıyla havadaki Beidou'ya bağlanır ve Beidou uydu servisi aracılığıyla yer komuta istasyonuyla iletişim kurar. Aynı zamanda toplayıcının lokasyon bilgisi birlikte yere gönderilir. RS422 arayüz yongası ADI'nin ADM2587E'sini kullanır ve RS232 arayüz yongası ADI'nin ADM3251E'sini kullanır. İki RS422 arabirimi, bir ana kart seri portu ve bir bağımlı kart seri portu olarak bölünmüştür.Ana kart seri portu, ana kart ile ilgili veri bilgilerini işler ve ikincil kart seri portu, bağımlı kart ile ilgili veri bilgilerini işler.
2 Sistem yazılım tasarımı
Yazılım kodu geliştirme, kod bloklarının tasarımını ve simülasyonunu gerçekleştirmek için Verilog HDL dilini kullanan Altera'nın Quartus II 13.0 platformuna dayanmaktadır. Havaalanı veri toplama sisteminde, FPGA denetleyicisindeki sinyallerin doğası ve kaynakları, doğrudan sensörlerden gelen dijital sinyaller, analog sinyallerden dönüştürülen dijital sinyaller, programdaki logo sinyalleri ve yerleşik bilgisayarlar dahil olmak üzere çeşitlidir. Kontrol sinyalleri, Beidou modülünden gelen kontrol sinyallerini ve konumlandırma sinyallerini, FPGA kontrol cihazından gelen veri sinyallerini, motor kontrol sinyallerini ve devre kartı sıcaklık kontrol sinyallerini içerir. Etkili verilerin istikrarlı bir şekilde alınmasını, depolanmasını ve iletilmesini iyileştirmek için, program kodu modüllerinin bölünmesi üzerinde yol gösterici bir etkiye sahip olan tüm sinyallerin dikkatlice sınıflandırılması gerekir. Sistem yazılımı tasarımı, yüksek kod okunabilirliği, yüksek güvenilirlik, kolay bakım ve genişleme alanı gerektirir. Sistem tasarımının amacı, önce genel mimariyi yapmak, ardından alt modül yazımını tek tek tamamlamak ve son olarak üst seviye modülde sinyal bağlantısını tamamlamaktır. Modüler tasarım fikri, sistem simülasyon testini kolaylaştırır ve kod bakımını daha güçlü hale getirir.
2.1 Üst düzey mimariyi programlayın
Programın en üst düzey modülünün tasarımı genel durumu etkiler ve sistemin kararlılığı ve güvenilirliği ile ilgilidir. Sistem yapısının tasarımı, modüllerin işlev bölünmesine dayanır, her modül belirli bir işlevi gerçekleştirir ve veri bilgilerinin etkileşimi, her modülün giriş ve çıkış arayüzleri aracılığıyla bağlanır.
Veri toplama sisteminde çok sayıda sinyal vardır ve FPGA ile yerleşik bilgisayar ile Beidou modülü arasındaki iletişim, kurulan protokole göre veri alışverişi yapar, yani edinim sisteminin verileri düzenli olarak gönderilir ve zaman zaman harici talimatlar ve durum bilgileri alınır.Veri yönetimini kolaylaştırmak için FPGA'da geliştirilmiştir. Özellikle çeşitli sinyallerin depolanması ve okunması için bir parça rastgele erişim belleği (Random Access Memory, RAM), bu veri yapısı FPGA içinde veri paylaşımını kolaylaştırır ve okuma ve yazma bozukluğuna neden olması kolay değildir. Altera tarafından RAM'i yapılandırmak için sağlanan IP çekirdeğinden alıntı yapıldığında, ön tahmin yapıldıktan ve yeterince yer bırakıldıktan sonra, RAM boyutu 512 B'ye ayarlanır, okuma ve yazma adres satırlarının her biri 9'dur ve okuma ve yazma etkinleştirme kontrol portu ayarlanır. Şekil 3, sistemin en üst düzey modül mimarisini gösterir. Çekirdek modül, RAM alanındaki okuma-yazma modülüdür. Yerleşik bilgisayardan veya Beidou talimatlarından gelen sıcaklık, basınç, voltaj, akım sinyalleri ve sinyaller, RAM alanına konum ve durum akışı ve depolanan Verilerin RAM alanından okunması ve UART seri port modülü aracılığıyla yerleşik bilgisayara ve Beidou modülüne gönderilmesi gerekir.
2.2 İletişim modülü programlama
İletişim modülü, UART seri portu üzerinden iki yönlü iletişim gerçekleştirir. FPGA denetleyicisi, veri çerçevelerini yerleşik bilgisayara ve Beidou modülüne gönderir ve aynı anda talimatlarını ve durum verilerini gerçek zamanlı olarak alır. Denetleyici, konumlandırma, ana-bağımlı kart bilgileri ve durum gibi veri çerçevelerini iki RS422 seri bağlantı noktasına gönderir.Konumlandırma veri çerçevesi, Beidou modülünden konumlandırma bilgilerini içerir. Ana-yardımcı kart veri çerçevesi, edinim sistemi tarafından toplanan çeşitli bilgileri içerir. Durum veri çerçevesi şunları içerir Beidou modülünün durum bilgisi. Ek olarak, kontrolör telemetri veri çerçevelerini ve kendi kendine kontrol veri çerçevelerini iki RS232 seri portuna gönderir Telemetri veri çerçeveleri telemetri çerçeve başlığı, konumlandırma bilgisi, ana kart veya yardımcı kart bilgisi ve telemetri veri çerçevesi kuyruğundan oluşur.Kendi kendine kontrol veri çerçeveleri kendi kendine kontrol bilgilerini içerir İstek. Aynı zamanda yerleşik bilgisayardan ve Beidou modülünden gerçek zamanlı olarak komutları ve durum bilgilerini almak için 3 UART seri port bulunmaktadır. Program çalışırken, çeşitli veri çerçeveleri üzerinde sık okuma ve yazma işlemlerine ihtiyaç duyar.Program tasarımı mantıksız ise, programın kilitlenmesine veya çökmesine neden olmak kolaydır. Seri verilerin alınması ve gönderilmesinin sıkı bir şekilde bağlı olmadığı gerçeği göz önüne alındığında, veri alma ve gönderme, tasarlanacak program içinde iki alt modüle bölünür ve ardından üst seviye modül, bir tel değişkeni aracılığıyla bağlanır. Düzensiz olmayan veri okuma ve yazma problemini etkili bir şekilde çözmek için, bir durum makinesi RAM kaynaklarını rasyonel olarak kullanmak ve programın kararlılığını artırmak için tasarlanmıştır. Durum makinesinin boşta kalma görevi, iki her zaman bloğunu bağlayan bir etkinleştirme sinyaline sahip olacaktır ve izleme programı, programın sağlamlığını artırmak için tasarlanmıştır.
2.2.1 RAM veri bölümü bölümü
Bu yazıda, çift portlu bir RAM veri yapısı, edinim kontrol sisteminin önemli verilerini taşımak için tasarlanmıştır. İletişim protokolüne göre 512 B RAM alanı için veri segmenti Şekil 4'te gösterildiği gibi titizlikle bölünmüştür. İletim frekansı ve çerçeveleme gereksinimlerine göre, veri çerçevelerinin saklama sırası makul şekilde tahsis edilir. Bu tasarım, denetleyicinin daha güvenilir ve daha güvenli okumasını ve yazmasını sağlayacak ve ayrıca kod yazmayı ve hata ayıklamayı kolaylaştıracaktır.
2.2.2 Veri gönderme durum makinesinin tasarımı
Bilgi aktarım modülü, yer komuta sistemi ile veri toplama sistemi arasındaki bağlantıdır. Zorlu hava ortamında, toplanan verilerin ve sistem durumu ile ilgili bilgilerin gerçek zamanlı olarak yer komuta istasyonuna doğru bir şekilde iletilmesi için yazılım üzerinde güvenilirlik araştırması ve işlemleri yapılmıştır.
İlk olarak, aktarılan veriler kontrol edilir Üst bilgisayar yazılımı, aktarılan veri çerçevesinin doğru olup olmadığını test edebilir Kontrol başarısız olursa çerçeve atılabilir. Bu sistemin gönderen modülünün hem ana kart bilgisini hem de bağımlı kart bilgisini hem yerleşik bilgisayara hem de Beidou uydusuna göndermesi gerekir.Gönderme çerçevelerinin türleri de farklıdır.Bu nedenle, üç aşamalı bir durum makinesi, verileri kararlı bir şekilde iletmek için tasarlanmıştır. Veri gönderme bozukluğunu önlemek için. Durum makinesinin boşta kalma görevinde, FPGA çeşitli veri tipi çerçevelerin tetik sinyalini bekler.Başlangıç gönderme sinyalini aldıktan sonra ilgili gönderme durumuna girer ve ilgili veri çerçevesini UART seri portuna gönderir.Seri portun tetik sinyali de Veri bilgilerindeki farklılıklar nedeniyle. Boşta görevde, tetikleme sinyalini aldıktan sonra, RAM alanına gerçek zamanlı olarak bir yazma işlemi gerçekleştirmek ve ardından yazma işlemi tamamlandıktan sonra gönderme durumuna girmek gerekir, bu da kaçınılmaz olarak program kilitlenmesine neden olacaktır. Bu sorunu çözmek ve programın sağlamlığını iyileştirmek için, yazma işlemini bekleyen parçaya bekçi uygulaması programı eklenir.Çok kilitlendikten sonra, program orijinal bekleme durumuna geri döndürülebilir. Şekil 5, UART seri port gönderme modülünün durum makinesinin şematik diyagramıdır.
3 Sistem simülasyonu ve hata ayıklama
Veri sisteminin testi temel olarak iki yöntemi benimser: üst bilgisayar yardımıyla yazılım simülasyonu ve ortak hata ayıklama. Bu sistemde kullanılan simülasyon araçları, Quartus II geliştirme ortamı tarafından sağlanan çevrimiçi mantık analizörü, sinyal probu, mantık analizörü arayüzü vb. İle harici olarak kurulan güçlü Modelsim simülasyon aracını içerir. Örneğin, okuma-yazma yanıtlarına ve SPI iletişimine dayalı sensörlere sahip IIC iletişim sensörlerinde hata ayıklarken, veri dalga biçimi özelliklerini doğrudan gözlemlemek için bir çevrimiçi mantık analizörü kullanmak hataları hızlı bir şekilde teşhis edebilir ve sorunları giderebilir. Modelsim simülasyon aracını kullanırken, karşılık gelen modülün testbench kodunu yazmanız ve simülasyon yazılımını çalıştırmak için simülasyon aracına eklemeniz gerekir. Şekil 6, hata ayıklama UART iletişim modülünün bir dalga şekli diyagramıdır, kodun mantığını doğrulamak için RAM'in okuma ve yazma adres değeri ile veri değeri arasındaki karşılık gelen ilişkiyi gözlemleyebilirsiniz. Özellikle durum makinesinin işleyişinde hata ayıklarken, durum sıralı mantığının doğruluğunu sezgisel olarak kontrol edebilirsiniz.
Tüm modülleri merkezi bir şekilde test ederken, hata ayıklama verimliliğini artırmak için UART iletişimine dayalı üst bilgisayar yazılımı kullanılır. Yazılım Windows 10 sistemi üzerinde çalışmakta olup, FPGA tarafından gönderilen veri bilgilerini USB arayüzü üzerinden almakta ve panel üzerinde bilgileri görselleştirmekte, FPGA tarafından toplanan verileri görsel ve net bir şekilde görmektedir.
4. Sonuç
Havadaki ortam, düşük sıcaklık, düşük basınç ve yüksek radyasyon özelliklerine sahiptir, bu nedenle ortamda çalışan veri toplama sistemi için tasarım gereksinimleri son derece katıdır. Bu makale, yazılım ve donanımın iki yönüyle güvenilirlik araştırmasına başlar, bu karmaşık ortamla başa çıkmak için bir veri toplama sistemi tasarlar ve iyi sonuçlar elde etmiştir. Sistem, sensör verilerini güvenilir ve istikrarlı bir şekilde toplayabilir ve Beidou modülü ve yerleşik bilgisayar ile uzun süre istikrarlı bir şekilde iletişim kurabilir ve yer kontrol sistemi aracılığıyla talimatlar göndererek veri toplama sistemini kontrol edebilir.
Referanslar
MONMASSON E, IDKHAJINE L, CIRSTEA M N, ve diğerleri Endüstriyel kontrol uygulamalarında FPGA'lar Endüstriyel Bilişimde IEEE İşlemleri, 2011, 7 (2): 224-243.
KANDADAI V, SRIDHARAN M, PARVATHY SM, et al. FPGA kullanarak veri toplama ve iletişim için kapsamlı bir gömülü çözüm. Journal of Applied Research and Technology, 2017, 15 (1): 45-53.
Zhou Shan, Yang Yawen, Wang Jinbo. Havacılıkta Yüksek Güvenilirlik FPGA Test Teknolojisi Araştırması. Bilgisayar Teknolojisi ve Geliştirme, 2017, 27 (3): 1-5.
Song Kefei, FPGA'nın havacılık uzaktan sensör uygulaması. Opto-Mekanik Bilgi, 2010, 27 (12): 49-55.
Chen Kexun, Wang Xiaoyi, Xue Hui. FPGA'ya dayalı veri toplayıcının tasarım ve güvenilirlik analizi. Science and Technology Information, 2017, 15 (24): 7-8.
Wang Jingmei, Yang Chunling, FPGA ve UART'a dayalı veri toplayıcı tasarımı Elektronik Cihazlar, 2009, 32 (2): 386-389.
NING Y, GUO Z, SHEN S, ve diğerleri. FPGA'ya dayalı veri toplama ve depolama sistemi tasarımı. Procedia Engineering, 2012, 29: 2927-2931.
yazar bilgileri:
Zhao Shulei, Liu Jingmeng, Zhang Hui, Lu Zhiyu
(Otomasyon ve Elektrik Mühendisliği Okulu, Beihang Üniversitesi, Pekin 100083)
