基于FPGA和USB接口数据采集系统设计

基于FPGA和USB接口数据采集系统设计(26000字)
摘要
在空间环境探测中，需要及时高效地采集、存储和处理空间环境探测仪器所获得的科学数据，以便于进一步开展科学研究。COTS（Commercial-Off-The-Shelf)意为商业现货，它在性能指标上能够满足空间探测仪器的需求，同时比宇航级和军品级器件成本低且易获得。将COTS器件应用于快速响应航天器的空间环境探测仪器能够大大降低其研制成本、缩短研制周期，同时能满足探测性能的需求。
本文面向快速响应空间环境探测技术的发展需求，以基于USB2.0接口和可编程逻辑FPGA的空间环境探测数据采集系统的设计为研究内容。结合USB2.0总线作为快速响应航天器系统总线的巨大潜力，探讨利用Actel Fusion系列混合信号FPGA以及Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片设计数据采集系统的方法和技术。
全文共分四章，依次为引言、USB总线和FPGA技术、数据采集系统方案设计、总结和展望。第一章主要介绍了空间探测环境、空间探测技术及其采集系统的发展，分析了空间环境粒子辐射效应对空间探测仪器的影响和空间探测仪器可靠性设计的重要性。
第二章在介绍USB总线和FPGA技术的基础上，根据快速响应的需求选择了FPGA和USB接口芯片，并对提高COTS器件可靠性进行了讨论，对FPGA器件进行了测试。
第三章按照系统设计的思路和顺序对基于USB和FPGA的数据采集系统的设计进行了论述，此过程包括系统需求分析、总体方案设计、硬件设计、软件设计。总体系统方案设计是在分析了应用于快速响应航天器数据采集系统设计需求的基础上，提出了系统设计性能指标。硬件设计部分主要是FPGA模块设计以及USB模块设计。软件设计部分用于实现FPGA、USB以及计算机之间的通信，USB接口固件和驱动程序。
第四章总结了本文的工作，系统所达到的技术指标。并之处工作中的不足之处，提出了下一步的工作。
关键字：FPGA，USB，数据采集，空间环境探测，快速响应航天器

Abstract
In space environment exploration，spacecraft-borne sensor data output is needed tobe efficiently acquired,stored and then to be studied.COTS are short for CommercialOff-The-Shelf.COTS parts can meet the performance requirements of space explorationequipment and is easily to be obtained compared to aerospace and military gradecomponents.The COTS parts used for space environment detection instruments cangreatly reduce their development costs and shorten the development duration,whilegood detection performance can be obtained.
 The main content of this paper is the design of space environment measurementdata acquisition system based on USB interface and FPGA for the demand of rapidresponse spacecraft technology development.With consideration of the greatapplication potential of USB bus as a spacecraft system bus,methods and techniques ondata acquisition system design using Actel Fusion Mixed-Signal FPGA and CypressEZ-USB FX2 are discussed.
This paper is divided into four chapters.They are successively the introduction, USB bus and FPGA technique,design on data acquisition system,summary andprospects.
Chapter one introduces space environment,measurement technology anddevelopment status of data acquisition techniques.Particle radiation effects on spaceexploration instruments are discussed.In addition,instruments and componentsChapter two is about USB bus and FPGA techniques according to the demand forrapid response spacecraft technology,FPGA chip and USB interface chip are chosenand tested.
Chapter three discusses the design of data acquisition system based on USB 2.0interface and FPGA.This chapter includes system requirement analysis,system design， hardware design and software design.The section of hardware design is mainly aboutdesign of USB interface module and FPGA module.The communication between FPGAand USB,driver and firmware of USB interface is achieved in the software design.
At the end of the thesis,the work of this paper is summarized and the next stepwork is proposed.
 Key Words:FPGA,USB,data acquisition,space exploration,rapid responseSpacecraft


目录
第1章引言   1
1.1选题背景和研究意义.1
1.2空间环境.2
1.3空间环境探测及其数据采集技术的发展.4
1.4空间粒子辐射效应.6
1.5研究内容和论文结构.8
第二章USB总线和FPGA技术10
2.1 USB总线及接口10
2.2 FPGA技术17
2.3芯片选择.18
2.4 FPGA芯片的测试25
2.5 CTOS器件可靠性31
2.6小结.37
第3章数据采集系统设计39
3.1数据采集系统的设计需求分析.39
3.2数据采集系统的总体方案设计.40
3.3系统硬件设计.45
3.3.1电源模块45
3.3.2外部晶振电路46
3.3.3 SARM存储模块47
3.3.4 FPGA功能模块设计.52
3.3.5 USBA接口模块设计652
3.4系统软件设计.63
3.4.1固件设计67
3.4.2驱动程序设计67第4章总结与展望68
致谢69
参考文献71