FPGA技术在舰炮逻辑控制系统中的应用

朱 伟

ZHU Wei

（驻北京地区舰船设备军事代表室，北京 100034）

FPGA技术在舰炮逻辑控制系统中的应用

Application of fpga in navy gun control system

朱 伟

ZHU Wei

（驻北京地区舰船设备军事代表室，北京 100034）

本文介绍了FPGA技术，举例分析了在舰炮逻辑控制系统的设计中的应用。

现场可编程门阵列；舰炮逻辑控制系统

0 引言

舰炮逻辑控制系统的数字信号处理对时间的要求非常苛刻，以至于用高速的通用微处理器芯片也无法在规定的时间内完成必须的运算。为了实现武器逻辑高速并行控制，本文应用FPGA技术方法设计了新型舰炮逻辑控制系统，通过试验取得较好的效果。

1 FPGA技术原理

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其他ASIC（Application Specific IC）相比，它们又具有设计开发周期短、设计成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。

可以说，FPGA是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

2 设计方案

舰炮武器逻辑控制系统根据来自舰炮管理系统工作方式的指令，针对舰炮发射系统、供弹系统、辅助系统完成信号采集、分析、处理等任务，并通过CAN总线接口与管理系统和随动系统进行信息交互，实现舰炮的逻辑控制及安全联锁检测，保证舰炮发射系统和供弹系统的正常运行。 该系统采用大规模可编程控制器和单片机来实现系统设计。

图1 逻辑控制系统在舰炮中的位置

逻辑控制系统硬件结构上以FPGA为核心处理器，充分利用硬件电路实时性强、可靠性强的优势，发挥软件硬件化的控制思想，完成IO信号检测、状态寄存器组读写、逻辑控制等任务。

图2 逻辑控制系统组成

其中FPGA负责完成逻辑系统的主要功能，实现舰炮的逻辑控制；DSP主要负责逻辑控制的调度，指令解析及数据通信。FPGA芯片选用技术成熟产品，能提供20万系统门，4000个以上触发器，速度可达200 MHz，从而提供了无与伦比的设计灵活性。芯片核心电压为2.5伏，器件的I/O可在3.3伏下工作，并可完全耐受5V信号，该器件还集成了多个延迟锁相环、片上RAM（block RAM和分布式RAM），以及支持16种以上高性能接口标准的通用I/O技术。

软件开发采用专门开发平台进行设计与实现，该开发平台包括设计输入、编译、仿真、器件编程等功能，使用方便，允许用户用原理图、VHDL语言、波形图等多种输入方法进行设计。本软件采用VHDL语言来对各功能模块进行逻辑描述，然后通过EDA开发平台，对设计文件自动地完成逻辑编译、逻辑化简、综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，最后对FPGA芯片进行编程，实现系统的设计要求。

3 结论

通过试验发现，在实时性方面FPGA要优于传统的CPU，传统CPU无论采用何种操作系统它都是要逐条指令顺序执行，无法做到真正的并行处理，而FPGA并不是通过指令执行程序而是以基本硬件结构如（LUT，FLIP-FLOP，SLICE，CLKDLL）组成组合、时序电路来实现程序，这使它可以实现真正意义上的并行处理；在可靠性方面由于FPGA内部是由硬件电路组成，因此不会出现传统CPU软件死机的现象。本文设计了基于FPGA技术的舰炮逻辑控制系统，试验表明该方法是可行的，所设计的控制方案可以有效地对舰炮武器逻辑系统进行控制，具有一定的工程应用价值。

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TP273

A

1009-0134(2010)10(下)-0028-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).08

2010-08-14

朱伟（1970 -），男，工程师，主要从事武器系统工作。