基于国产 FPGA + DSP+1553B总线 的大气数据测量装置的设计与实现
大气数据可供飞行器的控制管理系统使用，为飞行器提供飞行指导，因此实时精准
地获取大气数据在飞行器飞行过程中至关重要。本文设计并实现了一种基于 FPGA 和 DSP
的大气数据测量装置。测量装置包含五个压力传感器及两个温度传感器，可实时获取飞
行器表面的压力信号及温度信号。传感器信号经采集调理、转换解算后输出五路压力值
和两路温度值，得到的压力值和温度值，可用来解算马赫数、静压、攻角、侧滑角、总
温等大气参数，飞行器控制系统通过这些参数可实时掌握飞行器飞行状态，从而对飞行
器做出调整控制。
2 大气数据测量装置方案设计
2.1 大气测量系统组成
嵌入式大气测量系统由大气传感器组件、大气数据测量装置、控制系统组成。测压
孔采用五点位分布式模型，所以传感器组件由五个压力传感器和两个温度传感器构成，
可采集飞行器表面两路温度信号和五路压力信号。测量装置需对传感器组件获取的信号
进行处理，然后采集转换为数字量信号，再将数字量信号解算成压力、温度值后，之后
通过算法计算出大气数据。控制系统通过RS422接口向测量装置下发采集控制信号，测
量装置在采集控制信号下控制传感器组件采集信号，信号经采集、解算模块处理解算后
通过1553B总线将数据传回控制系统，测量装置作为RT端与控制系统通过1553B总线通
信。系统间连接关系如图2-1所示。
2.2 大气数据测量装置功能需求
数据测量装置是大气测量系统的关键组成，其需实时可靠地接收前端传感器组件输
出的信号，并对信号做采集处理与解算。课题所设计的大气数据测量装置需具备以下几
个功能：
1）具备5路压力和2路温度测量及补偿的功能，温度测量范围为-40℃~1000℃，测量
精度优于1%F.S；压力测量范围为5kPa~200kPa，精度要求±60Pa，且过压峰值需达到250
kPa。
2）具备通过RS422接口接收控制系统采集控制信号功能；
3）具备温度值、压力值、二次电压值解算功能；
4）具备通过1553B总线将测量解算后的数据输出功能；
5）具备DSP解算程序自启动功能。
2.3 方案设计与分析
通过前期对大气数据测量系统国内外研究现状分析知，目前嵌入式大气数据测量系
统实现方式有三种：通过机载计算机系统采集传感器组件获取的数据，再根据算法计算
出大气数据；通过DSP接收温度压力值，并解算出大气数据；通过“FPGA加DSP”架构
采集解算数据，FPGA负责传感器数据采集转换及接口控制，DSP负责数据处理与计算。
但机载计算机系统的传感器组件一般直接固定于飞行器表面且体积较大不易用于其他
飞行器；DSP解算系统用于对已采集到的温度压力值做数据解算，不适用于多路传感器
数据采集处理。为满足对多路传感器数据进行采集解算的设计需求，设计采用“FPGA
加DSP”架构来采集解算传感器数据。
课题研究的大气数据测量装置将传感器组件与测量装置集成，传感器组件位于装置
前端，预留传感器对外接口，可通过引压管获取飞行器外表面五点压力；可通过补偿导
线获取温度信号。控制器采用“FPGA+DSP”架构，FPGA负责接口匹配和采集控制，
DSP控制器负责数据解算，两种控制器之间采用EMIF总线进行数据交互。控制系统通过
RS422接口向测量装置下发采集控制信号，测量装置根据采集控制信号控制传感器组件
采集信号，再经DSP解算处理后通过1553B总线将数据传回控制系统，测量装置作为RT
端与控制系统通过1553B总线通信。依据模块化设计原则，将大气数据测量装置按照功
能划分为四块PCB板，分别为采集模块PCB板、主控模块PCB板、接口转换模块PCB板、
电源模块PCB板。
大气数据测量装置硬件组成框图如图2-2所示。采集卡主要用于温度、二次电压的调
理采集以及压力数据的采集。5路压力数据的标定参数和10路输出频率经电平转换后通
过内部总线传递给主控卡接收；温度数据和二次电压经过信号调理后供后端ADC采集。
主控卡主要用于外部采集控制信号的接收、采集控制、数据处理以及与控制系统通过
1553B总线通信。接口转换卡用于控制系统与测量装置间传递信号，其直接与控制系统
相连，将1553B总线数据及系统供电提供给采集卡、电源卡以及主控卡，并将系统采集
控制信号（422差分信号）转换成单端信号通过内部总线与主控卡相连。电源卡的主要功
能是将系统提供的28V电压通过滤波器、电压转换器转换为+5V和±15V输出，为大气数
据测量装置供电。
2.4 最小系统设计
2.4.1 处理器选型
（1）DSP选型
根据大气数据测量装置的功能需求知，DSP需实时解算接收到的数字量数据，因此
需考虑DSP的运算速度；压力值、温度值精准获取对大气测量系统至关重要，因此需考
虑DSP的运算精度；飞行器上供电受限，为保证测量装置可长时间工作，还需考虑DSP
的功耗；根据方案设计知DSP需挂接三个外部存储设备，所以还需考虑DSP的外设接口。
TI公司作为全球DSP的领导者，可提供上百种DSP器件，以满足不同应用需求，所
以设计从TI公司的DSP产品考虑选型。其中C6000系列DSP主要为高速、高性能应用场合
开发，其子系列C67x系列可进行浮点运算。目前高精度高性能场合广泛运用的器件是
TMS320C674x型DSP和TMS320C6713B型DSP。因此通过对比这两类器件参数、性能，
做出选型。如表2-1为674x与6713B主要参数[22,23,24]。
从参数表可看出两类DSP均为高性能浮点运算型处理器，C674x系列DSP性能优于
C6713B，但设计需连接三个外部存储器，而C674x只有两个外部存储器接口，且C6713B
的性能足以满足设计需求，所以设计使用C6713B型DSP。由于设计需满足元器件均使用
国产商厂的需求，设计最终选用银河飞腾公司的FT-C6713型DSP。该型号DSP可功能替
代TI公司的TMS320C6713B型DSP。该芯片是一款专门针对数字信号实时高速解算的处
理器，其CPU主频可达250MHz，定点计算性能可达2.4GIPS，浮点计算性能达1.8GFLOPS，
内核电压为1.26V。CPU核心采用八流出VLIW体系结构，指令同时派发到八个处理单元，
并由八个单元同时执行。八个独立的功能单元中各有两个16位乘法器(32位结果)和六个
算术逻辑单元(32/40位)。FT-C6713采用Load/Store体系结构，数据在多处理单元之间的
传输依靠32个32位通用寄存器。其片上外设主要包括EDMA控制器、16位的主机接口、
EMIF接口 (外部存储接口)、16位宽独立控制的GPIO接口、中断选择子及两个定时器、
两个I 2C接口、两个多通道缓冲串口、两个多通道音频串口(McASP)。因此FT-C6713型DSP
可满足设计需求。
（2）FPGA选型
根据大气测量装置的功能需求知，FPGA 需实现采集控制信号接收、控制 A/D 转换
器、压力信号采集、控制 1553 总线控制器，及作为 DSP 外部存储器与 DSP 进行数据交
互功能。设计整体数据传输量较小，因此对 FPGA 逻辑资源、内存容量要求不是很高，
由于 DSP 芯片尺寸较大，因此 FPGA 芯片需选用小尺寸芯片。选型时主要从国产器件、
芯片尺寸、成本高低、逻辑资源方面考虑。目前复旦微电子公司研制出多款 FPGA 芯片
可功能替代赛灵思 7 系 FPGA，其 JFM7K、JFM7V 系列 FPGA 分别可替代赛灵思 Kintex-
7、Virtex-7 系列 FPGA，其性能强大，逻辑资源、硬核数量丰富，但尺寸较大。而 JFMK50
系 FPGA 资源、性能虽低于 JFM7K、JFM7V，但其小尺寸满足设计需求，JFMK50 其逻
辑资源兼容赛灵思 Artix 系 7A50 型 FPGA。如表 2-2 为 JFMK50 系两款 FPGA 资源对
比。
根据资源对比知两款 FPGA 资源容量大致相同，只是 JFMK50 没有高速收发器，且
I/O 较 JFMK50T4 少，但其尺寸仅为 15mm×15mm。所以设计选用 JFMK50 型 FPGA，
该器件具有低功耗、小尺寸封装、高性能的特点，内部有逻辑单元 52K，高性能 RAM
模块 2700Kb，210 个可用 I/O，内核电压为 1.0V，因此可以满足设计需求。