基于VHDL高级综合的水下航行器自控系统集成设计研究

【摘要】： 本文采用基于VHDL高级综合的高层次设计方法对某型水下航行器自控系统的集成设计进行了研究。系统的集成设计，将会使系统的体积减小、可靠性增大、保密性增强，将会产生经济和军事效益，有重要的工程实用价值。基于VHDL高级综合的高层次设计方法是目前ASIC设计业普遍关注的热点研究课题，该方法在国内尚未达到实用化程度，因此本文采用该方法对水下航行器自控系统的集成设计进行研究，将为我国EDA技术的发展作出创造性的贡献。论文所作的工作包括： 1)基于对集成系统的深入分析，本文提出了8051核心控制器与外围电路接口的设计方案，并设计了系统的结构框图。 2)本文在对VHDL语法结构深入分析的基础上，提出了关于算法级行为描述的特征和行为描述的策略，由此设计了某型水下航行器自控系统的算法级行为描述程序，该程序VHDL编码结构良好，可读性强，约3000行左右。 本文提出了复杂数字系统的模拟策略，设计了VHDL测试基准程序，完成了系统功能模块的模拟验证。 3)本文对ASIC高级综合的理论与方法进行了深入的探讨： ①．系统地分析了VHDL语言的可综合性问题，并探讨了VHDL综合子集的确立及实现方法。 ②．本文建立了一个高级综合设计表示的中间数据格式，即CDFG模型，提出了本文所选定的VHDL综合子集中基本语句的CDFG表示，给出了CDFG的自动生成方法。 ③．本文深入研究了实用性强的高级综合的两种调度算法，即基于功能单元最大利用率的调度算法和条件结构的调度算法。通过实例检验了两种算法的性能，实验结果是优化的。本文还对这两种算法的扩展进行了探讨。 ④．本文对加权的改进团划分分配算法进行了分析研究。通过实例试验表明，加权改进的团划分算法在资源分配问题上较团划分分配算法更加有效。 本文给出了一种迭代的调度分配改进算法，在保证所需功能单元数目最少的情况下，进一步考虑调度与分配过程的相互作用，以减少存储元件及互连元件的数目，从而降低设计的整体造价。 ⑤．本文论述了控制信息的提取，实现了控制流综合与数据流综合结果的衔接。 4)本文借助于《Talent 2000 ASIC高层次自动设计系统》对某型水下航行器自控系统的高级综合实现进行了初步探讨。 摘要 5)本文建立了水下航行器空间运动方程组，为控制系统设计奠定了重要的 基础。 本文应用输出反馈变结构控制方法和非线性变结构控制方法完成了某型水 下航行器自控系统的软件设计。本文对现有的输出反馈变结构控制算法做了改 进，消除了颤振。由此所设计的控制系统不仅具有良好的动态品质和稳态性能， 而且具有较强的参数鲁棒性。 在非线性变结构控制方法研究中，本文提出了一种具有时变、非线性、“准 时间最优”开关超曲面的变结构控制器，由此所设计的控制系统动态响应速度快， 超调小，鲁棒性强，无稳态误差。 本文的研究成果将为进一步研究其他类型的水下航行器自控系统的集成设 计打下坚实的基础，具有重要的实际意义。