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CT机远程升级系统ISP模块的设计与实现

作　者: 杨国胜
导　师: 邹豪
学　校: 东北大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 在系统编程固件 JTAG协议现场可编程逻辑门阵列
分类号: R197.39
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 19次
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内容摘要

“在系统编程(In-System Programming, ISP)"模块是多层CT机远程升级系统的关键组成部分,本文重点研究了对固件(Firmware)的编程技术,对比传统的利用微控制器(MCU)实现固件编程技术,本文提出了一种以FPGA为核心的固件编程设计方案,在“国家数字化医疗影像设备工程技术研究中心”的资助下,开展本研究,新方案实现了对Firmware的编程。重点研究了ISP模块的结构组成和功能设计。首先研究了固件数据升级的理论基础JTAG协议和ISP技术,在深入学习和研究JTAG协议的基础上,设计了以TAP编程状态机为核心的编程控制器和以page为最小编程单位的固件编程方案。以FPGA和Firmware为核心,构建了在系统编程模块,实现了对Firmware的编程。首先,依据RS-232串行数据接口标准,在FPGA内部实现了一个串行异步收发器,用于接收外部上位机发送到ISP模块的数据。其次,FPGA作为核心处理器,依据JTAG协议和ISP技术,采用了业内主流的自顶而下逐层分解的方法划分功能模块,用VHDL语言实现了软件功能。为实现数据在FPGA内部的存储,本设计利用FPGA内部的Block RAM成功的实现了数据的缓存。另外,为调整“在系统编程”模块各个子模块之间的时钟同步性,采用FPGA内部的数字时钟管理器(DCM)模块,成功的实现了各个子模块之间的时钟同步。最后,用VHDL语言在FPGA内部实现了对固件编程的编程状态机,该状态机成功的产生了符合JTAG协议接口标准的测试端口时序,即固件编程时序。在FPGA内部产生的固件编程指令的控制下,数据从Block RAM传输到Firmware,实现Firmware的升级。在固件升级完后,对传输后的数据用CRC校验方法进行了验证,结果表明没有发生错误。这一新技术,对Firmware编程时减少了芯片的数量,从而减小了PCB板的面积,降低了成本。本设计成功实现了64kbits数据量的Firmware的编程,在功能上完全能够满足多层CT机远程升级系统的要求。

全文目录

摘要  5-6
英文摘要  6-11
第1章绪论  11-15
  1.1 课题背景  11-12
    1.1.1 CT机国内外发展现状  11
    1.1.2 在系统编程技术的发展  11-12
  1.2 CT机远程升级系统及研究意义  12-13
  1.3 本文的主要工作和创新点  13-14
  1.4 本文的研究内容  14-15
第2章 CT机远程升级系统ISP模块的构成  15-21
  2.1 CT机的系统结构  15-16
  2.2 CT成像原理  16-17
  2.3 在系统编程模块的理论基础  17-19
    2.3.1 JTAG协议标准  17
    2.3.2 JTAG的电路结构  17-19
  2.4 在系统编程模块简介  19-20
    2.4.1 在系统编程模块的物理结构组成  19
    2.4.2 在系统编程模块的功能  19-20
  2.5 本章小结  20-21
第3章 CT机远程升级系统ISP模块设计方案  21-31
  3.1 总体功能设计要求  21-22
    3.1.1 传统MCU方法  21
    3.1.2 系统功能要求  21-22
  3.2 系统框架设计  22-25
    3.2.1 上位机发送数据  22-23
    3.2.2 数据接收单元  23-24
    3.2.3 数据缓存单元和发送单元  24-25
    3.2.4 指令产生单元  25
  3.3 采用的关键芯片和技术  25-28
    3.3.1 XC3S500E FPGA  25-26
    3.3.2 串口接口芯片MAX3232E  26-27
    3.3.3 固件XCF04S  27-28
  3.4 系统电路板的实现  28-30
  3.5 本章小结  30-31
第4章 CT机远程升级系统ISP模块设计实现  31-57
  4.1 FPGA的设计流程  31-33
  4.2 数据预处理的实现  33-34
    4.2.1 固件XCF04S内部数据的存储结构  33-34
    4.2.2 数据预处理的实现  34
  4.3 数据发送和数据缓存的实现  34-42
    4.3.1 串行异步收发器  34-39
    4.3.2 Block RAM的结构和数据缓存的实现  39-42
  4.4 Firmware编程的设计与实现  42-56
    4.4.1 Firmware编程状态机的设计  42-49
    4.4.2 CRC校验  49-56
  4.5 本章小结  56-57
第5章系统调试和结果分析  57-73
  5.1 仿真调试工具简介  57-59
    5.1.1 ModelSim SE 6.2b简介  57-58
    5.1.2 在线逻辑分析仪ChipScope Pro  58-59
  5.2 仿真调试和结果分析  59-67
    5.2.1 UART接收上位机数据和发送数据  59-61
    5.2.2 数据在FPGA内部Block RAM的缓存  61-62
    5.2.3 Firmware编程的实现  62-67
  5.3 系统调试过程和结果分析  67-72
    5.3.1 系统调试的物理连接  67-68
    5.3.2 系统调试过程  68-69
    5.3.3 系统调试结果和分析  69-72
  5.4 本章小结  72-73
第6章讨论与结论  73-75
  6.1 研究结果  73
  6.2 不足与展望  73-75
参考文献  75-77
致谢  77

CT机远程升级系统ISP模块的设计与实现

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