談小型飛機(jī)航電處理計算機(jī)設(shè)計實現(xiàn)范文

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摘要：為了滿足小型飛機(jī)對航電處理計算機(jī)成本控制、功能性能、物理特征等多方面要求，設(shè)計了一種小型化且局部綜合化的航電處理計算機(jī)。首先介紹了航電處理計算機(jī)設(shè)計需求，然后分析了系統(tǒng)架構(gòu)，重點介紹了軟硬件架構(gòu)、三種總線設(shè)計，最后給出了航電處理計算機(jī)的系統(tǒng)實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：小型飛機(jī)；航電處理計算機(jī)；總線；架構(gòu)

引言

小型飛機(jī)具有成本低、體積小、耗油少等優(yōu)點，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用與運輸、搶險救災(zāi)、訓(xùn)練飛行員等方面[1]。航電處理計算機(jī)是小型飛機(jī)航電系統(tǒng)的核心部件，是飛行員與飛機(jī)最重要的人機(jī)接口，隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，航電處理計算機(jī)設(shè)計應(yīng)考慮處理速率高、總線接口豐富、物理特性限制等需求[2]。本文針對小型飛機(jī)成本控制、空間限制以及對航電處理方面的要求，設(shè)計了一種小型化且局部綜合化的航電處理計算機(jī)。

1系統(tǒng)架構(gòu)

航電處理計算機(jī)是航空電子系統(tǒng)顯示控制系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)整個航電系統(tǒng)的控制和管理。本計算機(jī)通過1553B總線建立總線網(wǎng)絡(luò)，包括任務(wù)總線和顯示總線，其中任務(wù)總線完成機(jī)電、慣導(dǎo)等系統(tǒng)任務(wù)的管理和實時調(diào)度；顯示總線負(fù)責(zé)前后艙多功能顯示器的管理與控制。其它外部總線（ARIN-C429、RS422總線、LVDS視頻線等）用于接受和發(fā)送電臺、高度表、羅盤、雷達(dá)等設(shè)備數(shù)據(jù)和視頻。本計算機(jī)實現(xiàn)了整個航電系統(tǒng)的集成化和局部網(wǎng)絡(luò)化，建立了航電系統(tǒng)的頂層控制管理和通信。

2功能模塊設(shè)計

按系統(tǒng)功能需求及標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，航電處理計算機(jī)硬件系統(tǒng)由VME總線板（母板）、7個物理功能模塊組成，功能化模塊設(shè)計有效地提高了故障的隔離率，其中每個模塊的功能如下：（1）母板實現(xiàn)8個功能模塊的物理互聯(lián)和數(shù)據(jù)通信；（2）電源模塊負(fù)責(zé)給每個功能模塊提供5V供電；（3）主處理模塊（CPU）負(fù)責(zé)控制和處理其他模塊命令和數(shù)據(jù)；（4）串行輸入輸出模塊（SIO）負(fù)責(zé)ARINC429和RS422數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；（5）總線管理模塊（MBI）實現(xiàn)1553B總線設(shè)備的互聯(lián)通信；（6）輸入輸出控制模塊（IOC）負(fù)責(zé)模擬視頻、離散量和模擬量的采集和發(fā)送；（7）視頻開關(guān)模塊（VSM）實現(xiàn)6×6LVDS數(shù)字視頻輸入和輸出；（8）數(shù)字地圖模塊（DMP）實現(xiàn)數(shù)字地圖的顯示與控制。本系統(tǒng)各模塊進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，各種功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計及電路設(shè)計等均統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，以提高模塊的維修性和適應(yīng)性。除電源模塊外，其他模塊都采用通用處理電路和專用功能電路的統(tǒng)一化硬件架構(gòu)。按照功能性能不同，本計算機(jī)系統(tǒng)模塊可分為以下三類：（1）處理模塊：如圖1所示，通用處理電路采用PowerPC+橋接器架構(gòu)，CPU模塊和DMP模塊都采用該結(jié)構(gòu)。處理模塊對實時性處理和中斷響應(yīng)要求較高，PowerPC作為處理核心，集成VxWorks嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)快速實時響應(yīng)、多任務(wù)調(diào)度等功能；橋接器連接存儲器、VME控制器等外設(shè)，對底層中斷和數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和輔助管理處理。（2）接口模塊：如圖2所示，通用處理電路采用DSP+FPGA架構(gòu)。MBI模塊、SIO模塊和IOC模塊都采用這種硬件架構(gòu)。FPGA適合時序處理，集成了多種外圍接口，負(fù)責(zé)控制復(fù)位片選信號、RAM以及VME從接口等邏輯；DSP數(shù)據(jù)運算能力強(qiáng)，作為處理核心。該結(jié)構(gòu)同時兼有兩種處理器的優(yōu)越性，具有很好的靈活性和實用性。（3）視頻模塊：如圖3所示，通用處理電路采用單FPGA架構(gòu)，負(fù)責(zé)外部輸入視頻信號的選擇和切換功能，實現(xiàn)視頻矩陣開關(guān)，算法簡單，適合邏輯運算處理。

3總線設(shè)計

3.1系統(tǒng)總線

本計算機(jī)內(nèi)部采用VME總線，完成各模塊之間的互連通信，實現(xiàn)了局部綜合化，VME總線采用地址/數(shù)據(jù)信號非復(fù)用方式、異步握手傳輸。CPU模塊上嵌入VME主設(shè)備，其它模塊上嵌入VME從設(shè)備，主設(shè)備發(fā)起每次DTB命令的執(zhí)行，從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備要求，查詢地址是否為本設(shè)備所屬，并配合完成數(shù)據(jù)傳輸[3]。其中處理模塊采用PCI-VME總線橋芯片配置為VME接口，接口模塊和視頻模塊采用VHDL語言編寫邏輯實現(xiàn)VME接口。CPU主模塊和從模塊之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雙口RAM按地址劃分為兩部分：命令區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。CPU主模塊周期性完成寫命令、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)，從模塊定時地完成讀命令、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)。采用VME總線和雙口RAM，實現(xiàn)主設(shè)備和從設(shè)備的異步通信，實現(xiàn)了航電計算機(jī)的局部綜合化，有效地提高了數(shù)據(jù)共享和處理速率。

3.2外部總線

綜合考慮成本、傳輸速率和可靠性要求，本計算機(jī)采用雙1553B總線結(jié)構(gòu)，分別連接航電系統(tǒng)的顯示控制總線和任務(wù)控制總線。1553B總線為指令響應(yīng)型，采用A、B通道互為備份，有效地提高了總線的容錯能力。節(jié)點類型由總線控制器BC、遠(yuǎn)程終端RT、總線監(jiān)控器MT構(gòu)成，其中總線控制器是唯一總線指令的設(shè)備，負(fù)責(zé)引導(dǎo)總線上的數(shù)據(jù)流，完成各種總線消息。航電處理計算機(jī)作為整個航電總線上的總線控制器，建立兩大局域網(wǎng)絡(luò)：顯示局域網(wǎng)和任務(wù)局域網(wǎng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理，實現(xiàn)了整個航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。任務(wù)控制總線互聯(lián)機(jī)電、慣導(dǎo)、大氣機(jī)等任務(wù)型航電設(shè)備，發(fā)送相應(yīng)指令，實現(xiàn)任務(wù)型航電總線網(wǎng)絡(luò)的有效運行。顯示控制總線互聯(lián)前后艙多功能顯示器，向多功能顯示設(shè)備發(fā)送飛行相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息可視化。

3.3視頻總線

本系統(tǒng)采用LVDS視頻接口實現(xiàn)整個顯示系統(tǒng)的互聯(lián)，LVDS固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干擾性，可實現(xiàn)長距離、高帶寬的視頻傳輸[4]。LVDS視頻采用4個通道（1個時鐘信號、3個數(shù)據(jù)信號）傳輸數(shù)據(jù)，一個時鐘周期內(nèi)傳送21bit，包括3×6bit的RGB顏色信號和控制信號。經(jīng)測試驗證，6bit顏色信號滿足機(jī)載設(shè)備的顯示需求。通過6×6視頻開關(guān)矩陣建立了航電系統(tǒng)的顯示網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了顯示輸入輸出的路由控制。每個輸出通道處加入6×1多路選擇器，允許任一路視頻源可在任意輸出顯示通道上顯示。其中六路輸入視頻進(jìn)行編號處理，六路輸出通道各分配一個地址空間，切換每個多功能顯示器的顯示內(nèi)容時，只需在相應(yīng)的地址空間寫入視頻編號即可。本系統(tǒng)6×6視頻網(wǎng)絡(luò)中，一路輸入連接數(shù)字地圖，其它五路輸入連接外部機(jī)載視頻，六路輸出與前后艙多功能顯示器交聯(lián)，根據(jù)各個顯示器設(shè)置隨意切換顯示畫面。

4軟件設(shè)計

該計算機(jī)軟件包括三部分：CPU模塊駐留的主處理軟件、DMP模塊駐留的數(shù)字地圖軟件、其它模塊駐留的傳輸軟件。軟件架構(gòu)如圖4所示。主處理軟件包括系統(tǒng)軟件、驅(qū)動軟件、飛行控制軟件，系統(tǒng)軟件是CPU模塊的基本執(zhí)行軟件，為應(yīng)用程序訪問模塊的資源提供服務(wù)，完成運行環(huán)境的初始化。驅(qū)動軟件是實現(xiàn)應(yīng)用軟件（飛行控制軟件）對其它功能模塊進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)傳遞的專用軟件，完成CPU模塊與其它功能模塊的有效通信。飛行控制軟件為主實時控制軟件，負(fù)責(zé)控制和管理整個航電系統(tǒng)完成其任務(wù)，自頂向下可分為調(diào)度層、應(yīng)用層和服務(wù)層。傳輸軟件包括SIO模塊、MBI模塊、IOC模塊駐留的控制軟件，主要完成以下功能：（a）板內(nèi)資源初始化，包括DSP處理器、各種接口協(xié)議芯片等；（b）對板內(nèi)DSP、雙口RAM、協(xié)議芯片等進(jìn)行自測試，并反饋自測試結(jié)果；（c）查詢并取主機(jī)命令字，并轉(zhuǎn)相應(yīng)子程序，處理接受或發(fā)送的消息；對定義并使能的中斷進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。數(shù)字地圖軟件包括系統(tǒng)軟件和地圖控制軟件，系統(tǒng)軟件為DMP模塊的基本執(zhí)行軟件，為應(yīng)用程序訪問模塊的資源提供服務(wù)，完成運行環(huán)境的初始化和各個單元的配置。地圖控制軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)字地圖顯示與控制，主要功能包括地圖導(dǎo)航、進(jìn)近著陸、地圖漫游等功能。

5設(shè)計實現(xiàn)

經(jīng)過軟硬件調(diào)試及航電系統(tǒng)聯(lián)試驗證，滿足航電系統(tǒng)需求，提供了高性能、高可靠的可視化人機(jī)交互。計算機(jī)中，處理模塊嵌入VxWorks5.5操作系統(tǒng)和應(yīng)用驅(qū)動，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理；接口模塊嵌入傳輸軟件和控制邏輯，實現(xiàn)穩(wěn)定的總線通信；視頻模塊嵌入視頻處理邏輯，實現(xiàn)視頻切換。針對小型飛機(jī)航電處理計算機(jī)的設(shè)計需求，本文設(shè)計了局部綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化航電處理計算機(jī)，實現(xiàn)了整個航電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，可適用于直升機(jī)、教練機(jī)等小型飛機(jī)航電系統(tǒng)，同時在滿足航電處理功能性能的需求下，最大程度地降低了成本、功耗和物理特性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]萬勇利,魏凱,等.基于FPGA的從設(shè)備VME總線接口設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2016,35(1):111-114.

[4]邢達(dá)波,丁騰歡,鄭可旺.機(jī)載視頻采集技術(shù)研究[J].中國科技信息,2017,9(10):39-40.

作者：張黎 姜琳琳 張彬 胡寶雷 單位：中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所