談小型飛機航電處理計算機設計實現范文

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

關鍵詞：小型飛機；航電處理計算機；總線；架構

引言

小型飛機具有成本低、體積小、耗油少等優點，在國內外被廣泛應用與運輸、搶險救災、訓練飛行員等方面[1]。航電處理計算機是小型飛機航電系統的核心部件，是飛行員與飛機最重要的人機接口，隨著航空電子技術的發展，航電處理計算機設計應考慮處理速率高、總線接口豐富、物理特性限制等需求[2]。本文針對小型飛機成本控制、空間限制以及對航電處理方面的要求，設計了一種小型化且局部綜合化的航電處理計算機。

1系統架構

航電處理計算機是航空電子系統顯示控制系統的核心部件，負責整個航電系統的控制和管理。本計算機通過1553B總線建立總線網絡，包括任務總線和顯示總線，其中任務總線完成機電、慣導等系統任務的管理和實時調度；顯示總線負責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）用于接受和發送電臺、高度表、羅盤、雷達等設備數據和視頻。本計算機實現了整個航電系統的集成化和局部網絡化，建立了航電系統的頂層控制管理和通信。

2功能模塊設計

按系統功能需求及標準模塊化結構設計方法，航電處理計算機硬件系統由VME總線板（母板）、7個物理功能模塊組成，功能化模塊設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8個功能模塊的物理互聯和數據通信；（2）電源模塊負責給每個功能模塊提供5V供電；（3）主處理模塊（CPU）負責控制和處理其他模塊命令和數據；（4）串行輸入輸出模塊（SIO）負責ARINC429和RS422數據的采集和發送；（5）總線管理模塊（MBI）實現1553B總線設備的互聯通信；（6）輸入輸出控制模塊（IOC）負責模擬視頻、離散量和模擬量的采集和發送；（7）視頻開關模塊（VSM）實現6×6LVDS數字視頻輸入和輸出；（8）數字地圖模塊（DMP）實現數字地圖的顯示與控制。本系統各模塊進行統一設計，各種功能模塊結構設計、架構設計及電路設計等均統一標準化，以提高模塊的維修性和適應性。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一化硬件架構。按照功能性能不同，本計算機系統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，CPU模塊和DMP模塊都采用該結構。處理模塊對實時性處理和中斷響應要求較高，PowerPC作為處理核心，集成VxWorks嵌入式系統，實現快速實時響應、多任務調度等功能；橋接器連接存儲器、VME控制器等外設，對底層中斷和數據進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。MBI模塊、SIO模塊和IOC模塊都采用這種硬件架構。FPGA適合時序處理，集成了多種外圍接口，負責控制復位片選信號、RAM以及VME從接口等邏輯；DSP數據運算能力強，作為處理核心。該結構同時兼有兩種處理器的優越性，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，負責外部輸入視頻信號的選擇和切換功能，實現視頻矩陣開關，算法簡單，適合邏輯運算處理。

3總線設計

3.1系統總線

本計算機內部采用VME總線，完成各模塊之間的互連通信，實現了局部綜合化，VME總線采用地址/數據信號非復用方式、異步握手傳輸。CPU模塊上嵌入VME主設備，其它模塊上嵌入VME從設備，主設備發起每次DTB命令的執行，從設備根據主設備要求，查詢地址是否為本設備所屬，并配合完成數據傳輸[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VME接口。CPU主模塊和從模塊之間通過雙口RAM進行數據傳輸，雙口RAM按地址劃分為兩部分：命令區和數據區。CPU主模塊周期性完成寫命令、寫數據、讀數據，從模塊定時地完成讀命令、寫數據、讀數據。采用VME總線和雙口RAM，實現主設備和從設備的異步通信，實現了航電計算機的局部綜合化，有效地提高了數據共享和處理速率。

3.2外部總線

綜合考慮成本、傳輸速率和可靠性要求，本計算機采用雙1553B總線結構，分別連接航電系統的顯示控制總線和任務控制總線。1553B總線為指令響應型，采用A、B通道互為備份，有效地提高了總線的容錯能力。節點類型由總線控制器BC、遠程終端RT、總線監控器MT構成，其中總線控制器是唯一總線指令的設備，負責引導總線上的數據流，完成各種總線消息。航電處理計算機作為整個航電總線上的總線控制器，建立兩大局域網絡：顯示局域網和任務局域網，對數據進行轉發和處理，實現了整個航電系統的數據共享。任務控制總線互聯機電、慣導、大氣機等任務型航電設備，發送相應指令，實現任務型航電總線網絡的有效運行。顯示控制總線互聯前后艙多功能顯示器，向多功能顯示設備發送飛行相關數據，實現信息可視化。

3.3視頻總線

本系統采用LVDS視頻接口實現整個顯示系統的互聯，LVDS固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干擾性，可實現長距離、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個數據信號）傳輸數據，一個時鐘周期內傳送21bit，包括3×6bit的RGB顏色信號和控制信號。經測試驗證，6bit顏色信號滿足機載設備的顯示需求。通過6×6視頻開關矩陣建立了航電系統的顯示網絡，實現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容時，只需在相應的地址空間寫入視頻編號即可。本系統6×6視頻網絡中，一路輸入連接數字地圖，其它五路輸入連接外部機載視頻，六路輸出與前后艙多功能顯示器交聯，根據各個顯示器設置隨意切換顯示畫面。

4軟件設計

該計算機軟件包括三部分：CPU模塊駐留的主處理軟件、DMP模塊駐留的數字地圖軟件、其它模塊駐留的傳輸軟件。軟件架構如圖4所示。主處理軟件包括系統軟件、驅動軟件、飛行控制軟件，系統軟件是CPU模塊的基本執行軟件，為應用程序訪問模塊的資源提供服務，完成運行環境的初始化。驅動軟件是實現應用軟件（飛行控制軟件）對其它功能模塊進行控制與數據傳遞的專用軟件，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，負責控制和管理整個航電系統完成其任務，自頂向下可分為調度層、應用層和服務層。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）板內資源初始化，包括DSP處理器、各種接口協議芯片等；（b）對板內DSP、雙口RAM、協議芯片等進行自測試，并反饋自測試結果；（c）查詢并取主機命令字，并轉相應子程序，處理接受或發送的消息；對定義并使能的中斷進行處理，轉入相應的中斷服務程序。數字地圖軟件包括系統軟件和地圖控制軟件，系統軟件為DMP模塊的基本執行軟件，為應用程序訪問模塊的資源提供服務，完成運行環境的初始化和各個單元的配置。地圖控制軟件負責系統的數字地圖顯示與控制，主要功能包括地圖導航、進近著陸、地圖漫游等功能。

5設計實現

經過軟硬件調試及航電系統聯試驗證，滿足航電系統需求，提供了高性能、高可靠的可視化人機交互。計算機中，處理模塊嵌入VxWorks5.5操作系統和應用驅動，實現實時數據處理；接口模塊嵌入傳輸軟件和控制邏輯，實現穩定的總線通信；視頻模塊嵌入視頻處理邏輯，實現視頻切換。針對小型飛機航電處理計算機的設計需求，本文設計了局部綜合化、標準化航電處理計算機，實現了整個航電系統網絡的互聯，可適用于直升機、教練機等小型飛機航電系統，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：

[1]姜琳琳,趙博龍.飛行顯示器數據處理單元設計與實現[J].電子技術應用,2014,40(9):30-33.

[2]王國慶,谷青范,王淼等.新一代綜合化航空電子系統構架技術研究[J].航空學報,2014,35(6):1473-1486.

[3]萬勇利,魏凱,等.基于FPGA的從設備VME總線接口設計[J].自動化技術與應用,2016,35(1):111-114.

[4]邢達波,丁騰歡,鄭可旺.機載視頻采集技術研究[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：中航工業西安航空計算技術研究所