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谈小型飞机航电处理计算机设计实现

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摘要:为了满足小型飞机对航电处理计算机成本控制、功能性能、物理特征等多方面要求,设计了一种小型化且局部综合化的航电处理计算机。首先介绍了航电处理计算机设计需求,然后分析了系统架构,重点介绍了软硬件架构、三种总线设计,最后给出了航电处理计算机的系统实现。

关键词:小型飞机;航电处理计算机;总线;架构

引言

小型飞机具有成本低、体积小、耗油少等优点,在国内外被广泛应用与运输、抢险救灾、训练飞行员等方面[1]。航电处理计算机是小型飞机航电系统的核心部件,是飞行员与飞机最重要的人机接口,随着航空电子技术的发展,航电处理计算机设计应考虑处理速率高、总线接口丰富、物理特性限制等需求[2]。本文针对小型飞机成本控制、空间限制以及对航电处理方面的要求,设计了一种小型化且局部综合化的航电处理计算机。

1系统架构

航电处理计算机是航空电子系统显示控制系统的核心部件,负责整个航电系统的控制和管理。本计算机通过1553B总线建立总线网络,包括任务总线和显示总线,其中任务总线完成机电、惯导等系统任务的管理和实时调度;显示总线负责前后舱多功能显示器的管理与控制。其它外部总线(ARIN-C429、RS422总线、LVDS视频线等)用于接受和发送电台、高度表、罗盘、雷达等设备数据和视频。本计算机实现了整个航电系统的集成化和局部网络化,建立了航电系统的顶层控制管理和通信。

2功能模块设计

按系统功能需求及标准模块化结构设计方法,航电处理计算机硬件系统由VME总线板(母板)、7个物理功能模块组成,功能化模块设计有效地提高了故障的隔离率,其中每个模块的功能如下:(1)母板实现8个功能模块的物理互联和数据通信;(2)电源模块负责给每个功能模块提供5V供电;(3)主处理模块(CPU)负责控制和处理其他模块命令和数据;(4)串行输入输出模块(SIO)负责ARINC429和RS422数据的采集和发送;(5)总线管理模块(MBI)实现1553B总线设备的互联通信;(6)输入输出控制模块(IOC)负责模拟视频、离散量和模拟量的采集和发送;(7)视频开关模块(VSM)实现6×6LVDS数字视频输入和输出;(8)数字地图模块(DMP)实现数字地图的显示与控制。本系统各模块进行统一设计,各种功能模块结构设计、架构设计及电路设计等均统一标准化,以提高模块的维修性和适应性。除电源模块外,其他模块都采用通用处理电路和专用功能电路的统一化硬件架构。按照功能性能不同,本计算机系统模块可分为以下三类:(1)处理模块:如图1所示,通用处理电路采用PowerPC+桥接器架构,CPU模块和DMP模块都采用该结构。处理模块对实时性处理和中断响应要求较高,PowerPC作为处理核心,集成VxWorks嵌入式系统,实现快速实时响应、多任务调度等功能;桥接器连接存储器、VME控制器等外设,对底层中断和数据进行缓存和辅助管理处理。(2)接口模块:如图2所示,通用处理电路采用DSP+FPGA架构。MBI模块、SIO模块和IOC模块都采用这种硬件架构。FPGA适合时序处理,集成了多种外围接口,负责控制复位片选信号、RAM以及VME从接口等逻辑;DSP数据运算能力强,作为处理核心。该结构同时兼有两种处理器的优越性,具有很好的灵活性和实用性。(3)视频模块:如图3所示,通用处理电路采用单FPGA架构,负责外部输入视频信号的选择和切换功能,实现视频矩阵开关,算法简单,适合逻辑运算处理。

3总线设计

3.1系统总线

本计算机内部采用VME总线,完成各模块之间的互连通信,实现了局部综合化,VME总线采用地址/数据信号非复用方式、异步握手传输。CPU模块上嵌入VME主设备,其它模块上嵌入VME从设备,主设备发起每次DTB命令的执行,从设备根据主设备要求,查询地址是否为本设备所属,并配合完成数据传输[3]。其中处理模块采用PCI-VME总线桥芯片配置为VME接口,接口模块和视频模块采用VHDL语言编写逻辑实现VME接口。CPU主模块和从模块之间通过双口RAM进行数据传输,双口RAM按地址划分为两部分:命令区和数据区。CPU主模块周期性完成写命令、写数据、读数据,从模块定时地完成读命令、写数据、读数据。采用VME总线和双口RAM,实现主设备和从设备的异步通信,实现了航电计算机的局部综合化,有效地提高了数据共享和处理速率。

3.2外部总线

综合考虑成本、传输速率和可靠性要求,本计算机采用双1553B总线结构,分别连接航电系统的显示控制总线和任务控制总线。1553B总线为指令响应型,采用A、B通道互为备份,有效地提高了总线的容错能力。节点类型由总线控制器BC、远程终端RT、总线监控器MT构成,其中总线控制器是唯一发布总线指令的设备,负责引导总线上的数据流,完成各种总线消息。航电处理计算机作为整个航电总线上的总线控制器,建立两大局域网络:显示局域网和任务局域网,对数据进行转发和处理,实现了整个航电系统的数据共享。任务控制总线互联机电、惯导、大气机等任务型航电设备,发送相应指令,实现任务型航电总线网络的有效运行。显示控制总线互联前后舱多功能显示器,向多功能显示设备发送飞行相关数据,实现信息可视化。

3.3视频总线

本系统采用LVDS视频接口实现整个显示系统的互联,LVDS固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干扰性,可实现长距离、高带宽的视频传输[4]。LVDS视频采用4个通道(1个时钟信号、3个数据信号)传输数据,一个时钟周期内传送21bit,包括3×6bit的RGB颜色信号和控制信号。经测试验证,6bit颜色信号满足机载设备的显示需求。通过6×6视频开关矩阵建立了航电系统的显示网络,实现了显示输入输出的路由控制。每个输出通道处加入6×1多路选择器,允许任一路视频源可在任意输出显示通道上显示。其中六路输入视频进行编号处理,六路输出通道各分配一个地址空间,切换每个多功能显示器的显示内容时,只需在相应的地址空间写入视频编号即可。本系统6×6视频网络中,一路输入连接数字地图,其它五路输入连接外部机载视频,六路输出与前后舱多功能显示器交联,根据各个显示器设置随意切换显示画面。

4软件设计

该计算机软件包括三部分:CPU模块驻留的主处理软件、DMP模块驻留的数字地图软件、其它模块驻留的传输软件。软件架构如图4所示。主处理软件包括系统软件、驱动软件、飞行控制软件,系统软件是CPU模块的基本执行软件,为应用程序访问模块的资源提供服务,完成运行环境的初始化。驱动软件是实现应用软件(飞行控制软件)对其它功能模块进行控制与数据传递的专用软件,完成CPU模块与其它功能模块的有效通信。飞行控制软件为主实时控制软件,负责控制和管理整个航电系统完成其任务,自顶向下可分为调度层、应用层和服务层。传输软件包括SIO模块、MBI模块、IOC模块驻留的控制软件,主要完成以下功能:(a)板内资源初始化,包括DSP处理器、各种接口协议芯片等;(b)对板内DSP、双口RAM、协议芯片等进行自测试,并反馈自测试结果;(c)查询并取主机命令字,并转相应子程序,处理接受或发送的消息;对定义并使能的中断进行处理,转入相应的中断服务程序。数字地图软件包括系统软件和地图控制软件,系统软件为DMP模块的基本执行软件,为应用程序访问模块的资源提供服务,完成运行环境的初始化和各个单元的配置。地图控制软件负责系统的数字地图显示与控制,主要功能包括地图导航、进近着陆、地图漫游等功能。

5设计实现

经过软硬件调试及航电系统联试验证,满足航电系统需求,提供了高性能、高可靠的可视化人机交互。计算机中,处理模块嵌入VxWorks5.5操作系统和应用驱动,实现实时数据处理;接口模块嵌入传输软件和控制逻辑,实现稳定的总线通信;视频模块嵌入视频处理逻辑,实现视频切换。针对小型飞机航电处理计算机的设计需求,本文设计了局部综合化、标准化航电处理计算机,实现了整个航电系统网络的互联,可适用于直升机、教练机等小型飞机航电系统,同时在满足航电处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。

参考文献:

[1]姜琳琳,赵博龙.飞行显示器数据处理单元设计与实现[J].电子技术应用,2014,40(9):30-33.

[2]王国庆,谷青范,王淼等.新一代综合化航空电子系统构架技术研究[J].航空学报,2014,35(6):1473-1486.

[3]万勇利,魏凯,等.基于FPGA的从设备VME总线接口设计[J].自动化技术与应用,2016,35(1):111-114.

[4]邢达波,丁腾欢,郑可旺.机载视频采集技术研究[J].中国科技信息,2017,9(10):39-40.

作者:张黎 姜琳琳 张彬 胡宝雷 单位:中航工业西安航空计算技术研究所

谈小型飞机航电处理计算机设计实现责任编辑:张雨    阅读:人次