飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

姜琳琳，趙博龍

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119）

小型通用飛機(jī)一般是指最大起飛重量小于5 700公斤的飛機(jī)，在國(guó)外被廣泛用于私人飛行、商業(yè)運(yùn)輸、空中游覽、航空攝影、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面。飛行顯示器是小型通用飛機(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。在飛行狀態(tài)中，飛行顯示器必須保證飛行員能在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取所需要的信息，以進(jìn)行及時(shí)、安全的操縱[1]。隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，飛行顯示器需要以更靈活的方式向飛行員提供適合、及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并為飛行員的安全提供必要的提示。

1 設(shè)計(jì)需求

1.1 數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、功耗低

在飛行過(guò)程中，飛行顯示器需要向飛行員顯示飛行、駕駛、導(dǎo)航、動(dòng)力裝置等系統(tǒng)工作狀態(tài)；同時(shí)根據(jù)不同飛行任務(wù)的特點(diǎn)，還需要實(shí)現(xiàn)三維地圖、視景增強(qiáng)等顯示功能，這就要求飛行顯示器具有非常強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，小型通用飛機(jī)由于機(jī)身尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和成本等諸多因素的限制，駕駛座艙一般沒(méi)有空調(diào)系統(tǒng)，所以飛行顯示器還應(yīng)具有功耗低、發(fā)熱量小的特點(diǎn)。

1.2 機(jī)載設(shè)備接口豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)

小型通用飛機(jī)一般選擇低成本航電系統(tǒng)，各種機(jī)載設(shè)備(如音頻控制器、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、S模式應(yīng)答機(jī)，甚高頻電臺(tái)、氣象雷達(dá)等)分別通過(guò) RS422、RS485、ARINC429/702、ARINC708/453等接口直接與飛行顯示器交聯(lián)，所以飛行顯示器應(yīng)具有豐富的機(jī)載設(shè)備接口。同時(shí)，為適應(yīng)不同航電系統(tǒng)架構(gòu)的需求，飛行顯示器還需要具備一定的擴(kuò)展性，滿(mǎn)足不同用戶(hù)可定制的需求。

1.3 體積小、重量輕

小型通用飛機(jī)座艙尺寸較小，機(jī)載設(shè)備安裝空間有限。機(jī)身尺寸和重量的增加就需要增大發(fā)動(dòng)機(jī)率，同時(shí)直接導(dǎo)致飛機(jī)油耗的上升。飛行顯示器在滿(mǎn)足既定功能的前提下，體積應(yīng)盡量小，重量應(yīng)盡量輕，10.4英寸LCD顯示器是目前國(guó)外小型通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的主流配置。

1.4 通用化、系列化、低成本

隨著機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)放式航電系統(tǒng)架構(gòu)在小型通用飛機(jī)中得以廣泛應(yīng)用。開(kāi)放式的航電系統(tǒng)構(gòu)型靈活，易于升級(jí)，安全性、可靠性更高，維護(hù)性更好，同時(shí)有更多的商用貨架產(chǎn)品可選擇。飛行顯示器應(yīng)采用統(tǒng)一的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)技術(shù)，滿(mǎn)足統(tǒng)一開(kāi)放的航電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，形成通用化、系列化的貨架產(chǎn)品，降低設(shè)計(jì)制造和后期維護(hù)的成本。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型通用飛機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)中，飛行顯示器與多個(gè)機(jī)載設(shè)備交聯(lián)，是航電系統(tǒng)的核心部件。飛行顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照功能定義，供電單元負(fù)責(zé)為飛行顯示器提供二次電源；數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)飛行顯示器的任務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理和圖像顯示功能，實(shí)時(shí)采集交聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，將數(shù)據(jù)送到顯示處理單元進(jìn)行2D/3D硬件加速處理，然后按照系統(tǒng)規(guī)范在LCD顯示組件中進(jìn)行顯示。圖1為小型通用飛機(jī)飛行顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 飛行顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元采用雙處理器結(jié)構(gòu)，主處理器采用高性能嵌入式PowerPC處理器，完成數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理和圖像顯示功能；智能IO處理器采用高性能DSP處理器，完成與機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)通信功能。雙處理器之間通過(guò)大容量 DPRAM（雙口存儲(chǔ)器），以共享內(nèi)存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2]。圖2為數(shù)據(jù)處理單元硬件結(jié)構(gòu)框圖。

3.1 主處理器設(shè)計(jì)

高性能、低功耗的嵌入式處理器的選用能有效提高飛行顯示器的能耗比。飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元主處理器采用MPC8270。MPC8270是Freescale公司PowerQUICCⅡ系列的一款高性能超標(biāo)量嵌入式處理器，主要由G2_LE內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元(SIU)和通信處理模塊(CPM)組成[3]。

主處理器設(shè)計(jì)中，MPC8270時(shí)鐘配置采用PCI host模式，CPU/CPM/BUS頻率分別配置為 400 MHz、200 MHz和100 MHz，該配置下MPC8270典型功耗僅為2.1 W。在MPC8270的60X總線(xiàn)上配置了多種存儲(chǔ)器，其中NVSRAM用于飛行顯示器故障數(shù)據(jù)的記錄。

圖2 數(shù)據(jù)處理單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 智能IO設(shè)計(jì)

飛行顯示器與多個(gè)機(jī)載設(shè)備交聯(lián)，如果由主處理器直接管理外部接口，頻繁地響應(yīng)外部接口事務(wù)，會(huì)導(dǎo)致主處理器運(yùn)行效率低下，所以數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)了一個(gè)智能IO處理器專(zhuān)門(mén)用于處理交聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)。飛行顯示器智能IO處理器采用TMS320F2812。TMS320F2812是TI公司的32位高性能、低功耗DSP處理器，采用先進(jìn)的哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，處理能力達(dá)150 MIPS[4]。

智能IO設(shè)計(jì)中，TMS320F2812主頻配置為120 MHz，XINTF總線(xiàn)頻率配置為30 MHz，采用處理器內(nèi)部集成的存儲(chǔ)器作為接口處理軟件的存儲(chǔ)空間和運(yùn)行空間。智能IO處理器負(fù)責(zé)完成所有外部接口的數(shù)據(jù)通信，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，將處理后的數(shù)據(jù)寫(xiě)到DPRAM中。主處理器根據(jù)飛行顯示任務(wù)的需要，隨時(shí)通過(guò)DPRAM對(duì)外部接口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，這樣就顯著提高了主處理器的運(yùn)行效率。

3.3 存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)

飛行顯示器配置了大容量的IDE電子盤(pán)和SD卡。IDE電子盤(pán)和SD卡均通過(guò)主處理器的PCI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI總線(xiàn)到IDE接口和SD卡接口的橋接功能。兩種存儲(chǔ)設(shè)備均配置FAT32文件系統(tǒng)和支持?jǐn)?shù)據(jù)加卸載。IDE電子盤(pán)的讀訪(fǎng)問(wèn)采用PIO或DMA方式，寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)采用PIO方式，IDE電子盤(pán)用于存放數(shù)字地圖數(shù)據(jù)。SD卡作為移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)均采用DMA方式，用于在飛行任務(wù)結(jié)束后下載飛行顯示器記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.4 外部接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元提供豐富的外部接口，用于與外部機(jī)載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理單元外部接口設(shè)計(jì)包括以下4部分：

(1)PCI總線(xiàn)接口：數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)PCI總線(xiàn)與顯示處理單元通信，顯示處理單元采用高性能GPU處理器，完成顯示圖像的2D/3D加速處理；

(2)串行通信接口：數(shù)據(jù)處理單元提供 6路RS422接口與14路ARINC429接口，用于飛行顯示器與各機(jī)載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中1路RS422接口用于數(shù)據(jù)處理單元與LCD顯示組件的周邊按鍵通信；

(3)離散量接口：數(shù)據(jù)處理單元提供 12路輸入/輸出離散量接口，信號(hào)特性可配置，用于與機(jī)載設(shè)備進(jìn)行離散量通信；

(4)A/D轉(zhuǎn)換接口：數(shù)據(jù)處理單元提供4路A/D轉(zhuǎn)換接口，用于在數(shù)字地圖導(dǎo)航任務(wù)中實(shí)現(xiàn)X、Y方向坐標(biāo)定位等類(lèi)似功能。

3.5 可編程邏輯設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換、總線(xiàn)橋接和接口控制功能，要求選用的FPGA器件邏輯規(guī)模足夠大，引腳數(shù)量足夠多。同時(shí)，考慮到飛行顯示器的設(shè)計(jì)需求，F(xiàn)PGA要選用低功耗、低成本器件，并且在邏輯單元數(shù)量上應(yīng)留有一定的余量，以備后期進(jìn)行功能升級(jí)。XC6SLX100是 Xilinx公司 Spartan-6 LX系列的 FPGA，該系列FPGA采用可靠的低功耗45 nm 9層金屬布線(xiàn)雙層氧化工藝技術(shù)生產(chǎn)，比前一代Spartan系列功耗降低多達(dá)65%，主要針對(duì)需要低功耗、低成本的產(chǎn)品應(yīng)用[5]。

數(shù)據(jù)處理單元FPGA設(shè)計(jì)采用1片XC6SLX100芯片，主要實(shí)現(xiàn)以下6部分功能：

(1)時(shí)鐘倍頻功能：將外部晶振輸入的25 MHz時(shí)鐘4倍頻到100 MHz，提供給主處理器和SDRAM使用；

(2)主處理器配置功能：實(shí)現(xiàn)主處理器的上電復(fù)位配置、看門(mén)狗控制、中斷配置、內(nèi)部狀態(tài)寄存器等功能；

(3)60X總線(xiàn)地址譯碼功能：實(shí)現(xiàn)主處理器的60X總線(xiàn)譯碼以及Flash、NVSRAM的訪(fǎng)問(wèn)控制等功能；

(4)總線(xiàn)橋接功能：實(shí)現(xiàn)PCI總線(xiàn)到DPRAM接口、PCI總線(xiàn)到IDE接口和PCI總線(xiàn)到SD卡接口的總線(xiàn)橋接功能；

(5)XINTF總線(xiàn)地址譯碼功能：實(shí)現(xiàn)智能IO處理器的XINTF總線(xiàn)地址譯碼以及串行通信接口、離散量接口和A/D轉(zhuǎn)換接口的訪(fǎng)問(wèn)控制功能；

(6)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：實(shí)現(xiàn)RS422接口、ARINC429接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

圖3為數(shù)據(jù)處理單元可編程邏輯設(shè)計(jì)框圖。

4 軟件設(shè)計(jì)

飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元軟件架構(gòu)包括三部分：地面支持軟件、主處理器上運(yùn)行的系統(tǒng)顯示控制軟件和智能IO處理器上運(yùn)行的外部接口處理軟件。圖4為數(shù)據(jù)處理單元軟件架構(gòu)。

圖3 數(shù)據(jù)處理單元可編程邏輯設(shè)計(jì)框圖

圖4 數(shù)據(jù)處理單元軟件架構(gòu)

4.1 地面支持軟件

地面支持軟件包括在線(xiàn)編程工具、Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。這些軟件均安裝在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)備中，完成軟件的編輯、編譯、連接、加載、調(diào)試和固化等工作，并通過(guò)集成的調(diào)試工具對(duì)數(shù)據(jù)處理單元的軟硬件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

4.2 顯示控制軟件

顯示控制軟件包括主處理器板級(jí)支持軟件、應(yīng)用支持軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用支持軟件是位于板級(jí)支持軟件與應(yīng)用軟件之間的中間層軟件，主要為應(yīng)用程序提供多種開(kāi)發(fā)支持，如顯示控制（字體庫(kù)、OpenGL圖形庫(kù)等）、地圖導(dǎo)航、軟件升級(jí)、數(shù)據(jù)加卸載等；應(yīng)用軟件根據(jù)系統(tǒng)功能需求，負(fù)責(zé)完成飛行狀態(tài)、參數(shù)的綜合處理、顯示與控制、顯示器周邊按鍵處理、網(wǎng)絡(luò)通信、周期性自檢、故障告警與異常處理功能以及數(shù)據(jù)加卸載、系統(tǒng)維護(hù)等輔助功能[6]。

4.3 接口處理軟件

接口處理軟件包括智能IO處理器板級(jí)支持軟件和通信處理軟件。通信處理軟件完成RS422、ARINC429、離散量和A/D轉(zhuǎn)換接口的數(shù)據(jù)通信，并根據(jù)ICD（接口控制文件）文件的要求，完成對(duì)從各個(gè)機(jī)載設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)包的解析處理和控制命令的發(fā)送工作。

4.4 板級(jí)支持軟件

數(shù)據(jù)處理單元軟件設(shè)計(jì)中，板級(jí)支持軟件是介于底層硬件與上層軟件之間的底層軟件開(kāi)發(fā)包，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的軟件接口[7]。

主處理器板級(jí)支持軟件主要包括處理器硬件初始化、操作系統(tǒng)引導(dǎo)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、必要的硬件BIT測(cè)試及提供相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，對(duì)VxWorks 5.5內(nèi)核進(jìn)行功能剪裁，實(shí)現(xiàn)的功能包括：快速實(shí)時(shí)響應(yīng)、多任務(wù)調(diào)度、支持高速緩存、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器管理、提供同步信號(hào)量和互斥信號(hào)量、消息隊(duì)列管理、系統(tǒng)時(shí)鐘和輔助時(shí)鐘支持、用戶(hù)API接口、C/C++運(yùn)行環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)功能組件等。

智能IO處理器板級(jí)支持軟件主要包括接口處理軟件的自引導(dǎo)、處理器硬件初始化、必要的硬件BIT測(cè)試及提供外部接口的驅(qū)動(dòng)軟件。外部接口驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，在XINTF總線(xiàn)的大容量DPRAM空間按照功能劃分為若干區(qū)域，分別作為主處理器命令區(qū)、智能IO狀態(tài)區(qū)、外部接口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、BIT測(cè)試結(jié)果保存區(qū)等。系統(tǒng)上電后，主處理器通過(guò)DPRAM發(fā)送相應(yīng)命令，通知智能IO處理器完成外部接口的初始化、硬件BIT測(cè)試，啟動(dòng)外部接口通信處理軟件，同時(shí)通過(guò)狀態(tài)區(qū)監(jiān)測(cè)智能IO的運(yùn)行狀態(tài)。

5 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理單元在VxWorks 5.5操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了OpenGL圖像庫(kù)的移植，通過(guò)典型的主飛行顯示界面的實(shí)現(xiàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理單元的功能。圖5為典型的主飛行顯示界面。

主飛行顯示界面的上半部分為速度指示、高度指示和姿態(tài)指示；下半部分為羅盤(pán)指示。根據(jù)飛行員對(duì)顯示器周邊按鍵的操作或系統(tǒng)認(rèn)定的重要度，主飛行顯示界面還可以顯示升降速度、儀表著陸引導(dǎo)、電臺(tái)頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、GPS導(dǎo)航、故障告警、機(jī)身狀態(tài)、數(shù)字地圖導(dǎo)航等信息。

針對(duì)小型通用飛機(jī)飛行顯示器的設(shè)計(jì)需求，本文創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元的軟硬件架構(gòu)。數(shù)據(jù)處理單元基于雙處理器架構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，選用高性能、低功耗處理器和大規(guī)模FPGA，提供多路機(jī)載設(shè)備接口，降低了研發(fā)和維護(hù)成本，同時(shí)為以后功能升級(jí)提供了良好的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元在通用航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 典型的主飛行顯示界面

[1]陳東林.航空概論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

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[3]Freescale Semiconductor Inc.MPC8280 PowerQUICCⅡfamily reference manual[EB/OL].(2007)[2014].http：//www.freescale.com.

[4]Texas Instruments Inc.TMS320F2812 digital signal processors data manual[EB/OL].(2005)[2014].http：//www.ti.com.

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[6]劉碩，林榮超.綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(15)：160-162.

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