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飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元設計與實現(xiàn)
2014年電子技術應用第9期
姜琳琳，趙博龍
中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安710119
摘要： 為了滿足小型通用飛機對飛行顯示器性能、功耗、體積、成本等多方面的要求，實現(xiàn)了一種基于雙處理器的飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元。首先介紹了小型通用飛機對飛行顯示器的設計需求，其次詳細描述了飛行顯示器的系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)處理單元的軟硬件實現(xiàn)，最后通過典型主飛行顯示界面的實現(xiàn)，驗證了數(shù)據(jù)處理單元的功能。驗證結果表明，該數(shù)據(jù)處理單元具有處理能力強、集成度高、功耗低和擴展性強的特點，具有廣泛的應用前景。
中圖分類號： TP368.1
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0030-04
Design and realization of data processing unit of flight display
Jiang Linlin，Zhao Bolong
Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xi′an 710119，China
Abstract： In order to fulfill the requirements of flight display′s performance, power dissipation, volume, cost etc in the small general aircraft, a data processing unit of flight display based on double processors is realized. First, the paper introduces the design requirements of flight display in the small general aircraft. Then it describes the system architecture of flight display and the realization of software and hardware in data processing unit in detail. At last, the function of data processing unit is validated through the realization of typical primary flight display interface. The experiment indicates that the data processing unit has the characteristics of high data processing capability, high integration, low power dissipation and high extending capability, which has broad application prospects.
Key words : small general aircraft；flight display；data processing unit；design of software and hardware；primary flight display interface

   小型通用飛機一般是指最大起飛重量小于5 700公斤的飛機，在國外被廣泛用于私人飛行、商業(yè)運輸、空中游覽、航空攝影、搶險救災等方面。飛行顯示器是小型通用飛機航電系統(tǒng)的核心部件，是飛行員與飛機最重要的人機接口。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間內(nèi)準確地獲取所需要的信息，以進行及時、安全的操縱[1]。隨著航空電子技術的發(fā)展，飛行顯示器需要以更靈活的方式向飛行員提供適合、及時和準確的數(shù)據(jù)，并為飛行員的安全提供必要的提示。

1 設計需求

1.1 數(shù)據(jù)處理能力強、功耗低

    在飛行過程中，飛行顯示器需要向飛行員顯示飛行、駕駛、導航、動力裝置等系統(tǒng)工作狀態(tài)；同時根據(jù)不同飛行任務的特點，還需要實現(xiàn)三維地圖、視景增強等顯示功能，這就要求飛行顯示器具有非常強的數(shù)據(jù)處理能力。同時，小型通用飛機由于機身尺寸、發(fā)動機功率和成本等諸多因素的限制，駕駛座艙一般沒有空調(diào)系統(tǒng)，所以飛行顯示器還應具有功耗低、發(fā)熱量小的特點。

1.2 機載設備接口豐富、擴展性強

    小型通用飛機一般選擇低成本航電系統(tǒng)，各種機載設備(如音頻控制器、大氣數(shù)據(jù)計算機、S模式應答機，甚高頻電臺、氣象雷達等)分別通過RS422、RS485、ARINC429/702、ARINC708/453等接口直接與飛行顯示器交聯(lián)，所以飛行顯示器應具有豐富的機載設備接口。同時，為適應不同航電系統(tǒng)架構的需求，飛行顯示器還需要具備一定的擴展性，滿足不同用戶可定制的需求。

1.3 體積小、重量輕

    小型通用飛機座艙尺寸較小，機載設備安裝空間有限。機身尺寸和重量的增加就需要增大發(fā)動機率，同時直接導致飛機油耗的上升。飛行顯示器在滿足既定功能的前提下，體積應盡量小，重量應盡量輕，10.4英寸LCD顯示器是目前國外小型通用飛機航電系統(tǒng)的主流配置。

1.4 通用化、系列化、低成本

    隨著機載計算機技術的不斷發(fā)展，開放式航電系統(tǒng)架構在小型通用飛機中得以廣泛應用。開放式的航電系統(tǒng)構型靈活，易于升級，安全性、可靠性更高，維護性更好，同時有更多的商用貨架產(chǎn)品可選擇。飛行顯示器應采用統(tǒng)一的模塊化、標準化設計技術，滿足統(tǒng)一開放的航電系統(tǒng)標準，形成通用化、系列化的貨架產(chǎn)品，降低設計制造和后期維護的成本。

2 系統(tǒng)結構

    小型通用飛機航電系統(tǒng)架構中，飛行顯示器與多個機載設備交聯(lián)，是航電系統(tǒng)的核心部件。飛行顯示器系統(tǒng)結構按照功能定義，供電單元負責為飛行顯示器提供二次電源；數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)飛行顯示器的任務管理、數(shù)據(jù)處理和圖像顯示功能，實時采集交聯(lián)設備數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合后，將數(shù)據(jù)送到顯示處理單元進行2D/3D硬件加速處理，然后按照系統(tǒng)規(guī)范在LCD顯示組件中進行顯示。圖1為小型通用飛機飛行顯示器系統(tǒng)結構。

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3 硬件設計

    數(shù)據(jù)處理單元采用雙處理器結構，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，完成與機載設備的數(shù)據(jù)通信功能。雙處理器之間通過大容量DPRAM（雙口存儲器），以共享內(nèi)存的方式進行數(shù)據(jù)交換[2]。圖2為數(shù)據(jù)處理單元硬件結構框圖。

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3.1 主處理器設計

    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]。

    主處理器設計中，MPC8270時鐘配置采用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總線上配置了多種存儲器，其中NVSRAM用于飛行顯示器故障數(shù)據(jù)的記錄。

3.2 智能IO設計

    飛行顯示器與多個機載設備交聯(lián)，如果由主處理器直接管理外部接口，頻繁地響應外部接口事務，會導致主處理器運行效率低下，所以數(shù)據(jù)處理單元設計了一個智能IO處理器專門用于處理交聯(lián)設備數(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，采用先進的哈佛總線結構，處理能力達150 MIPS[4]。

    智能IO設計中，TMS320F2812主頻配置為120 MHz，XINTF總線頻率配置為30 MHz，采用處理器內(nèi)部集成的存儲器作為接口處理軟件的存儲空間和運行空間。智能IO處理器負責完成所有外部接口的數(shù)據(jù)通信，對接收到的數(shù)據(jù)進行解析處理，將處理后的數(shù)據(jù)寫到DPRAM中。主處理器根據(jù)飛行顯示任務的需要，隨時通過DPRAM對外部接口進行訪問，這樣就顯著提高了主處理器的運行效率。

3.3 存儲設備設計

    飛行顯示器配置了大容量的IDE電子盤和SD卡。IDE電子盤和SD卡均通過主處理器的PCI總線訪問，在FPGA中實現(xiàn)PCI總線到IDE接口和SD卡接口的橋接功能。兩種存儲設備均配置FAT32文件系統(tǒng)和支持數(shù)據(jù)加卸載。IDE電子盤的讀訪問采用PIO或DMA方式，寫訪問采用PIO方式，IDE電子盤用于存放數(shù)字地圖數(shù)據(jù)。SD卡作為移動存儲設備，讀寫訪問均采用DMA方式，用于在飛行任務結束后下載飛行顯示器記錄的發(fā)動機參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.4 外部接口設計

    數(shù)據(jù)處理單元提供豐富的外部接口，用于與外部機載設備進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理單元外部接口設計包括以下4部分：

    (1)PCI總線接口：數(shù)據(jù)處理單元通過PCI總線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載設備進行數(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，信號特性可配置，用于與機載設備進行離散量通信；

    (4)A/D轉換接口：數(shù)據(jù)處理單元提供4路A/D轉換接口，用于在數(shù)字地圖導航任務中實現(xiàn)X、Y方向坐標定位等類似功能。

3.5 可編程邏輯設計

    數(shù)據(jù)處理單元需要在FPGA中實現(xiàn)大量的協(xié)議轉換、總線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，考慮到飛行顯示器的設計需求，F(xiàn)PGA要選用低功耗、低成本器件，并且在邏輯單元數(shù)量上應留有一定的余量，以備后期進行功能升級。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層金屬布線雙層氧化工藝技術生產(chǎn)，比前一代Spartan系列功耗降低多達65%，主要針對需要低功耗、低成本的產(chǎn)品應用[5]。

    數(shù)據(jù)處理單元FPGA設計采用1片XC6SLX100芯片，主要實現(xiàn)以下6部分功能：

    (1)時鐘倍頻功能：將外部晶振輸入的25 MHz時鐘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：實現(xiàn)主處理器的上電復位配置、看門狗控制、中斷配置、內(nèi)部狀態(tài)寄存器等功能；

    (3)60X總線地址譯碼功能：實現(xiàn)主處理器的60X總線譯碼以及Flash、NVSRAM的訪問控制等功能；

    (4)總線橋接功能：實現(xiàn)PCI總線到DPRAM接口、PCI總線到IDE接口和PCI總線到SD卡接口的總線橋接功能；

    (5)XINTF總線地址譯碼功能：實現(xiàn)智能IO處理器的XINTF總線地址譯碼以及串行通信接口、離散量接口和A/D轉換接口的訪問控制功能；

    (6)協(xié)議轉換功能：實現(xiàn)RS422接口、ARINC429接口的協(xié)議轉換功能。

    圖3為數(shù)據(jù)處理單元可編程邏輯設計框圖。

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4 軟件設計

    飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元軟件架構包括三部分：地面支持軟件、主處理器上運行的系統(tǒng)顯示控制軟件和智能IO處理器上運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。

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4.1 地面支持軟件

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

4.2 顯示控制軟件

    顯示控制軟件包括主處理器板級支持軟件、應用支持軟件和應用軟件。應用支持軟件是位于板級支持軟件與應用軟件之間的中間層軟件，主要為應用程序提供多種開發(fā)支持，如顯示控制（字體庫、OpenGL圖形庫等）、地圖導航、軟件升級、數(shù)據(jù)加卸載等；應用軟件根據(jù)系統(tǒng)功能需求，負責完成飛行狀態(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，完成對從各個機載設備接收到的數(shù)據(jù)包的解析處理和控制命令的發(fā)送工作。

4.4 板級支持軟件

    數(shù)據(jù)處理單元軟件設計中，板級支持軟件是介于底層硬件與上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，為上層應用提供統(tǒng)一的軟件接口[7]。

    主處理器板級支持軟件主要包括處理器硬件初始化、操作系統(tǒng)引導、實時操作系統(tǒng)、必要的硬件BIT測試及提供相應設備的驅(qū)動軟件。操作系統(tǒng)設計開發(fā)中，對VxWorks 5.5內(nèi)核進行功能剪裁，實現(xiàn)的功能包括：快速實時響應、多任務調(diào)度、支持高速緩存、動態(tài)存儲器管理、提供同步信號量和互斥信號量、消息隊列管理、系統(tǒng)時鐘和輔助時鐘支持、用戶API接口、C/C++運行環(huán)境、網(wǎng)絡功能組件等。

    智能IO處理器板級支持軟件主要包括接口處理軟件的自引導、處理器硬件初始化、必要的硬件BIT測試及提供外部接口的驅(qū)動軟件。外部接口驅(qū)動軟件的設計開發(fā)中，在XINTF總線的大容量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測試結果保存區(qū)等。系統(tǒng)上電后，主處理器通過DPRAM發(fā)送相應命令，通知智能IO處理器完成外部接口的初始化、硬件BIT測試，啟動外部接口通信處理軟件，同時通過狀態(tài)區(qū)監(jiān)測智能IO的運行狀態(tài)。

5 設計實現(xiàn)

    數(shù)據(jù)處理單元在VxWorks 5.5操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了OpenGL圖像庫的移植，通過典型的主飛行顯示界面的實現(xiàn)來驗證數(shù)據(jù)處理單元的功能。圖5為典型的主飛行顯示界面。

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    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；下半部分為羅盤指示。根據(jù)飛行員對顯示器周邊按鍵的操作或系統(tǒng)認定的重要度，主飛行顯示界面還可以顯示升降速度、儀表著陸引導、電臺頻率、發(fā)動機參數(shù)、GPS導航、故障告警、機身狀態(tài)、數(shù)字地圖導航等信息。

    針對小型通用飛機飛行顯示器的設計需求，本文創(chuàng)新地設計了飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元的軟硬件架構。數(shù)據(jù)處理單元基于雙處理器架構，采用模塊化的設計思想，選用高性能、低功耗處理器和大規(guī)模FPGA，提供多路機載設備接口，降低了研發(fā)和維護成本，同時為以后功能升級提供了良好的基礎。實現(xiàn)結果表明，該飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元在通用航空領域具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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