0 引言

    飛機的試飛測試由試飛測試系統來完成，試飛測試系統包括了機載和地面兩大部分。機載測試系統通過采集器將傳感器采集到的試飛所需數據進行記錄，同時通過遙測發射/接收子系統，以無線電遙測的方式，從飛機上遙測傳輸到地面，進行數據的實時分析、處理和監控，以確保飛行試驗安全、提高試飛效率^[1-2]。

    目前，機載采集數據通常以PCM格式通過遙測網絡收發設備和發射天線來實現空地數據傳輸。根據測試數據的傳輸需求，需要研制一種機載測試數據中繼管理單元，來實現機載測試數據的格式轉換、幀處理及數據轉發，同時還可以實現對無線傳輸鏈路的管理及實時監控，以滿足試飛應用需求^[3]。系統應用結構框圖如圖1所示。

1 總體架構設計

    根據實際應用需求，機載測試數據中繼管理單元設計實現的外部接口包括：2路千兆自適應以太網端口，用于機載采集數據到遙測網絡數據交換；1路百兆以太網端口，用于管理機載無線網絡收發機；2路RS232，用于遙測網絡收發設備管理；4路RS422\TTL接收發送PCM數據。機載測試數據中繼管理單元接收數據類型是機載以太網數據包、PCM數據。同時，滿足機載環境下運行要求。

    總體設計基于Xilinx Virtex5-FX70T FPGA、嵌入式Linux MontaVista操作系統。對機載測試數據中繼管理單元的功能結構采用分層的結構進行設計，如圖2所示。

    (1)物理通信接口，主要實現嵌入式總線控制器的通信接口，包括RS232串口、存儲接口、通信網口。

    (2)CPU、一層簡單交換IP核、底層FPGA邏輯硬驅動IP核以及PCM數據接收、發送核IP核，主要實現對通信接口的FPGA邏輯直接控制，FPGA邏輯實現aNET采集數據的處理與轉發、數據通信接口、PCM數據接口。

    (3)OS BSP板級支持包和驅動程序，主要實現各種數據接口及CPU硬件的屏蔽，對操作系統、應用程序和上層應用實現統一的訪問接口，實現對設備的易訪問性。

    (4)嵌入式操作系統，主要提供一個有效的多任務的環境，實現對通信任務的實時高效調度與管理，進行有效的高精確度的時間管理，實現有效的內存管理，以高效的方式完成各種接口與應用程序之間的數據訪問。

    (5)Xps_ll_mac TCP/IP網絡協議棧，主要提供對標準TCP/IP協議的支持，以實現Xps_ll_mac核與標準網絡設備的通信，支持SNMP進行網絡管理。V5_tri_mac ARP、UDP網絡協議棧，實現V5_tri_mac 核ARP、UDP網絡協議，支持SNMP進行網絡管理^[4]。

    (6)應用程序，即根據用戶使用需求開發的上位機應用軟件，通過調用相應的協議處理過程程序，完成無線鏈路的管理。

2 硬件電路設計

    硬件電路主要由電源模塊、數據處理模塊組成，如圖3所示。電源模塊主要給機載測試數據中繼管理單元提供電源，數據處理模塊負責實現所有數據處理功能。

    電路設計的核心是數據處理模塊，其承擔機載測試數據中繼管理單元的所有數據處理功能。其主要由兩部分組成，第一部分為接口板，主要為變壓器、千兆以太網物理芯片以及電源芯片等構成的千兆以太網接收電路；第二部分為控制板，主要由FPGA、Flash、SDRAM、電源芯片等組成，負責實現機載測試數據中繼管理單元數據處理的所有功能^[5]。數據處理模塊原理框圖如圖4所示。

3 FPGA邏輯與片上系統設計

    FPGA是數據處理模塊的核心，在為外圍芯片提供控制器的同時，也為嵌入式操作系統和應用程序提供運行平臺^[6]，其片上系統設計如圖5所示。

    FPGA片上PoverPC440處理器(簡稱CPU)提供了PLB系統總線，各個邏輯模塊以IP核的方式作為從器件掛載在PLB系統總線上受FPGA片上內部CPU控制，構成片上系統。此外，FPGA片上CPU內部集成DMA控制器，其提供了4個高速DMA數據通道接口，稱為LocalLink接口。

    作為PLB從設備連接的IP核，包括：片上三速自適應以太網MAC核(XPS_LL_Temac)、片上BRAM(XPS_BRAM)、RRD2存儲控制器(PPC440_DDR2)、Flash控制器(XPS_Flash)、中斷控制器(XPS_INTS)、串口核(XPS_UART)、自主設計的PCM數據接收核(XPS_PCM_RE)、自主設計的PCM數據發送核(XPS_PCM_RE)。

    一個片上三速自適應以太網MAC核(XPS_LL_Temac)連接LocalLink接口，用作收發機管理接口。

    自主設計的簡單網絡幀交換邏輯IP核(Switch模塊)設計完成兩個V5專用三態MAC核(V5_tri_mode_eth_mac)之間、MAC核與CPU之間的以太網數據幀交換[7]，實現aNET機載數據接口與收發機數據/中央地面管理接口的數據交換，同時實現從收發機數據/中央地面管理接口轉發管理數據幀到處理器模塊。

    PCM數據處理模塊包括PCM數據接收核(XPS_PCM_RE)子模塊、PCM數據發送核(XPS_PCM_SEND)子模塊。兩個子模塊獨立工作，分別實現PCM轉網絡接收和網絡轉PCM發送的功能。

    PCM數據接收核(XPS_PCM_RE)，其功能是接收解碼PCM數據流。輸入接口：PCM碼流與時鐘信號。輸出接口：解碼的PCM數據流以子幀對齊的方式通過PLB總線提交給PPC處理器模塊。主要模塊包括：碼型判斷子模塊、碼同步子模塊、同步字比較子模塊、PCM接收FIFO、PLB寄存器。

    PCM數據發送核(XPS_PCM_RE)，其功能是生成PCM數據流。輸入接口：PPC處理器模塊生成的符合格式格柵要求的PCM數據、PLB設置寄存器。輸出接口：RS422變壓器/TLL變壓器，輸出PCM時鐘與碼流信號。主要模塊包括：PCM發送FIFO、PLB寄存器、碼型生成子模塊、頻率綜合子模塊。

4 嵌入式系統與軟件架構

    MontaVista嵌入式Linux提供了對機載測試數據中繼管理單元FPGA片上PoverPC440處理器的支持，提供了針對PowerPC架構優化的Linux操作系統內核和文件系統以及完整的交叉編譯開發工具鏈。針對機載測試數據中繼管理單元的設計需求，完成FPGA片上系統操作系統內核配置、裁剪與編譯。

    在系統軟件設計中，V5三態MAC核寄存器接口作為從設備掛到PLB內部總線，實現V5三態MAC核寄存器與PHY寄存器控制。當aNET接口設備網絡連接狀態改變后PHY連接狀態寄存器值改變觸發操作系統中斷，中斷響應程序通過V5三態MAC核寄存器驅動MAC_MDIO讀取PHY連接狀態寄存器值并重新設置MAC的連接速度與工作方式，實現10/100/1 000三態自適應功能。

    PCM數據接收、發送核IP核也作為從設備掛到PLB內部總線，作為PCM數據接口實現應用程序對PCM數據進行處理。

    簡單交換IP核（Switch模塊）驅動設計包含 Linux操作系統的LocalLink DMA外設操作。采用DMA 操作機制，允許外圍設備和主內存之間直接傳輸其IO數據, 而不需要系統處理器的參與，大大提高外設與設備通信的吞吐量, 省去CPU大量計算開銷。

    機載測試數據中繼管理單元應用軟件開發采用模塊化方式，完成對無線鏈路的管理^[8]。應用程序總體設計框圖如圖6所示，包括內部接口MIB樹、SNMP管理主代理模塊、MIB樹管理處理模塊、采集數據生成/交換模塊4個子模塊。 

5 結束語

    本文結合飛行試驗的應用需求，采用FPGA與嵌入式Linux結合的設計方案，實現了一種機載測試數據中繼管理單元的設計。FPGA可以實現底層硬件高速數據處理，并提供各種接口，保證設備運行性能；同時在FPGA上集合多種邏輯資源，有效減小了設備空間結構。Linux嵌入式操作系統滿足復雜數據處理、設備配置與管理，為設備實現提供良好的設計靈活性。該設備在某型飛機試飛中應用測試，通過試驗測試證明，設備達到全部設計指標，解決了型號試飛應用需求，取得了良好的應用效果。

參考文獻

[1] 楊廷梧，王云山，滕斌.飛行試驗遙測機載測試技術的發展與應用[J].測控技術，2013，32(4)：5-8.

[2] 馬捷中，郭陽明，陸艷洪，等.飛行數據管理記錄系統的數據采集技術實現[J].計算機工程與設計，2006，27(3)：2469-2471.

[3] HILL A.A flight data management concept[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine.IEEE，2004，19(4)：11-16.

[4] SCHUR K A.Comparison of the SAE linear token passing bus and the fiber distributed data interface protocols[C]//IEEE/AIAA Digital Avionics System Conference Proceeding.Seattle，WA：1995，14th DASC，1995：23-29.

[5] 楊代文，彭衛東，魏麟.機載設備數據通信測試系統的設計[J].科學技術與工程，2012，11(12)：9118-9121.

[6] 吳建軍，姬芳，謝拴勤.基于FPGA的智能化I/O接口在飛機測控系統中的應用[J].計算機測量與控制，2005，13(7)：668-670.

[7] 劉清饒，王勇，宋博.新型機載高速數據通信系統設計[J].壓電與聲光，2006，2(28)：17-20.

[8] 陳勇.民用飛機機載軟件管理[M].北京：航空工業出版社，2015.

作者信息:

呂  鳴，滕  斌

（西安中飛航空測試技術發展有限公司，陜西 西安710089）