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(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)，滿足統(tǒng)一開放的航電系統(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)。

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,。

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處理器專門用于處理交聯(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DPRAM對(duì)外部接口進(jìn)行訪問,，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(shí)現(xiàn)PCI總線到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(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備,，讀寫訪問均采用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(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(shí)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(shí)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(shí)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(zhuǎn)換接口的訪問控制功能；

    (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)。

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(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)用程序提供多種開發(fā)支持，如顯示控制（字體庫,、OpenGL圖形庫等）,、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(cè)試結(jié)果保存區(qū)等。系統(tǒng)上電后,，主處理器通過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圖像庫的移植,，通過典型的主飛行顯示界面的實(shí)現(xiàn)來驗(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,。

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