0 引言

    飛機(jī)的試飛測(cè)試由試飛測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成,，試飛測(cè)試系統(tǒng)包括了機(jī)載和地面兩大部分。機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)采集器將傳感器采集到的試飛所需數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,，同時(shí)通過(guò)遙測(cè)發(fā)射/接收子系統(tǒng),，以無(wú)線電遙測(cè)的方式，從飛機(jī)上遙測(cè)傳輸?shù)降孛?，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析,、處理和監(jiān)控，以確保飛行試驗(yàn)安全,、提高試飛效率^[1-2],。

    目前，機(jī)載采集數(shù)據(jù)通常以PCM格式通過(guò)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)備和發(fā)射天線來(lái)實(shí)現(xiàn)空地?cái)?shù)據(jù)傳輸。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸需求,，需要研制一種機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元,，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、幀處理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳輸鏈路的管理及實(shí)時(shí)監(jiān)控,，以滿足試飛應(yīng)用需求^[3]。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

    根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,，機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的外部接口包括：2路千兆自適應(yīng)以太網(wǎng)端口,，用于機(jī)載采集數(shù)據(jù)到遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換,；1路百兆以太網(wǎng)端口，用于管理機(jī)載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī),；2路RS232,，用于遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)備管理；4路RS422\TTL接收發(fā)送PCM數(shù)據(jù),。機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元接收數(shù)據(jù)類型是機(jī)載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,、PCM數(shù)據(jù)。同時(shí),，滿足機(jī)載環(huán)境下運(yùn)行要求,。

    總體設(shè)計(jì)基于Xilinx Virtex5-FX70T FPGA、嵌入式Linux MontaVista操作系統(tǒng),。對(duì)機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元的功能結(jié)構(gòu)采用分層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),，如圖2所示。

    (1)物理通信接口,，主要實(shí)現(xiàn)嵌入式總線控制器的通信接口,，包括RS232串口、存儲(chǔ)接口,、通信網(wǎng)口,。

    (2)CPU、一層簡(jiǎn)單交換IP核,、底層FPGA邏輯硬驅(qū)動(dòng)IP核以及PCM數(shù)據(jù)接收,、發(fā)送核IP核，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通信接口的FPGA邏輯直接控制,，F(xiàn)PGA邏輯實(shí)現(xiàn)aNET采集數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)發(fā),、數(shù)據(jù)通信接口、PCM數(shù)據(jù)接口,。

    (3)OS BSP板級(jí)支持包和驅(qū)動(dòng)程序,，主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)接口及CPU硬件的屏蔽，對(duì)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和上層應(yīng)用實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的訪問接口,，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的易訪問性,。

    (4)嵌入式操作系統(tǒng)，主要提供一個(gè)有效的多任務(wù)的環(huán)境,，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信任務(wù)的實(shí)時(shí)高效調(diào)度與管理,，進(jìn)行有效的高精確度的時(shí)間管理，實(shí)現(xiàn)有效的內(nèi)存管理,，以高效的方式完成各種接口與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)訪問,。

    (5)Xps_ll_mac TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，主要提供對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的支持,，以實(shí)現(xiàn)Xps_ll_mac核與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信,，支持SNMP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。V5_tri_mac ARP,、UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,，實(shí)現(xiàn)V5_tri_mac 核ARP、UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，支持SNMP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理^[4],。

    (6)應(yīng)用程序，即根據(jù)用戶使用需求開發(fā)的上位機(jī)應(yīng)用軟件,，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議處理過(guò)程程序,，完成無(wú)線鏈路的管理。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    硬件電路主要由電源模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊組成,，如圖3所示。電源模塊主要給機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元提供電源,，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)處理功能,。

    電路設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)處理模塊，其承擔(dān)機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元的所有數(shù)據(jù)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(wǎng)物理芯片以及電源芯片等構(gòu)成的千兆以太網(wǎng)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元數(shù)據(jù)處理的所有功能^[5],。數(shù)據(jù)處理模塊原理框圖如圖4所示,。

3 FPGA邏輯與片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    FPGA是數(shù)據(jù)處理模塊的核心，在為外圍芯片提供控制器的同時(shí),，也為嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供運(yùn)行平臺(tái)^[6],，其片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

    FPGA片上PoverPC440處理器(簡(jiǎn)稱CPU)提供了PLB系統(tǒng)總線,，各個(gè)邏輯模塊以IP核的方式作為從器件掛載在PLB系統(tǒng)總線上受FPGA片上內(nèi)部CPU控制,，構(gòu)成片上系統(tǒng)。此外,，F(xiàn)PGA片上CPU內(nèi)部集成DMA控制器,，其提供了4個(gè)高速DMA數(shù)據(jù)通道接口，稱為L(zhǎng)ocalLink接口,。

    作為PLB從設(shè)備連接的IP核,，包括：片上三速自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC核(XPS_LL_Temac)、片上BRAM(XPS_BRAM),、RRD2存儲(chǔ)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(shè)計(jì)的PCM數(shù)據(jù)接收核(XPS_PCM_RE),、自主設(shè)計(jì)的PCM數(shù)據(jù)發(fā)送核(XPS_PCM_RE),。

    一個(gè)片上三速自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC核(XPS_LL_Temac)連接LocalLink接口，用作收發(fā)機(jī)管理接口,。

    自主設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)幀交換邏輯IP核(Switch模塊)設(shè)計(jì)完成兩個(gè)V5專用三態(tài)MAC核(V5_tri_mode_eth_mac)之間,、MAC核與CPU之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀交換[7]，實(shí)現(xiàn)aNET機(jī)載數(shù)據(jù)接口與收發(fā)機(jī)數(shù)據(jù)/中央地面管理接口的數(shù)據(jù)交換,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)從收發(fā)機(jī)數(shù)據(jù)/中央地面管理接口轉(zhuǎn)發(fā)管理數(shù)據(jù)幀到處理器模塊,。

    PCM數(shù)據(jù)處理模塊包括PCM數(shù)據(jù)接收核(XPS_PCM_RE)子模塊、PCM數(shù)據(jù)發(fā)送核(XPS_PCM_SEND)子模塊,。兩個(gè)子模塊獨(dú)立工作,，分別實(shí)現(xiàn)PCM轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)接收和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)PCM發(fā)送的功能。

    PCM數(shù)據(jù)接收核(XPS_PCM_RE),，其功能是接收解碼PCM數(shù)據(jù)流,。輸入接口：PCM碼流與時(shí)鐘信號(hào)。輸出接口：解碼的PCM數(shù)據(jù)流以子幀對(duì)齊的方式通過(guò)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(shù)據(jù)發(fā)送核(XPS_PCM_RE)，其功能是生成PCM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),、PLB設(shè)置寄存器。輸出接口：RS422變壓器/TLL變壓器,，輸出PCM時(shí)鐘與碼流信號(hào),。主要模塊包括：PCM發(fā)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(tǒng)與軟件架構(gòu)

    MontaVista嵌入式Linux提供了對(duì)機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元FPGA片上PoverPC440處理器的支持,，提供了針對(duì)PowerPC架構(gòu)優(yōu)化的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)以及完整的交叉編譯開發(fā)工具鏈,。針對(duì)機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元的設(shè)計(jì)需求，完成FPGA片上系統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核配置,、裁剪與編譯,。

    在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，V5三態(tài)MAC核寄存器接口作為從設(shè)備掛到PLB內(nèi)部總線,，實(shí)現(xiàn)V5三態(tài)MAC核寄存器與PHY寄存器控制,。當(dāng)aNET接口設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)改變后PHY連接狀態(tài)寄存器值改變觸發(fā)操作系統(tǒng)中斷，中斷響應(yīng)程序通過(guò)V5三態(tài)MAC核寄存器驅(qū)動(dòng)MAC_MDIO讀取PHY連接狀態(tài)寄存器值并重新設(shè)置MAC的連接速度與工作方式,，實(shí)現(xiàn)10/100/1 000三態(tài)自適應(yīng)功能,。

    PCM數(shù)據(jù)接收、發(fā)送核IP核也作為從設(shè)備掛到PLB內(nèi)部總線,，作為PCM數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)CM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。

    簡(jiǎn)單交換IP核（Switch模塊）驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)包含 Linux操作系統(tǒng)的LocalLink DMA外設(shè)操作。采用DMA 操作機(jī)制,，允許外圍設(shè)備和主內(nèi)存之間直接傳輸其IO數(shù)據(jù), 而不需要系統(tǒng)處理器的參與,，大大提高外設(shè)與設(shè)備通信的吞吐量, 省去CPU大量計(jì)算開銷。

    機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元應(yīng)用軟件開發(fā)采用模塊化方式,，完成對(duì)無(wú)線鏈路的管理^[8],。應(yīng)用程序總體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示，包括內(nèi)部接口MIB樹,、SNMP管理主代理模塊,、MIB樹管理處理模塊、采集數(shù)據(jù)生成/交換模塊4個(gè)子模塊,。 

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文結(jié)合飛行試驗(yàn)的應(yīng)用需求,，采用FPGA與嵌入式Linux結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)中繼管理單元的設(shè)計(jì),。FPGA可以實(shí)現(xiàn)底層硬件高速數(shù)據(jù)處理,，并提供各種接口,，保證設(shè)備運(yùn)行性能；同時(shí)在FPGA上集合多種邏輯資源,，有效減小了設(shè)備空間結(jié)構(gòu),。Linux嵌入式操作系統(tǒng)滿足復(fù)雜數(shù)據(jù)處理、設(shè)備配置與管理,，為設(shè)備實(shí)現(xiàn)提供良好的設(shè)計(jì)靈活性,。該設(shè)備在某型飛機(jī)試飛中應(yīng)用測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試證明,，設(shè)備達(dá)到全部設(shè)計(jì)指標(biāo),，解決了型號(hào)試飛應(yīng)用需求，取得了良好的應(yīng)用效果,。

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作者信息:

呂  鳴,，滕  斌

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