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(zāi)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(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(shè)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(dǎo)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(wù)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(yīng)具有功耗低,、發(fā)熱量小的特點。

1.2 機載設(shè)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(shè)備(如音頻控制器、大氣數(shù)據(jù)計算機,、S模式應(yīng)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(yīng)具有豐富的機載設(shè)備接口,。同時，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(shè)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(dǎo)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(yīng)盡量小,，重量應(yīng)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(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,，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(yīng)采用統(tǒng)一的模塊化,、標準化設(shè)計技術(shù),，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(shè)計制造和后期維護的成本。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    小型通用飛機航電系統(tǒng)架構(gòu)中,，飛行顯示器與多個機載設(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(wù)管理、數(shù)據(jù)處理和圖像顯示功能,，實時采集交聯(lián)設(shè)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(jié)構(gòu)。

3 硬件設(shè)計

    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(jié)構(gòu)框圖。

3.1 主處理器設(shè)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(shè)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(shè)計

    飛行顯示器與多個機載設(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)，會導(dǎo)致主處理器運行效率低下,，所以數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計了一個智能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,，采用先進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，處理能力達150 MIPS^[4],。

    智能IO設(shè)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(wù)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(shè)備設(shè)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(shè)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(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)動機參數(shù)數(shù)據(jù),。

3.4 外部接口設(shè)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(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理單元外部接口設(shè)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(shè)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(shè)備進行離散量通信,；

    (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)中實現(xiàn)X,、Y方向坐標定位等類似功能,。

3.5 可編程邏輯設(shè)計

    數(shù)據(jù)處理單元需要在FPGA中實現(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,，考慮到飛行顯示器的設(shè)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(yīng)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(shù)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(yīng)用^[5],。

    數(shù)據(jù)處理單元FPGA設(shè)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(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(zhuǎn)換接口的訪問控制功能；

    (6)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：實現(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)計框圖,。

4 軟件設(shè)計

    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(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(yīng)用支持軟件和應(yīng)用軟件,。應(yīng)用支持軟件是位于板級支持軟件與應(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,、數(shù)據(jù)加卸載等；應(yīng)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(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(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,，完成對從各個機載設(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 板級支持軟件

    數(shù)據(jù)處理單元軟件設(shè)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(yīng)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(dǎo),、實時操作系統(tǒng),、必要的硬件BIT測試及提供相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動軟件。操作系統(tǒng)設(shè)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(yīng)、多任務(wù)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(luò)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(dǎo),、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(shè)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(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(shè)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。

    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(dǎo),、電臺頻率、發(fā)動機參數(shù),、GPS導(dǎo)航,、故障告警、機身狀態(tài),、數(shù)字地圖導(dǎo)航等信息,。

    針對小型通用飛機飛行顯示器的設(shè)計需求，本文創(chuàng)新地設(shè)計了飛行顯示器數(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(shè)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(chǔ),。實現(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,。

參考文獻

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