基于嵌入式CPU Smart Core實(shí)現(xiàn)機(jī)載飛行參數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)載飛行參數(shù)系統(tǒng)和相關(guān)處理設(shè)備在地勤維護(hù)、飛行事故處理和飛行質(zhì)量評(píng)估等方面發(fā)揮重要的作用。現(xiàn)在隨著飛參設(shè)備使用頻率增加，飛參數(shù)據(jù)卸載設(shè)備型號(hào)多、體積大、故障率高已經(jīng)開始影響飛參的正常使用。

嵌入式技術(shù)的出現(xiàn)給開發(fā)和設(shè)計(jì)具有小型化、通用化、快速化和可靠性高的新型飛參卸載設(shè)備創(chuàng)造有利的技術(shù)條件。利用嵌入式技術(shù)可以提高飛參使用效率；通過簡(jiǎn)化操作步驟，采用與飛參地面處理相結(jié)合，飛參卸載變得更加便捷，設(shè)備可靠性大大增強(qiáng)。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，融合了計(jì)算機(jī)軟件、硬件、通信和半導(dǎo)體技術(shù)，是信息技術(shù)的終端產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)是由嵌入式處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。形象地說，嵌入式系統(tǒng)采用“量體裁衣”的方法把所需的功能嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，其硬件和軟件都可以根據(jù)需要定制和集成。隨著應(yīng)用形式的不同，可有IP（International Property）級(jí)、芯片級(jí)和模塊級(jí)三種體系結(jié)構(gòu)。

IP 級(jí)把不同單元進(jìn)行集成，各種嵌入式軟件也以IP的方式集成在芯片中；芯片級(jí)是根據(jù)各種IT產(chǎn)品的要求，選用相應(yīng)的處理器芯片（含MCU、DSP、RISC和MPU）、RAM、ROM/ EPROM/ EEPROM/Flash和I/O接口芯片組成操作系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件也以固件形式固化在磁盤中；模塊級(jí)以X86為處理器構(gòu)成系統(tǒng)模塊。Smart Core 是以Am486為內(nèi)核的嵌入式CPU，完全兼容X86的指令集，具有32位、低功耗等特點(diǎn)，又稱為E86體系。Smart Core功能框圖如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)

手持式通用飛參快速卸載器是依托飛機(jī)裝備的飛行參數(shù)系統(tǒng)，采用目前先進(jìn)的嵌入式技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)飛參卸載設(shè)備的小型化、通用化、和性能高的特點(diǎn)。根據(jù)不同型號(hào)飛參的數(shù)據(jù)卸載協(xié)議、接口電路、通訊方式和數(shù)據(jù)記錄方式的不同，采用了Smart Core嵌入式技術(shù)，根據(jù)一線使用的實(shí)際情況，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)等功能。

圖1 Smart core功能框圖

2.1 系統(tǒng)組成

軟件部分是在DOS 操作平臺(tái)下開發(fā)的應(yīng)用程序，包括數(shù)據(jù)卸載軟件、用戶交互軟件、LE屏顯示和控制程序、硬件驅(qū)動(dòng)程序以及其它輔助程序，采用DOS平臺(tái)考慮到采用I/O口讀取12位并行碼，由于Windows系統(tǒng)采用多任務(wù)、多線程機(jī)制，實(shí)際輸出的脈沖幾乎無法捕捉到，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)到12位并行碼。而操作系統(tǒng)采用DOS，則可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到12位并行碼，以P -300微機(jī)為例，用C語言中的inportb函數(shù)反復(fù)讀取就可以滿足要求。

硬件由Smart Core小系統(tǒng)、矩陣鍵盤管理系統(tǒng)、擴(kuò)展電路和外設(shè)組成。Smart Core小系統(tǒng)是硬件核心部分，是手持式飛參數(shù)據(jù)卸載設(shè)備的CPU，它以DL公司的Smart Core模塊為主，配合相應(yīng)的擴(kuò)展電路組成。在該系統(tǒng)中擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、16M SDRAM、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口和ISA總線接口。在ISA總線基礎(chǔ)上又?jǐn)U展了2M Flash、鍵盤接口、并行口、顯示屏和符合SDLC協(xié)議的串口。矩陣鍵盤管理系統(tǒng)由89C51單片機(jī)、外圍電路和程序組成，用于管理矩陣鍵盤、將矩陣鍵盤轉(zhuǎn)換為PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)PS2格式。該設(shè)備的外設(shè)為薄膜式按鍵和圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。

系統(tǒng)采用大規(guī)模可編程邏輯器件、自編字庫(kù)、信息編排等技術(shù)，擴(kuò)展了ISA用戶總線結(jié)構(gòu)，通過該總線連接鍵盤、顯示屏、CF卡驅(qū)動(dòng)器和卸載接口等外部設(shè)備。

2.2 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2.3軟件主要功能

卸載器軟件具有數(shù)據(jù)卸載、通道校驗(yàn)、履歷設(shè)置、飛參自檢、本機(jī)自檢等基礎(chǔ)功能。

2.3.1具備飛參地面站預(yù)處理軟件的功能，包括：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、履歷信息提煉、數(shù)據(jù)解壓縮等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)卸載、預(yù)處理一體化，簡(jiǎn)化了地面數(shù)據(jù)卸載和預(yù)處理操作，解決了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄的瓶頸問題。

2.3.2增加了數(shù)據(jù)備份功能，在卸載數(shù)據(jù)的同時(shí)可將其備份到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡中，實(shí)現(xiàn)了飛參數(shù)據(jù)的雙重備份。

2.3.3提供了“數(shù)據(jù)導(dǎo)出”功能，保證卸載器在離位狀態(tài)下，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，將指定數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

3 技術(shù)難點(diǎn)及解決特殊技術(shù)

3.1 嵌入式開發(fā)平臺(tái)的底層驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的Smart core作為開發(fā)平臺(tái)，Smart core開發(fā)出的手持式設(shè)備具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、功耗低、溫度范圍寬和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)［4］。與其他嵌入式開發(fā)平臺(tái)相比，Smart core更為突出的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展CF卡和DOC比較方便。但以Smart core為核心的嵌入式技術(shù)是一項(xiàng)全新的技術(shù)，開發(fā)技術(shù)難度較大。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先要從Smart core擴(kuò)展出符合ISA規(guī)范的用戶擴(kuò)展總線，這條用戶擴(kuò)展總線是連接Smart core及SDLC通訊協(xié)議接口、顯示接口、鍵盤接口和DOC接口的紐帶。系統(tǒng)采用大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD，擴(kuò)展出了符合ISA規(guī)范的用戶擴(kuò)展總線。

3.2 產(chǎn)品的通用化設(shè)計(jì)

現(xiàn)役國(guó)產(chǎn)飛參系列和型號(hào)多，每個(gè)型號(hào)飛參的記錄方式、數(shù)據(jù)記錄格式、卸載模式各不相同，卸載器彼此不通用。通過對(duì)各型機(jī)載飛參設(shè)備進(jìn)行測(cè)試、研究，設(shè)計(jì)出可自動(dòng)識(shí)別飛參型號(hào)的軟件自適應(yīng)接口和可進(jìn)行一體化卸載數(shù)據(jù)的通用轉(zhuǎn)換電路，解決了同一卸載器不能卸載不同型號(hào)飛參數(shù)據(jù)的難題。

3.3 數(shù)據(jù)卸載及處理的快速化設(shè)計(jì)

原飛參卸載器是將機(jī)載飛參數(shù)據(jù)直接拷貝下來，不具備數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，飛參數(shù)據(jù)必須由專業(yè)人員帶回飛參處理室，利用專用軟件進(jìn)行解壓、還原后，才能進(jìn)行分析。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，飛行日當(dāng)天必須卸載飛參數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，如果按照日出動(dòng)15架飛機(jī)，每架飛機(jī)飛行5個(gè)起落計(jì)算，數(shù)據(jù)從卸載到處理結(jié)束，需要14個(gè)小時(shí)。

該卸載器采用數(shù)據(jù)同步預(yù)處理技術(shù)，按照地面處理軟件接口的要求，在數(shù)據(jù)卸載的同時(shí)，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、履歷信息提煉和數(shù)據(jù)解壓縮等預(yù)處理工作，保證錄入到地面處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可直接分析，利用該設(shè)備，從數(shù)據(jù)卸載開始至處理結(jié)束，僅用1小時(shí)。

3.4 手持設(shè)備的抗干擾技術(shù)

系統(tǒng)硬件組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)集成和電路交叉連接產(chǎn)生的空間輻射干擾、外接電源干擾等問題比較突出，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本系統(tǒng)采用了以下抗干擾技術(shù)：

3.4.1采用一點(diǎn)接地技術(shù)，選擇殼體的接地點(diǎn)作為系統(tǒng)的參考“地點(diǎn)”與飛機(jī)殼體相連，其它電路的接地點(diǎn)都與該點(diǎn)相連。

3.4.2采用綜合屏蔽技術(shù)，減小電磁波的輻射干擾。殼體在設(shè)計(jì)加工時(shí)，采用進(jìn)口鋁材作為原材料，并進(jìn)行了表面導(dǎo)電陽極化處理，搭鐵電阻小，減小了元器件間的輻射干擾。

3.4.3使用軟件抗干擾技術(shù)，采取數(shù)字濾波、指令冗余、標(biāo)志判斷等措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除程序可能發(fā)生的彈飛、進(jìn)入死循環(huán)或死機(jī)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

目前，該設(shè)備已在多個(gè)單位得到成功推廣。按現(xiàn)在飛機(jī)與卸載器配置比例計(jì)算，使用該設(shè)備后，可節(jié)約經(jīng)費(fèi)上千萬元，每年還可節(jié)約維修費(fèi)用近百萬元。一線使用證明，該設(shè)備設(shè)計(jì)新穎，技術(shù)獨(dú)特，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，為飛參專業(yè)發(fā)展開辟了一條嶄新的途徑，提高快速保障能力，具有明顯的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

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