某训练系统综合处理机的设计与实现

摘 要 训练吊舱是现代战机进行作战训练时的必备外挂设备，本文从工程设计角度出发， 介绍了训练吊舱综合处理机的功能、设计、模块硬件体系和软件结构等，还介绍了综合处理机的地面软硬件开发及测试环境。

【关键词】吊舱 PowerPC 实时操作系统

1 引言

在现代战机的空战训练中，往往需要搜集大量的训练数据，用于飞行员飞行后讲评，以便指导他们如何进一步提高和改进，从而提高飞行员的操作熟练程度。而取得这些信息的搜集工作可由空中作战训练系统（ACTS）吊舱完成。以往该吊舱在飞机进行训练场景时搜集数据，回到地面后才可以将数据导出。也就是说只有训练完成后飞行员才能判读当日飞行参数，发现的问题只能等到下次飞行时才能得以纠正。为解决这种效率较低的训练方式，提出了一种新的空战训练吊舱系统，它可以实时向地面传输飞机在空中的各项参数，能直观地显示出空中对抗场景，同时空中每一次的训练结果都可以实时传输给飞行员。这样可大大提高作战训练的效率，且有助于飞行员在真实场景中进行更多训练。

本文介绍的空战训练吊舱综合处理机，可在空中不断采集机上其它设备在飞行及作战训练中产生的各种数据，并可以根据飞机姿态及高度及时提醒飞行员进行相应操作，保证训练安全。本文从工程设计角度出发，介绍了综合处理机的设计实现及开发环境。

2 概述

参照训练吊舱的系统需求，综合处理机主要实现以下功能：1.综合信息处理与任务管理系统：完成飞机所得到信息的综合处理，并完成吊舱系统的任务管理及参数计算等；2.武器控制与管理系统：完成飞机所携带的外挂管理、发射与控制等；3.惯导/GPS信息处理系统：完成飞机惯导与GPS数据的解算等；4.数字记录系统：完成训练数据的记录；5.语音告警系统：完成语音告警功能的管理。

3 硬件设计实现

3.1 系统组成

为提高吊舱计算机系统的集成度和综合处理能力，且考虑到飞机航电技术的发展，设计中采用了运算速度较高的PowerPC系列CPU，同时在系统硬件设计中尽可能使用大规模可编程逻辑器件FPGA。综合处理机按照整机和模块两级进行设计，并遵循了模块化的要求，由处理机模块（CPU）、多路总线模块（MBI）、低带宽模块（LB）、大容量存储模块（MMM）及机箱组成。综合处理机各模块通信使用PCI总线，整机由+5VDC供电而无需配置电源模块，其系统框图如图1所示。

3.2 CPU模块

CPU模块完成对整个训练吊舱的控制、管理以及数据采集与解算、与其它模块的信息交换等任务。CPU模块可提供整机的系统时钟、复位和应答；与其它模块之间的数据传输通路；整机中断处理、计时器、存储器；地面开发和维护测试接口等功能。

CPU模块采用PowerPC8270作为主控单元，设计主频266MHz；通过存储器接口，外部扩展FLASH、SDRAM等，用以存储临时数据和操作系统、用户应用程序；通过模块上的2路DUART，实现对外的RS232通信；1路以太网实现对外的网络调试接口；提供标准PCI总线接口，通过PCI总线可访问机箱内其它模块。CPU 模块的功能框图如图2所示。

3.3 MBI模块

MBI模块负责训练吊舱与机上其它设备之间的1553B总线的通信管理，可作为总线控制器（BC）/远程终端（RT）/总线监控（MT）等模式使用。MBI模块可提供整机对外的1553B总线数据传输通信，传输速度可达1Mb/s，总线传输字差错率小于10-7。当作为BC时，对吊舱系统的通信进行调度和管理；作为RT时，可以根据BC的调度，进行终端总线消息传输；作为MT时，可以对总线上传输的消息进行监控。MBI模块同时还可以为吊舱系统提供实时时钟（RTC）作为系统的通信时间基准。

MBI模块以MG80C186为中央处理器，通过PCI总线接口与CPU模块进行通信访问；通过协议处理芯片和总线收发器，外部扩展2路1553B接口。MBI 模块的功能框图如图3所示。

3.4 LB模块

LB模块在CPU模块的控制下管理系统的多路RS-422串口通信、离散量输入/输出及告警音频输出等功能。LB模块可提供与TRU/GPS等设备的RS-422通信接口；与武器外挂之间的离散量输入/输出信号；向音频控制盒输出的告警音频信号等。

由于LB模块是PCI总线上的从设备，因此采用可编程逻辑器件FPGA作为主控单元。FPGA中固化的硬件逻辑由IP核及粘合逻辑组成，完成与CPU模块之间的PCI总线接口、RS-422总线协议管理、离散量管理及音频解码芯片控制等功能。LB模块外部扩展4路115200bps的全双工RS-422接口与12路“地/开”型离散量接口。同时在接收到CPU模块的指令后，FPGA硬件逻辑可以通过调取语音FLASH中存储的语句来实现1路告警模拟音频的播放。LB模块的功能框图如图4所示。

3.5 MMM模块

MMM模块用于记录训练吊舱系统与吊舱系统其它设备进行通讯的信息流，采用固态存储器FLASH陈列实现。该模块在飞行训练结束后可被拆下，与地面读取设备连接后将储存的数据导出以供分析。

MMM模块采用可编程逻辑器件FPGA作为LB模块与CPU模块之间的PCI总线接口控制部件。同时该FPGA中的硬件逻辑也配置有PCI-IDE协议转换功能块，可直接对IDE接口的FLASH阵列进行底层硬件的读写操作。MMM模块外部扩展1路USB2.0接口，与普通PC机连接即可进行地面数据的加卸载。MMM模块的功能框图如图5所示。

4 软件设计实现

根据训练吊舱的整体技术需求，综合处理机采用风河公司的实时操作系统VxWorks，在Tornado2.2环境下进行软件开发。综合处理机的系统软件为应用软件提供任务的调度、任务间的通信，屏蔽底层硬件，负责控制管理整机系统资源，包括时间资源和空间资源，使整个系统安全、可靠、正常的运行，同时为应用软件的开发、维护及运行提供支持。本系统软件主要包括：

（1）主控模块：主控模块通过调用其它功能子模块控制系统的初始化，并根据系统当前的任务状态，控制整个系统软件的流程。

（2）初始化模块：包括硬件初始化和软件初始化模块，分别通过调用硬件初始化模块和软件初始化模块，使综合处理机达到工作状态。

（3）控制模块：本模块主要完成系统状态控制及通信控制，即根据飞行作战软件及其它子系统的相应状态，确定系统运行状态和数据通讯的控制等。

（4）通讯模块：本模块主要用于完成对吊舱系统其它设备的数据发送和接收。总线驱动模块用于驱动具体的1553B总线硬件通道，根据系统的总线配置调用相应的工作模式模块。数据接收模块负责监视RS-422通信的数据接收通道，并接收这些通道上的数据。数据发送模块根据系统的传输协议，将相应数据发送给其它对应设备。

（5）语音模块：本模块主要完成系统告警语音的控制，包括语音实时播放和地面维护时语音文件的烧制等。

（6）接口控制模块：离散量输入模块负责监视系统的离散量输入通道，并周期性地将接收到的数据上报给应用软件。离散量输出模块根据飞行员的操作将相应状态值传达给底层硬件，并将结果传送给应用软件；

（7）数据处理模块：本模块主要完成文件系统的初始化、配置及对记录的数据进行读写控制等。

系统软件功能框图如图6所示。

5 综合处理机地面开发环境

地面开发环境包括系统软硬件调试开发环境及系统综合仿真环境，整个系统的硬件调试和软件开发在图7所示的环境下进行。地面测试设备集成了内置仿真板卡的PC机与信号测试台各1台。其中PC机通过RS232串行接口和以太网通讯接口与CPU模块上的监控程序进行通讯，实现人机对话和对硬件软件资源的调试。PC机上安装的Tornado2.2支持符号调试，可以通过RS232串行口或以太网将调试代码动态加载到目标机上运行，并且具有设置断点、单步运行等功能。通过RS232调试串口可以处理命令的输入和结果的显示。PC机内配置的1553B仿真板卡、RS-422串行通讯仿真板卡、离散量信号仿真板卡及喇叭，可以完成系统相应信号的模拟和仿真。这些仿真板卡可以模拟各种类型的信号并发送至综合处理机，同时还可接收综合处理机的信息输出。测试台内包含断点板、耦合器及电缆等，配合PC机及仿真卡共同完成综合处理机的系统综合和系统测试。

6 结束语

本文设计了一种基于实时操作系统的吊舱综合处理机，实现了训练吊舱系统作训时的通信管理、外挂物控制、人-机接口控制及数据记录等功能。本设计大量运用了可编程逻辑器件FPGA，减少了模块上的芯片使用数量，降低了研发及生产成本，大大提高了系统的可靠性和灵活性。该综合处理机已在某课题上成功验证，市场应用前景十分良好。

参考文献

[1]杨军祥.航空电子系统综合显示处理技术研究[J].航空计算技术，2006（07）.

[2]姚拱元，吴建民，陈若玉.航空电子系统综合技术的发展与模块化趋势[J].航空电子技术，2002（01）.

作者单位

中国航空计算技术研究所 陕西省西安市 710119

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