CN103625647B - 一种机载综合数据加载传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载综合数据加载传输装置，包含SRU1，所述SRU1包含主处理器模块、AFDX终端模块、固态存储卡；主处理器模块实现整个装置的数据管理、数据通信、接口管理、指令收发；AFDX终端模块通过AFDX接口发送终端数据、接收终端数据，并通过PCI总线与CPU进行数据通信；固态存储卡为SATA2.0接口的可插拔CFast固态存储卡，通过SATA总线与CPU相连，用于执行数据加载与记录功能。AFDX接口替代了原有数据传输装置的专用通信链路，SATA接口替代了原有数据传输装置使用的IDE接口，以及PCI-Express等高速串行总线的使用，都大大降低了信号线布线复杂度，提高了航空电子系统的可靠性和可维护性。采用的CFast卡，使得存储卡的重量大大减轻，读写速度由原来的12Mbps提高到130Mbps。

Description

一种机载综合数据加载传输装置

技术领域

本发明涉及航空电子网络技术，特别是一种机载数据加载传输装置。

背景技术

数据加载传输装置(DTD)是航空电子系统中重要部件，主要用于飞行任务数据的加卸载、数字地图数据的存储、以及其他飞行相关数据的存储。图1给出了原有的机载数据加载传输装置示意图，原有的DTD装置一般由数据传输卡(DTC)和DTD机箱组成，DTC卡为一个独立的盒式结构，安装在DTD机箱内，采用点对点的以太网进行地图数据的加载，采用符合EIARS422标准的串行接口进行任务计划数据的加载，采用IDE接口与地面站进行数据传输。这种点对点的专用通信接口定义，降低了软件的可重用性和系统的稳定性，增加了系统开发成本和维护成本。且IDE固态存储设备的读写速度只有12MBps左右，已经越来越难以满足系统对数据加载和记录的速度要求。原有的数据传输装置，由于设计思想和技术条件所限，装置功能单一，对故障检测和故障隔离的测试性设计考虑较少或根本没有考虑，使得用户无法获知功能电路级的状态，不方便用户对系统运行情况和系统故障进行监测。

随着系统综合化水平的提高，为了确保航空电子系统技术性能，提高系统可用性、降低系统生命周期费用，要求系统设计必须采用开放式的航空电子系统结构、鼓励采用COTS技术、统一航空电子网络等。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明的发明目的在于提供一种机载综合数据加载传输装置，能够减少专用通信链路种类、减少分立线缆重量、提高信息通道带宽，降低信号线布线复杂度，减少印刷电路板的布线面积，增加存储卡的存储容量，提高集成度、减少航电系统总线的压力，解决现有装置功能单一的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种机载综合数据加载传输装置，包含SRU(车间可更换单元)1，其特征在于所述SRU1用于数据的加卸载，包含主处理器模块、AFDX终端模块、固态存储卡；

所述主处理器模块实现整个装置的数据管理、数据通信、接口管理、指令收发，支持SATA、PCI、PCI-Express、IIC总线协议；

所述AFDX终端模块采用FPGA芯片作为内置处理器，用于终端数据发送、终端数据接收及与主机接口逻辑，并通过PCI总线与主处理器模块进行数据通信,通过AFDX总线同外围设备进行数据通信；

所述固态存储卡为SATA2.0接口的可插拔CFast固态存储卡，通过SATA总线与主处理器模块相连，用于执行数据加载与记录功能。

进一步，还包含SRU2，所述SUR2用于音视频数据处理，包含音频解码电路、视频转换解码电路、音视频编码FPGA电路；

所述视频转换解码电路采集通过SRU1与SRU2互联的XMC连接器进入SRU2的音视频信号中的多路视频信号，转换为并行数字信号后输出到音视频编码FPGA电路；

所述音频解码电路用于采集通过SRU1与SRU2互联的XMC连接器进入SRU2的音视频信号中的音频信号，转换为串行数字信号后输出到音视频编码FPGA电路；

所述音视频编码FPGA电路包含压缩编码模块，对音频数字信号、视频数字信号进行压缩编码，将压缩后的码流数据通过PCI-Expressx1接口传输到SRU1。

进一步，所述SRU2中还包含DDR2存储器、电源转换电路、调试接口模块；

所述DDR2存储器用于在音视频编码过程中高速海量音视频和编码后数据的缓存；

所述电源转换电路为各功能电路的正常工作提供匹配的电压电流输出的电源转换电路；

所述调试接口模块用于音视频编码FPGA电路的更新和音视频编码FPGA电路内部嵌入式处理器的运行监控。

进一步，所述SRU1中包含电源模块，所述电源模块将外部电源通过稳压、滤波、DC-DC电路转换成5V内部电源输出给SRU1与SRU2。

进一步，所述主处理器模块还用于检测故障，主处理器模块将采集到的各功能模块的数值与内置在主处理器模块中的故障模型数据库中的数值比较，以判断各功能模块是否工作正常。

进一步，所述检测故障具体为：在IIC总线上安装电压测量芯片，采集二次电源电压，主处理器模块通过IIC总线可以实时检测到机载综合数据加载传输装置的多种电压的数值，并与故障模型数据库中的电压阈值进行比较，测试各功能电路的电源是否正常。

进一步，所述检测故障具体为：在SRU2上的音视频编码FPGA电路中的设置音视频输入信号判断逻辑模块，用于检测是否有音视频输入信号，通过分别对视频转换解码电路的行场同步信号和音频解码芯片的I2S信号进行检测判断，并实时上报主处理器以检测是否有音视频输入信号。

进一步，所述检测故障具体为：主处理器模块读取AFDX终端芯片中FPGA芯片中的内置处理器的寄存器状态和物理层网络芯片的寄存器状态，并与故障模型数据库中的寄存器值进行比较，测试AFDX终端接口是否正常。

进一步，所述检测故障具体为：在主处理器模块内置的DDR2内存、FLASH和固态存储器中指定位置写入固定长度的数据，并读取后与原数据进行比较，测试内存状态、FLASH状态、固态存储器状态是否正常。

进一步，所述检测故障具体为：通过AFDX终端的FPGA芯片与音视频编码FPGA电路自带的温度传感器实时向结点温度寄存器输出结点温度数值，AFDX终端的FPGA芯片与音视频编码FPGA电路的温度检测逻辑会实时读取结点温度寄存器中的温度值并上报主处理器，并与故障模型数据库中的温度阈值进行比较，测试AFDX终端的FPGA芯片与音视频编码FPGA电路的温度是否超出系统的承受范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于AFDX接口替代了原有数据传输装置的专用通信链路，SATA接口替代了原有数据传输装置使用的IDE接口，以及PCI-Express等高速串行总线的使用，都大大降低了信号线布线复杂度，提高了航空电子系统的可靠性和可维护性。在设计中采用的CFast卡，使得存储卡的重量大大减轻，读写速度由原来的12Mbps提高到130Mbps。它在原有功能基础上综合了音视频压缩、记录功能，完成对多功能显示器(MFD)和综合控制管理设备的音视频信号的编码记录。为了提高测试性，在装置内部利用部分元器件的多余硬件和软件资源，或在不增加布板面积的前提下，设计了用于自测试的电路，以检测故障、监测自身运行状况。对各个二次电源电压值、音视频输入信号、AFDX端口状态、CPU内存状态、FLASH存储数据校验、CFast存储数据校验、FPGA结点温度等关键测试项进行机内测试(BIT)。并根据功能特点和常见故障模式，分别采用上电BIT、周期BIT和维护BIT，实现了故障检测和故障隔离功能。本装置不需要做原理架构上的修改，就可以移植到其他采用AFDX总线架构的飞机航电系统中，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。

附图说明

图1是原有的机载数据加载传输装置示意图

图2是本发明一种机载综合数据加载传输装置逻辑结构示意图

图3是本发明一种机载综合数据加载传输装置的功能模块动态关系图

具体实施方式

下面结合附图2对本发明作进一步的详细描述。

从图2可以看出，本发明设计了全新的机载数据加载传输装置的架构，包含SRU1和SRU2,SRU1中的主处理器(CPU)模块通过AFDX总线同其他航空电子设备进行数据通信，CPU直接通过SATA接口访问固态存储器，CPU直接通过PCI-Express接口访问音视频编码FPGA，CPU通过多余的硬件和软件资源实现机内测试，提高了飞行任务数据的加载速度，扩展了数据加载传输装置的视频与音频数据的压缩、记录和存储功能，增强了装置的测试性能。SRU1和SRU2之间采用PCI-Express高速串行总线连接，SRU1和可插拔CFast卡之间采用SATA高速串行总线连接，整个装置通过百兆AFDX总线与航空电子系统的其他设备交互相连。

下面描述该设计的工作原理和实现过程。

本装置自带电源模块(PSM)供电，可将外部电源通过稳压、滤波、DC-DC电路转换成5V内部电源输出给SRU1与SRU2。上电后SRU1和SRU2会分别完成初始化。

SRU1的主处理器为Freescale的高集成度、高性能、低功耗的嵌入式CPU，集成了e300c4s内核，具有DDR2SDRAM控制器，两路三速率以太网接口，32-bit局部总线，32-bitPCI总线，USB2.0控制器，2路IIC接口，4通道DMA控制器，两路PCIex1总线接口，两路SATA总线接口，内核主频高达800MHz，在应用中芯片功耗小于3瓦。与以往的数据加载装置中的主处理器相比，这款CPU的接口类型丰富，处理能力强大，低功耗。CPU实现整个装置的数据管理、数据通信、接口管理、指令收发，其操作系统为VxWorks，CPU启动程序和应用程序分别驻留在Bootrom和FLASH中。CPU通过离散量通信命令执行音视频记录及工作状态指示功能，SRU1上的AFDX终端模块通过PCI总线与CPU进行数据通信，AFDX终端模块由FPGA电路实现，包括终端数据发送、终端数据接收及与主机接口逻辑等功能模块，为提高装置的机上通信可靠性，AFDX采用了双余度备份技术，两路AFDX网络相互独立、互为备份。

SRU1自带一块SATA2.0接口的可插拔CFast固态存储卡，在进行数据存储访问时，CFast卡的读写速率不小于130MBps(max)，可快速执行数据加载与记录功能、音视频压缩数据实时存储功能。CFast固态存储卡便于操作人员插拔、携带以及与地面站进行数据传输。

SRU2电路由音频解码电路、视频转换解码电路、音视频编码FPGA电路、DDR2存储器、电源转换电路、调试接口等功能电路组成。多路音视频信号首先通过机箱连接器进入综合数据加载传输装置，然后经过SRU1的对外接口进入SRU1之上的防雷击保护电路，之后通过SRU1与SRU2互联的XMC连接器进入SRU2的多路音视频转换解码电路；多路视频信号经过视频转换解码电路转换为24bitRGB格式的并行数字信号后，输入音视频编码FPGA电路；音频信号经过音频解码电路转换为I2S串行数字信号后，输入音视频编码FPGA电路；音视频编码FPGA电路对音视频信号进行压缩编码，将压缩后的码流数据通过PCI-Expressx1接口传输到SRU1。

为了提高测试性，在装置内部利用部分元器件的多余硬件和软件资源，或在不增加布板面积的前提下，设计了用于自测试的电路，以检测故障、监测自身运行状况。对各个二次电源电压值、音视频输入信号、AFDX端口状态、CPU内存状态、FLASH存储数据校验、CFast存储数据校验、FPGA结点温度等关键测试项进行机内测试(BIT)。并根据功能特点和常见故障模式，分别采用上电BIT、周期BIT和维护BIT，实现了故障检测和故障隔离功能，具体为：

为了检测二次电源电压值，采用了基于IIC接口的电压测量芯片，CPU通过IIC总线可是同时实时检测综合数据加载传输装置的多种电压的数值，并在CPU内部与期望的电压阈值进行比较，测试各功能电路的电源是否正常。

为了检测是否有音视频输入信号，SRU2上的FPGA上设计了音视频输入信号判断逻辑，分别对视频转换解码芯片的行场同步信号和音频解码芯片的I2S信号进行检测判断，并实时上报CPU。

为了检测AFDX端口状态，中央处理器需要读取AFDX终端FPGA中的内置处理器的寄存器状态和物理层网络芯片的寄存器状态，并与期望的寄存器值进行比较，测试AFDX终端接口是否正常。

为了检测CPU内存状态、FLASH状态、Cfast固态存储器状态，中央处理器需要向DDR2内存、FLASH和固态存储器中指定位置写入固定长度的数据，并读取后与原数据进行比较，测试CPU内存状态、FLASH状态、固态存储器状态是否正常。

为了检测FPGA结点温度，我们设计了FPGA温度检测逻辑，FPGA自带的温度传感器会实时向结点温度寄存器输出结点温度数值，FPGA温度检测逻辑会实时读取结点温度寄存器中的温度值并上报中央处理器，并在CPU内部与期望的温度阈值进行比较，测试FPGA的温度是否超出系统的承受范围。

Claims (9)

1.一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于包含SRU1，所述SRU1用于数据的加卸载，包含主处理器模块、AFDX终端模块、固态存储卡；

所述主处理器模块实现整个装置的数据管理、数据通信、接口管理、指令收发，支持SATA、PCI、PCI-Express、IIC总线协议；

所述AFDX终端模块采用FPGA芯片作为内置处理器，用于终端数据发送、终端数据接收及与主机接口逻辑，并通过PCI总线与主处理器模块进行数据通信,通过AFDX总线同外围设备进行数据通信；

所述固态存储卡为SATA2.0接口的可插拔CFast固态存储卡，通过SATA总线与主处理器模块相连，用于执行数据加载与记录功能；

还包含SRU2，所述SUR2用于音视频数据处理，包含音频解码电路、视频转换解码电路、音视频编码FPGA电路；

所述视频转换解码电路采集通过SRU1与SRU2互联的XMC连接器进入SRU2的音视频信号中的多路视频信号，转换为并行数字信号后输出到音视频编码FPGA电路；

所述音频解码电路用于采集通过SRU1与SRU2互联的XMC连接器进入SRU2的音视频信号中的音频信号，转换为串行数字信号后输出到音视频编码FPGA电路；

所述音视频编码FPGA电路包含压缩编码模块，对音频数字信号、视频数字信号进行压缩编码，将压缩后的码流数据通过PCI-Expressx1接口传输到SRU1。

2.根据权利要求1所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述SRU2中还包含DDR2存储器、电源转换电路、调试接口模块；

所述DDR2存储器用于在音视频编码过程中高速海量音视频和编码后数据的缓存；

所述电源转换电路为各功能电路的正常工作提供匹配的电压电流输出的电源转换电路；

所述调试接口模块用于音视频编码FPGA电路的更新和音视频编码FPGA电路内部嵌入式处理器的运行监控。

3.根据权利要求1所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述SRU1中包含电源模块，所述电源模块将外部电源通过稳压、滤波、DC-DC电路转换成5V内部电源输出给SRU1与SRU2。

4.根据权利要求1所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述主处理器模块还用于检测故障，主处理器模块将采集到的各功能模块的数值与内置在主处理器模块中的故障模型数据库中的数值比较，以判断各功能模块是否工作正常。

5.根据权利要求4所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述检测故障具体为：在IIC总线上安装电压测量芯片，采集二次电源电压，主处理器模块通过IIC总线可以实时检测到机载综合数据加载传输装置的多种电压的数值，并与故障模型数据库中的电压阈值进行比较，测试各功能电路的电源是否正常。

6.根据权利要求4所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述检测故障具体为：在SRU2上的音视频编码FPGA电路中的设置音视频输入信号判断逻辑模块，用于检测是否有音视频输入信号，通过分别对视频转换解码电路的行场同步信号和音频解码芯片的I2S信号进行检测判断，并实时上报主处理器以检测是否有音视频输入信号。

7.根据权利要求4所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述检测故障具体为：主处理器模块读取AFDX终端芯片中FPGA芯片中的内置处理器的寄存器状态和物理层网络芯片的寄存器状态，并与故障模型数据库中的寄存器值进行比较，测试AFDX终端接口是否正常。

8.根据权利要求4所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述检测故障具体为：在主处理器模块内置的DDR2内存、FLASH和固态存储器中指定位置写入固定长度的数据，并读取后与原数据进行比较，测试内存状态、FLASH状态、固态存储器状态是否正常。

9.根据权利要求4所述一种机载综合数据加载传输装置，其特征在于所述检测故障具体为：通过AFDX终端的FPGA芯片与音视频编码FPGA电路自带的温度传感器实时向结点温度寄存器输出结点温度数值，AFDX终端的FPGA芯片与音视频编码FPGA电路的温度检测逻辑会实时读取结点温度寄存器中的温度值并上报主处理器，并与故障模型数据库中的温度阈值进行比较，测试AFDX终端的FPGA芯片与音视频编码FPGA电路的温度是否超出系统的承受范围。