CN109243007A - 用于航空无人机记录仪的电路板及航空无人机记录仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于航空无人机记录仪的电路板，包括：背板主体，在背板主体的一侧平行设置的存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽，以及安装于所述接口板插槽的接口板，用于连接外部信号采集设备；安装于协处理板插槽的协处理板，用于从接口板接收外部信号采集设备所采集的数据信息并进行处理；安装于所述存储板插槽的存储板，用于接收并存储来自协处理板和/或接口板的数据信息。本发明实施例所提供的电路板背板中通过设置可供安装接口板的接口板插槽，能够便于对该用于航空无人机记录仪的电路板背板进行接口扩展，从而解决了现有技术中航空无人机记录仪存在的接口单一的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及航空记录仪技术领域，尤其涉及一种用于航空无人机记录仪的电路板及航空无人机记录仪。
背景技术
近年来，航空无人机记录仪有了长足的进步，应用范围逐渐扩大。在航空、航天、国防等领域，无人机记录仪对抗恶劣环境、高性能、高扩展性要求越来越高。现有无人机记录仪存在接口单一、集成度低、存储空间小、通信带宽低、抗震性差等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种用于航空无人机记录仪的电路板及航空无人机记录仪，用于至少解决上述技术问题之一。
一方面，本发明提供一种用于航空无人机记录仪的电路板，以用于解决现有技术中的航空无人机记录仪接口单一的问题，本发明的用于航空无人机记录仪的电路板包括：
背板主体，在背板主体的一侧平行设置的存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽，所述存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽之间通过所述背板主体内部的通信线路相互通信连接，以及
安装于所述接口板插槽的接口板，用于连接外部信号采集设备；
安装于所述协处理板插槽的协处理板，用于从所述接口板接收所述外部信号采集设备所采集的数据信息并进行处理；
安装于所述存储板插槽的存储板，用于接收并存储来自所述协处理板和/或所述接口板的数据信息。
在一些实施例中，所述接口板包括：接口板主体，
设置于所述接口板主体的一端的接口板插头，用于与所述接口板插槽配合连接；
设置于所述接口板主体上的第一FPGA芯片，所述第一FPGA芯片与所述主板插头通信连接；
与所述第一FPGA芯片通信连接的扩展接口；
与所述第一FPGA芯片连接的图像压缩编码解码芯片。
在一些实施例中，，所述扩展接口至少包括以下接口之一：多路RS422接口、一路RS485接口、一路RS429接口、红外相机信号接口和模拟信号输入接口。
在一些实施例中，所述协处理板包括：协处理板主体，
设置于所述协处理板主体的一端的协处理板插头，用于与所述协处理板插槽配合连接；
设置于所述协处理板主体上的第二FPGA芯片，所述第二FPGA芯片与所述协处理板插头连接；
与所述第二FPGA芯片连接的多片SDRAM；
与所述第二FPGA芯片连接的均衡器，以及与所述均衡器连接的数字视频信号输入接口；
与所述第二FPGA芯片通信连接的CPLD芯片，所述CPLD芯片还与所述协处理板插头连接。
在一些实施例中，所述多片SDRAM为16片总容量为16GB的DDR3SDRAM。
在一些实施例中，所述存储板包括：存储板主体，
设置于所述存储板主体的一端的存储板插头，用于与所述存储板插槽配合连接；
设置于所述存储板主体上的第三FPGA芯片，所述第三FPGA芯片与所述存储板插头连接；
与所述第三FPGA芯片连接的存储介质；
与所述第三FPGA芯片连接的光纤模块组。
在一些实施例中，所述存储介质包括16片NAND型FLASH。
在一些实施例中，所述背板主体采用SRIO和PCIE数据通信协议。
在一些实施例中，所述背板主体上还设置有超级电容组，分别与所述背板主体、存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽电连接，用于在断电情况下为所述背板主体、存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽提供应急电源。
另一方面，本发明还提供一种航空无人机记录仪，其包括上述任一项实施例中所述的用于航空无人机记录仪的电路板。
本发明实施例所提供的电路板背板中通过设置可供安装接口板的接口板插槽，能够便于对该用于航空无人机记录仪的电路板背板进行接口扩展，从而解决了现有技术中航空无人机记录仪存在的接口单一的技术问题，而且由于是可以通过接口板插槽的方式进行灵活的扩展及配置，从而能够用于极大程度的降低航空无人机记录仪的接口扩展接配置难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于航空无人机记录仪的电路板背板的一实施例的结构示意图；
图2为本发明中存储板的一实施例的结构示意图；
图3为本发明中的存储板中的FPGA芯片与FLASH的组内控制线接口连接示意图；
图4为本发明中的存储板中的FPGA芯片与光纤模块的连接示意图；
图5为本发明中的接口板的一实施例的结构示意图；
图6为本发明中的协处理板的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，本发明提供一种用于航空无人机记录仪的电路板背板100，包括背板主体110，在背板主体110的一侧平行设置的存储板插槽111、接口板插槽112和协处理板插槽113，三个插槽分别包括了三个连接器P0、P1、P2，即CONNECTOR，亦称作接插件、插头和插座，一般是指电器连接器，即连接两个有源器件的器件，传输电流或信号。
其中，背板主体110采用SRIO(Serial RapidIO)、PCIE数据通信协议，各插槽之间通过背板主体110的内部的SRIO 4x和PCIE 2x信号线路相互通信连接。背板上还设置有电源模块，用于为背板主体110、存储板插槽111、接口板插槽112和协处理板插槽113供电。
本发明实施例所提供的电路板背板100中通过设置可供安装接口板的接口板插槽112，能够便于对该用于航空无人机记录仪的电路板背板进行接口扩展，从而解决了现有技术中航空无人机记录仪存在的接口单一的技术问题，而且由于是可以通过接口板插槽的方式进行灵活的扩展及配置，从而能够用于极大程度的降低航空无人机记录仪的接口扩展接配置难度。
在一些实施例中，为了防止紧急断电，背板主体110上还设置有超级电容组114，用于在紧急断电情况下为背板主体110、存储板插槽111、接口板插槽112和协处理板插槽113提供应急电源。
在一些实施例中，本发明公开了一种用于航空无人机记录仪的电路板，包括背板100、用于接收并存储来自协处理板和或接口板的数据信息的存储板200、用于连接外部信号采集设备(例如，可见光相机、雷达、红外相机)的接口板300和用于从接口板接收外部信号采集设备所采集的数据信息并进行处理的协处理板400。其中，背板100采用SRIO(SerialRapidIO)、PCIE数据通信协议。背板100的背板主体110上设置有分别用于安装所述存储板200、接口板300和协处理板400的存储板插槽111、接口板插槽112和协处理板插槽113，各插槽之间通过背板主体110的内部的SRIO 4x和PCIE 2x信号线路相互通信连接，从而当存储板200、接口板300和协处理板400分别安装到对应的插槽之后实现相互之间的通信连接。
背板主体110上还设置有电源模块，用于为背板100、存储板200、接口板300和协处理板400供电。此外，为了防止紧急断电，在背板主体110上还设置有超级电容组114，用于在紧急断电情况下为背板100、存储板200、接口板300和协处理板400提供应急电源。
在一些实施例中，每块板卡(存储板、接口板和协处理板)均载有一片NVSRAM连接到板载FPGA上，用于板卡在得不到断电通知，紧急断电的情况下，保存当前的工作状态，在记录仪重新上电之后，能够恢复现场。
本发明实施例所提供的电路板背板100中通过设置可供安装接口板300的接口板插槽112，能够便于对该用于航空无人机记录仪的电路板背板进行接口扩展，从而解决了现有技术中航空无人机记录仪存在的接口单一的技术问题，而且由于是可以通过接口板插槽的方式进行灵活的扩展及配置，从而能够用于极大程度的降低航空无人机记录仪的接口扩展接配置难度。
如图2所示，为本发明中存储板的一实施例的结构示意图，采用PCIE、SRIO、光纤等多种接口，其中，存储板200在通过存储板插槽111安装到背板100之后通过PCIE和SRIO接口与安装在背板100上的接口板300和协处理板400通信连接。
存储板200包括：存储板主体，
设置于存储板主体的一端的存储板插头(包括三个连接器P0′、P1′、P2′)，用于与存储板插槽111配合连接；
设置于存储板主体上的第三FPGA芯片，所述第三FPGA芯片与存储板插头连接，第三FPGA芯片为型号为XCKU040-1FFVA1156I的FPGA芯片；
与第三FPGA芯片连接的存储介质；具体地，采用16片MLC NAND型FLASH(MT29E2T08CTCCBJ7-6)，该16片FLASH与FPGA芯片连接作为存储介质，单板最高支持4TB的存储容量以及3.6GB/s的读写带宽；
与第三FPGA芯片连接的光纤模块组。
此外，还包括1片NOR FLASH(S29GL01GP13FFIV10)用于保存NAND坏块表等，容量为1Gbit，背板通信带宽不小于80Gbps，选用中航光电的最新双纤双向收发一体光模块HTS8508-NH-S002XX，板载4块光纤模块，实现40Gbps光纤通信。
存储板200采用NAND型FLASH作为存储介质，单板载有16片FLASH芯片，实现4TB的海量存储，采用ONFI 3.0标准NAND接口的DQ位宽为16bit，另有24位控制信号以及DQS信号。
如图3所示，为存储板中的FPGA芯片与FLASH的组内控制线接口设计示意图，板上共载有16片NAND型FLASH，分为2组，每组8片，每组DQ位宽为64bit。在NAND型FLASH的控制信号中，R/B由于采用集电极开路输出，所以可以线与。
在本存储板200中，将一组NAND型FLASH的R/B信号连在一起并通过一个电阻上拉至电源，用于分组控制，同时节约FPGA IO口资源。其它控制信号按照翻转率的不同，分别设计为1驱2、1驱8。由此实现NAND型FLASH接口的并行设计。
海量的雷达图像、红外图像、可见光视频数据等，采用光纤通信实现无人机记录仪数据的快速导出，也可以用作记录仪与外接模块数据交互。光纤通信基于中航光电的最新双纤双向收发一体光模块HTS8508-NH-S002XX，单块传输速率为10.3125Gbps，发射、接收中心波长均为850nm，+3.3V直流供电，发射部分信号引脚(TD+和TD-)与接收部分信号引脚(RD+和RD-)接口电平均采用标准交流CML电平。为提高传输速率，板载4块光纤模块，传输速率达40Gbps。
如图4所示，为存储板中的FPGA芯片与光纤模块(SFP)的连接示意图，采用FPGA最高速串行外设接口GTH与4个光纤模块连接，在PCB布线时对差分线阻抗进行严格控制，每对差分线需严格等长，误差在控制在0.1mil。
如图5所示，为本发明中的接口板的一实施例的结构示意图，接口板300采用PCIE和SRIO与背板100通信，从而实现安装在背板100上的存储板100和协处理板400之间的通信连接。
接口板300包括：接口板主体，
设置于接口板主体的一端的接口板插头(包括三个连接器P0′、P1′、P2′)，用于与接口板插槽112配合连接；
设置于接口板主体上的第一FPGA芯片，第一FPGA芯片与主板插头通信连接；
与第一FPGA芯片通信连接的扩展接口；
与第一FPGA芯片连接的图像压缩编码解码芯片。
其中，所述第一FPGA芯片为一片Xilinx7Series Kintex系类FPGA(XC7K160T-2FFG676I)，提供多路RS422接口、一路RS485接口以及一路RS429接口，实现对伺服系统、雷达图像接收、红外相机等模块的数据接收与控制，其中，多路RS422接口经DS26C31芯片连接至FPGA芯片，RS485接口经SN65HVD1780QDR连接至FPGA芯片，RS429接口经HI-8596芯片连接至FPGA芯片；ADV212为JPEG2000编解码器，完成红外、雷达图像的压缩与传输；SENSOR包括板载温度模拟检测电路、气压传感器、温度传感器和电压传感器，用于实现监控系统中的温度检测、密封舱内的气压信息、板卡上温度、电压的监控。
接口板300上还设计有用于接收红外相机图像信号的Cameralink接口(经LVDSBuffer连接至FPGA芯片)，为节省器件和走线面积，接口板300中的Cameralink接口设计弃用TI公司DS90CR288A芯片方案，直接通过Xilinx的FPGA中ipcore，实现红外相机图像信号的实时解析。
利用最新算法标准JPEG2000的专用图像压缩编码解码芯片ADV212，其主要由像素接口、小波变换引擎、熵编解码器、嵌入式处理器，存储器系统、内部DMA(Direct MemoryAccess)引擎和外部DMA引擎等组成，采用SRAM工艺，具有功耗低，成本低，延迟小等特点。在工作时，视频数据由12位像素接口输入，采样结果隔行输入小波变换引擎，然后采用5/3或9/7滤波器将每个图块分解成子图，得到的小波系数写入内部存储器，熵编解码器将数据编码程JPEG格式数据，DMA引擎提供存储器间的高带宽传输以及模块与存储器间的高速传输。
雷达图像由RS429接口输入，由FPGA配置图像压缩编解码芯片ADV212，完成雷达图像JPEG2000的压缩处理，并将处理后的数据通过RS422分时发出，同时将压缩后的红外图像通过底板上的高速传输接口送入存储板200。
接口板300的一路RS485接口，用于可见光相机控制。RS485采用差分传输(平衡传输)的方式，双向传输，半双工通讯，最高传输速率为10Mbps；RS485是RS422的半双工版本，T+/T-与R+/R-不同时存在，当发送信号时切换为T+/T-，当接收信号时，切换为R+/R-，传输方式与RS422一致。接口板选用TI公司两线制接口芯片SN65HVD1782-Q1，实现多点双向通信，信号速率可达到10Mbps，当线上电压>±30V时可自动保护。
接口板300上的RS422接口接收和发送独立，接口板300选用TI公司的4通道接口芯片AM26LV32I和AM26LV31I分别作为RS422接收和发送处理前端。RS422采用差分传输(平衡传输)的方式，电平方式为两个引脚A和B，发送端AB间的电压差在+2V～+6V之间表示1，电压差在-2V～-6V之间表示0；接收端AB间的电压差大于+200mV表示1，小于-200mV表示0。
接口板300上还设置有用于5路模拟量输入的接口(经AD7477芯片连接至FPGA芯片)，用于检测监控系统中的气压、温度、电压、电流和电源功耗。采用气压传感器用于监控密封舱内的气压信息，采用温度传感器用于监控板上温度，采用电压传感器用于监控板上的所有供电电源的电压，同时也通过电压传感器测量电流大小，从而得到电源功耗，使得系统能够监测到电源电压掉电、抖动，以及温度的异常，最终实现系统状态的实时采集和信息的上报，以确保无人机记录仪工作正常。
如图6所示，为本发明中的协处理板的一实施例的结构示意图，协处理板400包括：协处理板主体，
设置于协处理板主体的一端的协处理板插头(包括三个连接器P0′、P1′、P2′)，用于与协处理板插槽113配合连接；
设置于协处理板主体上的第二FPGA芯片，第二FPGA芯片与协处理板插头连接；第二FPGA芯片采用富含DSP的高性能FPGA(XCKU060-1FFVA1517)为计算和控制核心；
与第二FPGA芯片连接的多片SDRAM；具体地，采用16片总容量为16GB的DDR3SDRAM(MT41K1G8SN-125IT)，支持多种高速总线接口与低速总线接口，主要完成高清数字分量串行接口HD-SDI的数字相机图像接收，可见光相机图像压缩和JTAG链路的分配，并完成与其他板卡之间的数据交互；
与第二FPGA芯片连接的均衡器，以及与均衡器连接的数字视频信号输入接口；
与第二FPGA芯片通信连接的CPLD芯片，CPLD芯片还与协处理板插头连接。
协处理板400还提供一路小封装、高可靠性的SMA-KWHD连接器接口，接口阻抗为75欧姆，用于可见光相机HD-SDI数字视频信号的接入，并通过接口转换实现FPGA对串行数字信号的采集和处理。HD-SDI数字视频信号送入FPGA的GTH硬件模块实现，线上传输速率为1.485Gbps，GTH的参考时钟为148.5MHz。在连接器SMA-KWHD和FPGA之间加入线缆驱动器和线缆均衡器EQ。线缆均衡器EQ除降低信号抖动、提高信号完整性外，实现将75Ω的单端高频信号转换为50Ω的差分信号，以匹配GTH电平标准。
本协处理板400采用TI公司的LMH0344芯片实现。H.264压缩编码算法采用FPGA逻辑(IP核)实现。该IP核能够实时完成对输入图像的编码，图像输入格式4:2:0Ycbcr，可支持对1080P全高清射频进行H.264进行编码；最大数据速率240MBit/s。压缩后的视频数据通过背板100上的高速传输接口送至接口板，并通过RS422接口输出到显示设备，同时将压缩后的视频数据通过底板上的高速传输接口送入存储板200。
JTAG链路用于无人机记录仪中所有FPGA器件的调试和代码固化，为了同时调试多个板卡，所有JTAG链路中的信号都连接到复杂可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)上，CPLD通过板卡槽位检测信号去决定JTAG链路的串联情况，从而实现JTAG链的自适应和自动调整功能，使TDO->TDI为一个完整的通路。为了保证JTAG链路的稳定性，JTAG中TMS、TCK不再采用硬件一驱多的连接方法，直接由CPLD内部逻辑实现，TDO和TDI通过CPLD逻辑检测槽位信号，决定JTAG链路的自动组合方式，无需人为操作和改动硬件，同时缩短走线、减少了器件，降低了成本。。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于航空无人机记录仪的电路板，其特征在于，包括：
背板主体，
在所述背板主体的一侧平行设置的存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽，所述存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽之间通过所述背板主体内部的通信线路相互通信连接，以及
安装于所述接口板插槽的接口板，用于连接外部信号采集设备；
安装于所述协处理板插槽的协处理板，用于从所述接口板接收所述外部信号采集设备所采集的数据信息并进行处理；
安装于所述存储板插槽的存储板，用于接收并存储来自所述协处理板和/或所述接口板的数据信息。
2.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述接口板包括：
接口板主体，
设置于所述接口板主体的一端的接口板插头，用于与所述接口板插槽配合连接；
设置于所述接口板主体上的第一FPGA芯片，所述第一FPGA芯片与所述主板插头通信连接；
与所述第一FPGA芯片通信连接的扩展接口；
与所述第一FPGA芯片连接的图像压缩编码解码芯片。
3.根据权利要求2所述的电路板，其特征在于，所述扩展接口至少包括以下接口之一：多路RS422接口、一路RS485接口、一路RS429接口、红外相机信号接口和模拟信号输入接口。
4.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述协处理板包括：
协处理板主体，
设置于所述协处理板主体的一端的协处理板插头，用于与所述协处理板插槽配合连接；
设置于所述协处理板主体上的第二FPGA芯片，所述第二FPGA芯片与所述协处理板插头连接；
与所述第二FPGA芯片连接的多片SDRAM；
与所述第二FPGA芯片连接的均衡器，以及与所述均衡器连接的数字视频信号输入接口；
与所述第二FPGA芯片通信连接的CPLD芯片，所述CPLD芯片还与所述协处理板插头连接。
5.根据权利要求4所述的电路板，其特征在于，所述多片SDRAM为16片总容量为16GB的DDR3SDRAM。
6.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述存储板包括：
存储板主体，
设置于所述存储板主体的一端的存储板插头，用于与所述存储板插槽配合连接；
设置于所述存储板主体上的第三FPGA芯片，所述第三FPGA芯片与所述存储板插头连接；
与所述第三FPGA芯片连接的存储介质；
与所述第三FPGA芯片连接的光纤模块组。
7.根据权利要求6所述的电路板，其特征在于，所述存储介质包括16片NAND型FLASH。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电路板，其特征在于，所述背板主体采用SRIO和PCIE数据通信协议。
9.根据权利要求8所述的电路板，其特征在于，所述背板主体上还设置有超级电容组，分别与所述背板主体、存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽电连接，用于在断电情况下为所述背板主体、存储板插槽、接口板插槽和协处理板插槽提供应急电源。
10.一种航空无人机记录仪，其特征在于，包括：权利要求1-9中任一项所述的电路板。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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