0 引言

飞机的试飞测试由试飞测试系统来完成，试飞测试系统包括了机载和地面两大部分。机载测试系统通过采集器将传感器采集到的试飞所需数据进行记录，同时通过遥测发射/接收子系统，以无线电遥测的方式，从飞机上遥测传输到地面，进行数据的实时分析、处理和监控，以确保飞行试验安全、提高试飞效率^[1-2]。

目前，机载采集数据通常以PCM格式通过遥测网络收发设备和发射天线来实现空地数据传输。根据测试数据的传输需求，需要研制一种机载测试数据中继管理单元，来实现机载测试数据的格式转换、帧处理及数据转发，同时还可以实现对无线传输链路的管理及实时监控，以满足试飞应用需求^[3]。系统应用结构框图如图1所示。

1 总体架构设计

根据实际应用需求，机载测试数据中继管理单元设计实现的外部接口包括：2路千兆自适应以太网端口，用于机载采集数据到遥测网络数据交换；1路百兆以太网端口，用于管理机载无线网络收发机；2路RS232，用于遥测网络收发设备管理；4路RS422\TTL接收发送PCM数据。机载测试数据中继管理单元接收数据类型是机载以太网数据包、PCM数据。同时，满足机载环境下运行要求。

总体设计基于Xilinx Virtex5-FX70T FPGA、嵌入式Linux MontaVista操作系统。对机载测试数据中继管理单元的功能结构采用分层的结构进行设计，如图2所示。

(1)物理通信接口，主要实现嵌入式总线控制器的通信接口，包括RS232串口、存储接口、通信网口。

(2)CPU、一层简单交换IP核、底层FPGA逻辑硬驱动IP核以及PCM数据接收、发送核IP核，主要实现对通信接口的FPGA逻辑直接控制，FPGA逻辑实现aNET采集数据的处理与转发、数据通信接口、PCM数据接口。

(3)OS BSP板级支持包和驱动程序，主要实现各种数据接口及CPU硬件的屏蔽，对操作系统、应用程序和上层应用实现统一的访问接口，实现对设备的易访问性。

(4)嵌入式操作系统，主要提供一个有效的多任务的环境，实现对通信任务的实时高效调度与管理，进行有效的高精确度的时间管理，实现有效的内存管理，以高效的方式完成各种接口与应用程序之间的数据访问。

(5)Xps_ll_mac TCP/IP网络协议栈，主要提供对标准TCP/IP协议的支持，以实现Xps_ll_mac核与标准网络设备的通信，支持SNMP进行网络管理。V5_tri_mac ARP、UDP网络协议栈，实现V5_tri_mac 核ARP、UDP网络协议，支持SNMP进行网络管理^[4]。

(6)应用程序，即根据用户使用需求开发的上位机应用软件，通过调用相应的协议处理过程程序，完成无线链路的管理。

2 硬件电路设计

硬件电路主要由电源模块、数据处理模块组成，如图3所示。电源模块主要给机载测试数据中继管理单元提供电源，数据处理模块负责实现所有数据处理功能。

电路设计的核心是数据处理模块，其承担机载测试数据中继管理单元的所有数据处理功能。其主要由两部分组成，第一部分为接口板，主要为变压器、千兆以太网物理芯片以及电源芯片等构成的千兆以太网接收电路；第二部分为控制板，主要由FPGA、Flash、SDRAM、电源芯片等组成，负责实现机载测试数据中继管理单元数据处理的所有功能^[5]。数据处理模块原理框图如图4所示。

3 FPGA逻辑与片上系统设计

FPGA是数据处理模块的核心，在为外围芯片提供控制器的同时，也为嵌入式操作系统和应用程序提供运行平台^[6]，其片上系统设计如图5所示。

FPGA片上PoverPC440处理器(简称CPU)提供了PLB系统总线，各个逻辑模块以IP核的方式作为从器件挂载在PLB系统总线上受FPGA片上内部CPU控制，构成片上系统。此外，FPGA片上CPU内部集成DMA控制器，其提供了4个高速DMA数据通道接口，称为LocalLink接口。

作为PLB从设备连接的IP核，包括：片上三速自适应以太网MAC核(XPS_LL_Temac)、片上BRAM(XPS_BRAM)、RRD2存储控制器(PPC440_DDR2)、Flash控制器(XPS_Flash)、中断控制器(XPS_INTS)、串口核(XPS_UART)、自主设计的PCM数据接收核(XPS_PCM_RE)、自主设计的PCM数据发送核(XPS_PCM_RE)。

一个片上三速自适应以太网MAC核(XPS_LL_Temac)连接LocalLink接口，用作收发机管理接口。

自主设计的简单网络帧交换逻辑IP核(Switch模块)设计完成两个V5专用三态MAC核(V5_tri_mode_eth_mac)之间、MAC核与CPU之间的以太网数据帧交换[7]，实现aNET机载数据接口与收发机数据/中央地面管理接口的数据交换，同时实现从收发机数据/中央地面管理接口转发管理数据帧到处理器模块。

PCM数据处理模块包括PCM数据接收核(XPS_PCM_RE)子模块、PCM数据发送核(XPS_PCM_SEND)子模块。两个子模块独立工作，分别实现PCM转网络接收和网络转PCM发送的功能。

PCM数据接收核(XPS_PCM_RE)，其功能是接收解码PCM数据流。输入接口：PCM码流与时钟信号。输出接口：解码的PCM数据流以子帧对齐的方式通过PLB总线提交给PPC处理器模块。主要模块包括：码型判断子模块、码同步子模块、同步字比较子模块、PCM接收FIFO、PLB寄存器。

PCM数据发送核(XPS_PCM_RE)，其功能是生成PCM数据流。输入接口：PPC处理器模块生成的符合格式格栅要求的PCM数据、PLB设置寄存器。输出接口：RS422变压器/TLL变压器，输出PCM时钟与码流信号。主要模块包括：PCM发送FIFO、PLB寄存器、码型生成子模块、频率综合子模块。

4 嵌入式系统与软件架构

MontaVista嵌入式Linux提供了对机载测试数据中继管理单元FPGA片上PoverPC440处理器的支持，提供了针对PowerPC架构优化的Linux操作系统内核和文件系统以及完整的交叉编译开发工具链。针对机载测试数据中继管理单元的设计需求，完成FPGA片上系统操作系统内核配置、裁剪与编译。

在系统软件设计中，V5三态MAC核寄存器接口作为从设备挂到PLB内部总线，实现V5三态MAC核寄存器与PHY寄存器控制。当aNET接口设备网络连接状态改变后PHY连接状态寄存器值改变触发操作系统中断，中断响应程序通过V5三态MAC核寄存器驱动MAC_MDIO读取PHY连接状态寄存器值并重新设置MAC的连接速度与工作方式，实现10/100/1 000三态自适应功能。

PCM数据接收、发送核IP核也作为从设备挂到PLB内部总线，作为PCM数据接口实现应用程序对PCM数据进行处理。

简单交换IP核（Switch模块）驱动设计包含 Linux操作系统的LocalLink DMA外设操作。采用DMA 操作机制，允许外围设备和主内存之间直接传输其IO数据, 而不需要系统处理器的参与，大大提高外设与设备通信的吞吐量, 省去CPU大量计算开销。

机载测试数据中继管理单元应用软件开发采用模块化方式，完成对无线链路的管理^[8]。应用程序总体设计框图如图6所示，包括内部接口MIB树、SNMP管理主代理模块、MIB树管理处理模块、采集数据生成/交换模块4个子模块。

5 结束语

本文结合飞行试验的应用需求，采用FPGA与嵌入式Linux结合的设计方案，实现了一种机载测试数据中继管理单元的设计。FPGA可以实现底层硬件高速数据处理，并提供各种接口，保证设备运行性能；同时在FPGA上集合多种逻辑资源，有效减小了设备空间结构。Linux嵌入式操作系统满足复杂数据处理、设备配置与管理，为设备实现提供良好的设计灵活性。该设备在某型飞机试飞中应用测试，通过试验测试证明，设备达到全部设计指标，解决了型号试飞应用需求，取得了良好的应用效果。

参考文献

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[7] 刘清饶，王勇，宋博.新型机载高速数据通信系统设计[J].压电与声光，2006，2(28)：17-20.

[8] 陈勇.民用飞机机载软件管理[M].北京：航空工业出版社，2015.

作者信息:

吕 鸣，滕 斌

（西安中飞航空测试技术发展有限公司，陕西 西安710089）