一种基于ARM+FPGA架构的机载信息管理处理机设计方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于ARM+FPGA架构的机载信息管理处理机，属于机载航空电子系统领域。本发明专利技术包括机箱和外部J599连接器，机箱内设置有包括信息综合处理模块、RS422接口模块、RS232接口模块、ARINC429接口模块、音频信息处理模块、电源模块，其接口输出采用不同型号的J30J连接器连接到J599连接器上，处理机内部模块IO接口通信和电源供电采用PC104接口完成。核心处理模块为信息综合处理模块，模块主控采用ARM+FPGA架构设计方式，有效提升机载信息管理处理机的通信速率、响应速度和稳定性，提高数据总线的带宽。本发明专利技术采用PC104规格的高密度、小尺寸的模块化分布式系统设计，可实际需求增减修改模块，有效实现了标准化、模块化、小体积、低功耗、易拓展的机载信息高速和连续的信息处理平台。信息处理平台。信息处理平台。

【技术实现步骤摘要】
USB接口、一个3.5mm音频接口、一个CAN总线接口、若干备用接口和一对电源输入接口。
[0008]所述信息综合处理模块用于完成整个系统的控制及对来自各模块数据的处理，所述 RS422接口模块用于完成与外部多种机载设备如电台、显控机等数据传输，所述 ARINC429接口模块用于完成外部多种机载设备如雷达、惯导、大气机等数据传输，所述音频信息处理模块用于完成语音控制指令的接收、处理和音频的存储、播放功能，所述电源模块用于接收处理外部输入电源并为整个系统提供各自所需的工作电源，所述板间连接器PC104用于实现机载信息管理处理机内部各模块之间的供电和通信，所述外部航插J599用于连接机载信息管理处理机和机载设备，实现机载信息管理处理机与外部机载设备通信。
[0009]其中，所述RS422接口用于连接外部机载设备如电台、显控机等，所述ARINC429 接口用于连接外部ARINC429板卡，所述Ethernet接口用于完成系统调试和软件升级，所述RS232调试接口用于系统的联调联试，所述RS232音频接口用于输入语音处理的控制指令，所述Micro USB接口用于语音处理模块音频软件升级，所述3.5mm音频接口用于输出音频信号，所述CAN总线接口是机载信息管理处理机预留的通用接口，所述其他备用接口用于备用拓展，所述电源输入接口用于给系统提供输入电压。
[0010]进一步的是，所述信息综合处理模块主控采用ARM+FPGA设计方式，FPGA实现 RS422、ARINC429接口协议转换和数据的接收与发送，ARM主要完成对整个系统的控制并完成数据处理。ARM与FPGA之间通过通用内存控制器(GPMC)总线进行数据交互。
[0011]进一步的是，所述RS422接口模块采用FPGA和接口协议芯片设计，实现7发7 收的串行收发逻辑，所述ARINC429接口模块采用FPGA和接口协议芯片设计，实现6 发6收的串行收发逻辑。
[0012]进一步的是，所述音频信息处理模块采用ARM+语音模块设计方式完成语音检索、处理和输出。音频信息处理模块采用串口方式完成音频信息的处理和控制的指令接收。语音控制指令可通过设计的外部RS232音频接口外部输入，也可由内部RS232接口由机载信息管理处理机内部输入。
[0013]进一步的是，所述电源模块输入为28VDC，输出为12VDC和5VDC。
[0014]进一步的是，所述外部机载设备包括机载电台、显控机、雷达、惯导、无线电高度表、大气机、航姿等设备。
[0015]进一步的是，所述机载信息管理处理机要处理的数据包括电台数据，显控机数据，雷达数据，惯导数据，无线电高度表数据，RS422接口数据，ARINC429总线数据和RS232 语音控制指令数据等。
[0016]进一步的是，所述机载信息管理处理机采用Vincenty算法进行雷达目标定位，计算显示雷达目标的经纬度信息。
[0017]进一步的是，机载信息管理处理机主控模块采用Linux操作系统，系统处理程序采用基于C语言编程实现。
[0018]进一步的是，所述机载信息管理处理机机箱的尺寸为198.3mm
×
110mm
×
80mm。
[0019]本专利技术的有益效果如下：
[0020]本专利技术基于ARM+FPGA，完成了机载信息综合处理模块、RS422和ARNIC429接口模块等相关软硬件设计工作，设计的机载信息管理处理机能够实时处理机载电台、显控机、雷达、导航系统等相关设备的信息，并根据系统通信协议的要求完成各类型系统数据的实时
接收、解析、处理、检索和发送任务，设计的机载信息管理处理机具有体积小、功耗低、使用灵活、移植方便、性能稳定等特点，可以推广应用到其他相关信息管理的系统。
附图说明
[0021]图1为本专利技术方法系统结构示意图
[0022]图2为本专利技术方法中PC104总线连接示意图
[0023]图3为本专利技术方法中信息综合处理模块原理图
[0024]图4为本专利技术方法中系统主程序流程图
[0025]图5为本专利技术方法中RS422数据处理流程图
[0026]图6为本专利技术方法中ARINC429总线数据处理流程图
[0027]图7为本专利技术方法中RS232数据处理流程图
具体实施方式
[0028]下面结合附图对本专利技术做一步说明
[0029]如图1所示，一种基于ARM+FPGA架构的机载信息管理处理机，包括机箱和各个功能模块。各个功能模块包括通信连接的信息综合处理模块、RS422接口模块、 ARINC429接口模块、音频信息处理模块、电源模块，各个模块之间采用PC104接口完成板间通信和电源供电，各个模块输出接口则通过不同型号的微矩形连接器连接到J599 连接器上。J599连接器输出接口包括七个RS422接口、六个ARINC429接口、一对电源正负极输入接口、一个Micro USB接口、一个3.5mm音频接口、一个CAN总线接口、若干备用接口。
[0030]其中，信息综合处理模块用于完成整个系统的控制及接收各模块的数据并进行处理， RS422接口模块用于完成与外部多种机载设备如电台、显控机等数据传输，ARINC429 接口模块用于完成与外部多种机载设备如雷达、惯导、大气机等数据传输，音频信息处理模块用于完成语音控制指令的接收、处理和音频的存储、播放功能，电源模块用于接收处理外部输入电源并为整个系统提供合适的工作电源。J599连接器用于连接机载设备和机载信息管理处理机，实现机载信息管理处理机与外部机载设备通信。
[0031]其中，RS422接口用于连接外部机载设备如电台、显控机等，ARINC429接口用于连接外部ARINC429板卡，Ethernet接口用于升级应用程序、系统调试和设备通信，RS232 调试接口用于系统的联调联试，RS232音频接口用于输入语音控制指令，3.5mm音频接口用于输出音频信号，Micro USB接口用于程序或者音频文件升级，CAN总线接口用于提高机载信息管理处理机的通用性而预留，若干备用接口用于备用拓展，电源输入接口用于给系统提供输入电压。
[0032]如图2所示，为便于实现小型化和模块化设计要求，系统各个模块采用PC104总线设计方式进行连接，利用PC104总线完成内部供电和系统数据交换和控制功能。此外，为实现与外部设备数据控制交换，系统针对信息综合处理模块、RS422接口模块、 ARINC429接口模块和音频信息处理模块的输出信号的接口要求以及实际使用过程中防止连接器误插错的需求，采用不同型号的微矩形连接器完成各个模块和J599连接器之间的连接，以层叠方式安装固定在机箱内，可实现即插即用。最终各个模块通过J599 连接器接口实现与外部机载设备通信、控制和数据交换等功能。
[0033]如图3所示，信息综合处理模块设计采用ARM+FPGA核心板，核心板采用TI公司的ARM处理器AM4379完成对整个系统的数据处理和控制，采用Xilinx公司FPGAXC6SLX本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于ARM+FPGA架构的机载信息管理处理机设计方法和装置，其特征在于包括以下几部分：下面结合附图对本发明做一步说明如图1所示，一种基于ARM+FPGA架构的机载信息管理处理机，包括机箱和各个功能模块。各个功能模块包括通信连接的信息综合处理模块、RS422接口模块、ARINC429接口模块、音频信息处理模块、电源模块，各个模块之间采用PC104接口完成板间通信和电源供电，各个模块输出接口则通过不同型号的微矩形连接器连接到J599连接器上。J599连接器输出接口包括七个RS422接口、六个ARINC429接口、一对电源正负极输入接口、一个Micro USB接口、一个3.5mm音频接口、一个CAN总线接口、若干备用接口。其中，信息综合处理模块用于完成整个系统的控制及接收各模块的数据并进行处理，RS422接口模块用于完成与外部多种机载设备如电台、显控机等数据传输，ARINC429接口模块用于完成与外部多种机载设备如雷达、惯导、大气机等数据传输，音频信息处理模块用于完成语音控制指令的接收、处理和音频的存储、播放功能，电源模块用于接收处理外部输入电源并为整个系统提供合适的工作电源。J599连接器用于连接机载设备和机载信息管理处理机，实现机载信息管理处理机与外部机载设备通信。其中，RS422接口用于连接外部机载设备如电台、显控机等，ARINC429接口用于连接外部ARINC429板卡，Ethernet接口用于升级应用程序、系统调试和设备通信，RS232调试接口用于系统的联调联试，RS232音频接口用于输入语音控制指令，3.5mm音频接口用于输出音频信号，Micro USB接口用于程序或者音频文件升级，CAN总线接口用于提高机载信息管理处理机的通用性而预留，若干备用接口用于备用拓展，电源输入接口用于给系统提供输入电压。如图2所示，为便于实现小型化和模块化设计要求，系统各个模块采用PC104总线设计方式进行连接，利用PC104总线完成内部供电和系统数据交换和控制功能。此外，为实现与外部设备数据控制交换，系统针对信息综合处理模块、RS422接口模块、ARINC429接口模块和音频信息处理模块的输出信号的接口要求以及实际使用过程中防止连接器误插错的需求，采用不同型号的微矩形连接器完成各个模块和J599连接器之间的连接，以层叠方式安装固定在机箱内，可实现即插即用。最终各个模块通过J599连接器接口实现与外部机载设备通信、控制和数据交换等功能。如图3所示，信息综合处理模块设计采用ARM+FPGA核心板，核心板采用TI公司的ARM处理器AM4379完成对整个系统的数据处理和控制，采用Xilinx公司FPGA XC6SLX16完成ARINC429接口电路、RS422接口电路的信号的预处理，ARM与FPGA之间通过GPMC总线进行数据交互。同时，信息综合处理模块根据系统需要设计了ARINC429接口、RS232接口、USB接口、CAN总线接口、EMMC FLASH接口、TF卡、Ethernet接口、电源等电路。其中，信息综合处理模块中的FPGA与ARINC429接口电路协议芯片采用Holt的HI
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3225，通过高速HSPI与FPGA进行通信；RS232接口电路采用工业级芯片MAX3232，实现RS232接口信号和TTL信号的电平转换；USB接口则直接从核心板引出到微矩形连接器上，同时USB接口的VBUS设计限流开关以防止后端短路；CAN总线接口采用工业级芯片TCAN332GDCN，实现CAN总线接口信号和TTL信号的电平转换；EMMC FLASH接口采用工业级EMMC芯片MTFC8GAMALBH，通过SDIO接口与ARM连接实现容量的扩展；TF卡接口电路实现对TF卡接口的电气保护，可利用此接口对系统升级，同时
可存储数据；Ethernet接口电路采用工业级PHY芯片KSZ9031RNXIA，用来快速升级应用程序，并可作为调试接口来调试；CAN总线接口、Ethernet接口、USB接口用于和外部系统交互的备用接口，同时Ethernet接口也可用于系统应用程序的升级和后续系统的联调联试。电源电路采用两片DC
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DC芯片SY98103A，将12V电源分别转换为5V和3.3V电源后提供给核心板以及外围器件供电。同时，RS422接口模块与外部接口模块设计采用TI的接口芯片SN65HVD77DR，实现微矩形连接器的RS422接口信号与PC104板间连接器的TTL电平之间的转换。ARINC429接口模块与外部输出电路接口设计主要由ARINC429接口接收器HI
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8450和发送器HI
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8597组成。HI
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8450接口芯片将微矩形连接器接收的ARINC429接口电平转换为TTL电平连接到PC104板间连接器，HI
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8597接口芯片将PC104板间连接器传输来的TTL信号转换为ARINC429接口电平连接到微矩形连接器。音频信息处理模块核心芯片采用32位ARM芯片STM32F103来实现高速语音信号处理控制，音频存储器配置采用2Kb片内程序EEPROM和1M字节的片外程序SRAM。音频信息处理模块支持1路语音信号处理输出，并支持单端语音信号放大。为实现音频信息处理模块能够分别接收信息综合处理模块和外部其他系统的控制指令，音频信息处理模块设计了两路RS232接口电路。RS232接口电路采用工业级芯片MAX3232E
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Q1，实现RS232接口信号和TTL信号的电平转换。机载信息管理处理机与外部机载设备之间的通信功能采用RS422接口和ARINC429接口。因此，为满足机载系统设备之间与RS422和ARINC429两个接口之间数据传输的并发性需要，本发明采用FPGA完成两种接口相关数据的并发和接收功能。RS422接口设计采用协议芯片SN65HVD77DR，ARINC429接口设计采用协议芯片HI
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8450和HI
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8597，通过RS422和ARINC429两个接口与FPGA进行通信，而ARM和FPGA之间则通过GPMC总线进行数据传输。具体处理流程为，机载信息管理处理机通过RS422和ARINC429接收的数据首先由RS422接口设计采用协议芯片SN65HVD77DR和ARINC429接收芯片HI
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8450接收，然手接收到的再传输到FPGA，当FPGA获取数据后存储到FPGA内部缓存区中，当满足FPGA的数据存储半满状态时，则FPGA产生中断指令给ARM，随即ARM响应中断并通过GPMC总线读取FPGA缓冲区半满数据，实现RS422和ARINC429数据的接收功能。当ARM完成相关数据的接收后，用户可通过编写的系统软件程序，控制机载信息管理处理机完成协议解析和逻辑计算，再将经过ARM处理过的数据通过GPMC总线写入到FPGA内部寄存器中，再通过RS422接口芯片SN65HVD77DR和ARINC429接口芯片HI
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8597传输到外部机载设备中，实现RS422和ARINC429接口的数据发送功能。需要说明的是，本发明设计的机载信息管理处理机能够处理的外部机载设备包括机载电台、显控机、雷达、惯导、无线电高度表、大气机、航姿等设备，并兼容目前主流的其他航空机载电子外设设备。下面结合机载信息管理处理机的实际应用对本发明软件设计进一步说明。系统软件设计主要完成机载信息管理处理机对外部机载设备数据的接收、处理和转发。外部机载设备数据主要包括电台和显控机等通过RS422串口发送的信息，还包括雷达、惯导、无线电高度表、大气机、航姿等通过ARINC429串口发送信息。同时，音频信息处理模块还需要处理由机载信息管理处理机通过RS232串口发送至音频信息处理模块的语音控制指令。
如图4所示，为系统主程序流程图。主程序运行后，首先完成程序初始化，包括引用头文件、调用函数库、定义子函数、初始化参数和初始化串口等；然后进入RS422和ARINC429接口数据处理循环以读取当前串口数据；当接收一字节数据后，主程序需要根据接收到的RS422和ARINC429接口解析的信息，完成相关RS422和ARINC429接口数据的子程序处理功能；当按下退出键时，退出当前循环并释...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，何自豪，刘洁，罗华，陈家福，周立辉，郭霖佯，李欣琦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：