基于3G通信網機載飛行記錄數據無線傳輸系統設計

賈宏亮，王璐璐

（1.北京航空航天大學 北京 100191；2.北京航空工程技術研究中心 北京 100076）

隨著航空技術迅速發展，民航飛機運輸任務量越來越大，飛機的出勤率越來越高，軍航飛機對二次起飛準備時間也要求越來越短，飛機的飛行記錄系統的數據可以用來對飛機技術狀態健康安全監控、對飛行人員操縱水平的判讀，軍航還可以將這些數據結合其它技術手段，融入到指揮系統，可以可視化飛機在訓練或者演習中的飛行情況。目前大多數軍民航機載飛行紀錄數據的獲取都是通過機務工作人員攜帶便攜式地面設備到停機坪從飛機上用電纜連接機載飛行記錄系統設備下載數據或者直接將機載飛行記錄系統的轉存盤/存儲卡拆卸下來獲取數據[1-6]。3G網絡UMTS業務目前已得到飛速發展，數據傳速速率也越來越大，依托3G網將機載飛行記錄數據傳輸到地面飛行數據管理站，面對飛機數量多和出勤率高的情況下，能提高工作效率，減小飛機再次起飛的準備時間，還能實現地面飛行數據管理站的地理位置設站不受和它與飛機停機坪之間的距離限制。

1 系統工作原理

基于3G通信網機載飛行紀錄數據無線傳輸系統工作原理示意圖如圖1所示，在飛機飛行結束飛機著陸后，此系統將讀取機載飛行紀錄數據，并經過處理后，依托3G通信網將飛機飛行記錄數據以無線方式傳輸到地面飛行數據管理站。

圖1 系統工作原理示意圖Fig.1 The working principle diagram of the system

2 系統硬件設計

硬件系統主要由ARM920T為內核的S3C2440位處理器，以太網控制器DM9000，串口接口電路MAX3232、MAX488，加密芯片LKT4300，WCDMA模塊EM770W和供電控制電路組成，系統硬件結構圖如圖2所示。

2.1 飛行數據通信控制接口

目前機載飛行紀錄系統的數據接口主要有RS232、RS422和以太網這3種，S3C2440微處理器片上具有3通道的UART，選其中的2路分別外掛MAX3232和MAX488實現串口讀取數據，S3C2440具有1G的空間地址，并且把他們劃分成了8個bank區 （bank0-bank7），可以選取其中一個bank區的控制線nGCSx作為以太網控制器DM9000的片選信號，S3C2440的低16位數據線直接外掛DM9000的16位地址線，S3C2440具有豐富的中斷源，選其中一個中斷INTx外掛DM9000的外部中斷接口，因為是雙字節對齊，可以用S3C2440的ADDR2地址線來外掛DM9000的CMD控制線。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.2 飛行數據加密電路

S3C2440片上具有兩通道的SPI，為了將非保密數據進行加密，加密芯片LKT4300和S3C2440通過SPI通道建立它們之間的通訊，同時LKT4300要求必須將自己設為主模式，S3C2440設為從模式。

2.3 3G模塊外圍電路

選用 3G 模塊 EM770W，EM770W 支持 UMTS、EDGE、GPRS和GSM業務，其中UMTS業務里，HSPA能力已經達到上行2 Mbps，下行7.2 Mbps的速率，EDGE達到236.8 kbps的速率，GPRS達到了53.6 kbps的速率。EM770W模塊是以mini-PCI物理接口，含有USB接口控制線，USIM卡接口控制線，S3C2440片上USB控制器外掛EM770W的USB接口控制線，實現它們之間的通訊。同時用EM770W的USIM卡接口控制線設計外掛USIM卡電路，EM770W模塊具主集和分集兩個天線SMA形式的接口，兩個天線阻抗必須選擇50ohm的特性阻抗的電纜和天線，推薦使用增益大于1dBi的天線。

2.4 系統供電控制

飛機上的供電電網一般為115 V 400 Hz或者27 VDC，此處設計應用飛機27 VDC供電網絡。因為飛機在飛行結束后才需要獲取機載飛行紀錄數據，并且在飛機在高空中不能接收到3G基站的信號，同時為了滿足飛機的飛行安全管理要求，因此要求確保此機載飛行紀錄數據無線傳輸系統只能是飛機在地面的情況下才能工作，所以引用飛機在地面時飛機起落架空-地狀態信號和起落架艙門開關狀態信號二者的與邏輯來控制給此無線傳輸系統供電。

系軟件部分主要包括建立和機載飛行數據記錄系統的RS232、RS422和以太網通訊模塊，數據加密模塊和3G無線傳輸模塊，它建立在以Linux體系結構上，Linux內核功能強

3 系統軟件設計

大，源碼開放，在開發以太網、串口、USB等接口的驅動程序比較靈活[7]，而且內核源碼開放，內核編譯配置參考資源較多，方便剪裁，能減小軟件的開發難度。

3.1 通信模塊

系統上電后，S3C2440完成系統初始化，開啟數據通信進程，查詢串口或者以太網接口是否有數據發送過來，在響應到串口和以太網的發送的中斷請求后，開始接受串口或者以太網數據，并對數據進行分析處理，控制流程如圖3所示。

圖3 通信模塊流程圖Fig.3 Flow diagram of communication module

3.2 數據加密模塊

LKT4300 芯 片 支 持 DES/TDES/AES，RSA，ECC 加 密 算法，對于非保密數據加密可以用其算法[8]。在LKT4300的內操作系統定義了幾個函數，可以方便用戶的開發，LKT4300中為用戶提供額外16K字節的NVM（非遺失存儲器）數據存儲器，地址范圍0x0000-0x4000，用戶可以在程序中調用NVM讀寫函數操作這個區域，在這里實現用DES通用加密算法。

讀寫NVM區函數

extern void LK_WriteNvm（u16 addr， u8*buf，u8 len）；

extern void LK_ReadNvm（u16 addr， u8*buf，u8 len）；

addr代表地址，buf代表要讀寫的數據，len是長度。

取隨機數函數

Extern void LK_GetRanddom（u8*buf， u8 len）；

buf代表取出來的數據，len是要去的長度

DES加解密函數

extern void LK_DESEncrypt （u8*plain， u8*k， u8*cipher）；

extern void LK_DESDecrypt （u8*plain， u8*k， u8*cipher）；

plain代表要加密的數 ，k是密鑰，cipher是加解密運算后的結果。

LKT4300和S3C2400建立SPI通信接收完命令后，LKT4300內操作系統接管數據，直接進入u32 APP_FUCTION（）函數，開始解析S3C2440的指令，然后運行算法函數，算法函數處理完畢，LKT4300馬上返回數據，如下圖4所示。

圖4 數據加密功能框圖Fig.4 Data encryption function block diagram

3.3 3G無線傳輸模塊

3G模塊EM770W使用的USB驅動的VID為0x12d1，PID為0x1001，在PC端映射出3個端口，分別為:3G MODEM端口，承載AT指令，主要用于發起數據業務；3G PC UI Interface端口，承載AT指令，主要用于MODEM口被占用的情況下用端口進行AT命令的操作；3G Application Interface端口，承載DIAG任務。

3G模塊在Linux體系下的USB驅動開發需要usbmodeswitch-1.2.6，libusb-0.1.12.tar.gz，libcap-0.9.8.tar.gz，ppp-2.4.4.tar.gz和arm-linux交叉編譯器等GNU軟件包，此處要求Linux內核至少是2.6以上的版本。

S3C2440主程序對EM770W模塊進行初始化設置，完成分配的IP地址，USIM卡的檢測，接入網關，設置3G網絡注冊提示，檢測并連接網絡等工作。當系統接入3G網后，采用TCP/IP傳輸協議來實現數據的傳輸。

4 結 論

基于3G通信網機載飛行記錄數據無線傳輸系統，應用成熟的ARM920T處理器，和3G模塊，它體積小，耗電小，成本低，能可靠安全的通過3G通信網把機載飛行記錄數據傳輸到地面管理站。它的設計架構里，只需將加密算法、或者3G終端改為其它無線傳輸終端依托其他專用通信網，就能滿足其它情況下的機載飛行記錄數據的無線傳輸，具有較強的實用設計參考價值。

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