基于FPGA多功能卡飛控系統外場測試設備的設計

胡靖楓

摘 要：飛控系統外場測試設備用于外場對飛控系統進行檢測、維護和系統軟件升級，為飛控系統的原位檢測和故障定位提供有效手段。同時，該測試設備依據飛控系統檢測項目，設計了針對各項檢測項目的一鍵智能測試模塊，可用于飛控系統地面開環聯試、環境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗等，具有人機界面友好看，操作簡單方便、設備體積小、易攜帶等優點，可大大提高飛控系統各項數據指標的檢測效率。

關鍵詞：測試設備;軟件升級;故障定位

引言：

該飛控系統外場測試設備核心板卡采用的是基于FPGA的多功能卡。多功能卡的使用，使系統架構更為簡單，可靠性有所提高。傳統MIL-1553總線、ARINC429系統總線設計都采用的是專用芯片來解決通訊問題，但隨著機電、航電技術的不斷發展，傳統的低集成度設計已經不能滿足新型機電、航電系統的設計要求。本文中設計的FPGA多功能卡內部資源豐富，通過VHDL語言完成改寫1553、429等協議，并對每一路收發通道配置了大容量FIFO，提高了多功能板卡的數據處理能力，同時有效的縮小了多功能板卡及測試設備體積，降低了飛控系統外場測試設備的成本。

1飛控系統外場測試設備硬件總體設計

飛控系統外場測試設備硬件結構主要以便攜式加固計算機為主體，其核心是一塊基于DSP+FPGA芯片的多功能卡。

該板卡可實現MIL-1553B總線收發、ARINC429總線收發、RS422收發、配平脈寬采集、離散量輸入輸出、AD采集、DA 輸出等多種功能，具有可靠性高，集成度高等優點。多功能卡硬件總體框圖如圖1所示：

多功能卡的設計主要是基于FPGA技術，以429，1553B總線為核心，并且兼有AD、DA，DI、DO、方波采集等功能。

PCI接口的內部結構，DM642片內集成一個主/從模式的PCI接口，它相當于專用的PCI接口芯片，這樣可以不必深究PCI總線規范，將研發工作重點放在系統FPGA技術功能的實現上。DSP可以通過這個接口實現與PCI主機的互連。

2 FPGA模塊

采用altera系列，Cyclone III EP3C120F484，FG484封裝，284個有效IO口，Cyclone III FPGA比競爭FPGA的功耗低75%，含有120K邏輯單元（LE），288個數字信號處理（DSP）乘法器，存儲器達到4Mbits，Cyclone III系列比前一代產品每邏輯單元成本降低約20%。在本模塊中采用多外部時鐘輸入，采用JTAG在線邏輯分析調試接口與AS下載口。

3 飛控系統外場測試設備軟件總體設計

3.1多功能卡嵌入式軟件設計

軟件設計主要是將底層的數據通過地址線讀取，然后將得到的值傳遞給API，由上層操作API得到數值，然后再對數據進行二次操作。

在這些操作中，我們進行的各種操作主要是Driver和對函數進行不同功能的封裝，然后對封裝的各種函數預留接口，以便上層調用。

對于429的功能，我們封裝了一部分數據傳輸，控制等功能的函數，對于1553同樣也有數據傳輸，控制等功能函數，將其封裝成API之后，調用只需要對API進行操作，找到相對應功能函數接口，這樣我們就能進行底層和上層的通信，通過這樣就可以操作429、1553的通信和數據傳輸。

3.2飛控系統外場測試設備應用軟件設計

3.2.1軟件架構

飛控系統外場測試設備應用軟件使用Windows XP操縱系統，采用基于Visual Studio 2005的人機交互界面，采用HL-1553B、ARINC429、RS422、RS232數字通訊，以及DA＼AD、離散量輸入＼輸出、配平方波采集等技術，完整的模擬了機載組合導航系統信號、備份航姿信號、大氣計算機信號以及無線電高度表信號;同時可對系統的伺放輸入＼輸出信號、配平信號、離散量信號、電源系統進行實時監控。該外場測試設備還具備激勵施加計時功能，可一鍵完成系統的開環性能檢測。

3.2.2軟件功能模塊

應用軟件架構如圖4所示。

應用軟件軟件部分主要由系統自檢、功能模塊和多功能卡驅動管理三部分組成。

功能模塊為飛控系統外場測試設備應用軟件的重點設計部分，這一模塊又分為航電系統功能模擬模塊、一鍵測試模塊和數據顯示模塊，其中，系航電系統功能模擬模塊主要完成模擬航電系統所能產生的所有信號，輸出給飛控計算機，完成航電信號的模擬。同時可以完成包括故障在內的傳感器信號采集，以檢驗系統的開環特性。一鍵測試模塊具備系統功能檢測激勵自動施加、計時、停止功能，同時采集系統伺放輸出，完成系統角位置信號傳動比等檢驗項目的一鍵測試。數據顯示模塊為實時顯示系統內部各數據運行狀態數據，如各桿系離散量接通斷開狀態、伺放輸入、伺放輸出、配平信號等數據。

多功能卡驅動管理測試模主要完成對底層數據板卡驅動進行管理。根據多功能卡信號的不同可分為數字量、模擬量、通訊三部分。其中，數字量采集可分為DI、DO及方波信號采集三部分，模擬量采集可分為A/D、D/A兩部分，總線可分為MIL-1553，ARINC429、RS422等。

4 結論

以上從工程實現的角度出發，為了外場對飛控系統進行檢測、維護和系統軟件升級以及系統各項試驗設計了該測試設備。該測試設備主要技術創新點如下：

選用便攜式加固計算機為外場測試設備平臺，以及為飛控系統測試環境設計的多功能接口卡，提高了設備的集成性及可靠性，具有功能強、體積小、運行可靠、信號接口豐富等優點，并且具有較高的便攜性及環境適應性;

應用軟件采用智能化設計，具有自動、快速的系統功能檢測和故障定位功能，軟件基于Visual Studio 2005的人機交互界面，功能全面、操縱簡單，并根據系統開環測試流程設計的測試模塊，可一鍵完成飛控系統的開環性能檢測。

參考文獻：

[1] 韓沖. 一種智能ARINC429總線接口板的硬件設計與實現[J].裝備制造技術，2012.04.065

[2] 管濤 熊華鋼 羅志強. 基于1553B總線的接口適配器的設計[J].測控技術。2003.09.013