一種機載數字地圖模塊的硬件設計

馬鑫哲　錢軍琪　付潔　許逸飛

摘要：數字地圖模塊主要用于執行與數字地圖相關的數據處理和存儲任務。該文針對飛機航路規劃的技術需求，完成了一種機載地圖模塊的硬件設計。該模塊由基板、電子盤和處理器子卡三部分組成，具有功耗低、處理能力強、存儲容量大、存儲讀寫速度快等特點，能夠滿足實際機載系統的應用需求。

關鍵詞：數字地圖模塊;數據處理;低功耗;航路規劃

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）06-0231-02

Abstract： Digital map module is used to process and store data for digital maps. According to technical demand of aircraft route planning， an airborne digital map module is designed. The module consists of basal plate， electronic hard disk and processor sub-card， characterized as low power consumption， strong processing ability， large storage capacity， fast read/write speed and so on， which can meet the requirements of avionics system.

Key words： digital map module; data processing; low power consumption; route planning

數字地圖模塊用于存儲數字地圖，并和地圖進行高速數據查詢和交互，可以計算區域的最高點、坡度等信息。在線航路實時規劃與重規劃技術是自主飛行控制系統的關鍵技術[1，2]。目前，航路規劃任務數據計算和搜索量不斷增大、存儲的讀寫實時性要求不斷提高，對機載數字地圖模塊的功耗、處理能力和存儲性能提出了更高的要求。本文針對這一技術需求，進行了適用于飛機航路規劃任務的數字地圖模塊硬件設計。

1 硬件總體框架

由于數字地圖模塊只用于存儲數字地圖，不需要進行顯示，因此地圖板無須設計GPU。考慮到數字地圖數據需要讀取和處理，因此采用通用處理器子卡加電子盤的架構。本文設計的數字地圖模塊的硬件總體框架如圖1所示，由基板、電子盤和處理器子卡三部分組成。基板部分主要實現電壓轉換、數據加載、工作模式切換、供電監測等功能。電子盤和處理器子卡通過連接器與基板連接。電子盤有兩種模式：正常工作模式和加載模式。正常工作模式下，電子盤通過SATA2.0與處理器子卡通信;加載模式下，通過USB3.0從外部向電子盤內部傳輸數據。電子盤部分支持28V銷密功能，負責數據存儲。處理器子卡部分主要完成數據處理功能，對外提供RS232、以太網、離散量信號和PCIE接口。

2 基板硬件設計

基板部分包括電壓轉換電路、時鐘電路、離散量驅動電路、USB轉SATA電路和切換開關電路。

整個基板采用兩路5V供電。一路5V供電經LTM4600降壓為3.3V后給處理器供電，并通過MSP430單片機對LTM4600進行輸出電壓監測;另一路5V供電經TPS74401降壓為3.3V后，給USB轉SATA器件供電。兩路5V經過電源管理芯片TPS25940ARVCT后，共同給電子盤供電，使得在兩種工作模式下電子盤均能正常工作，而且在供電出現問題時，可及時將2路5V供電切除，確保電子盤數據存儲的安全性。

基板給處理器子卡提供兩路100MHz差分時鐘。處理器子卡對外提供離散量接口，并用光耦GH281-4（JCT）進行隔離。離散量主要實現模塊工作狀態設置、模塊ID設定等功能。

USB轉SATA器件選用INITIO的3619PLIB4GSCD。該USB轉SATA器件支持USB3.0同時兼容USB2.0。電路設計中選用IP4220CZ6和TPD4EUSB30DQAR對USB接口進行ESD保護。電子盤兩種工作模式通過高速雙向無源開關HD3SS3411進行切換，并利用MSP430單片機對其進行控制。

3 電子盤硬件設計

電子盤部分主要實現大容量存儲功能，并支持28V銷密。按功能主要分為RAID電路和SM9A84存儲電路兩大部分。電子盤子卡設計框架如圖2所示。

電子盤子卡包含四個相同的SM9A84存儲電路，每個SM9A84存儲電路實現256GB容量存儲功能，4個部分共計實現1TB容量存儲。SM9A84是深圳國微電子有限公司自主研發的固態硬盤控制器芯片，采用ARM 926EJS嵌入式處理器，支持SATA2.0接口和USB2.0接口，帶有32MB、64MB、或128MB SDRAM，支持ECC校驗糾錯，兼容主流廠商的SLC、MCL NAND Flash。每一部分的SM9A84存儲電路包含有系統SDRAM存儲器、加載用SPI FLASH存儲器和數據存儲NAND FLASH存儲器。SM9A84存儲電路需要的電源種類分別為3.3V和1.2V，設計采用一片LTM4644實現。

4 處理器子卡硬件設計

處理器子卡部分主要包括處理器電路、存儲器電路、FPGA控制電路、結溫監測電路、復位電路、電壓轉換電路和各種接口電路等。處理器子卡設計框架如圖3所示。

飛機航路規劃的具體應用要求處理器具有較高的性能功耗比，能夠在自然散熱的情況下工作。此外，航路規劃任務計算量大，搜索量大，對浮點運算性能要求較高。綜合各方面考慮，選用T1022處理器。該型號處理器集成兩個e5500內核，最高主頻1.4GHz，設計主頻1.2GHz，處理能力為7200MIPS，性能功耗比為1600MIPS/W。采用該處理器，利用其豐富的外圍接口，可方便實現SATA、以太網和PCIE等接口。

處理器外圍存儲電路包括DDR3 SDRAM存儲器、FLASH存儲器和NvRAM存儲器。DDR3存儲器采用micron公司的MT41K256M16TW-107 AAT DDR3存儲器，每片存儲器容量512MB。其時鐘頻率最大可以達到800MHz，設計降頻到600MHz工作。系統FLASH采用1片256MB的S70GL02GS11FHI010實現，通過CPU的IFC總線進行訪問。系統FLASH上存有BIT測試程序、FLASH在板編程程序、操作系統等系統軟件，用于處理器的啟動。NvRAM選用一片128KB的EV2A16AMNYU35，用于系統掉電保護。該器件部集成SRAM和EEPROM。掉電時，將SRAM中的數據寫入EEPROM中;上電時可自動將數據從EEPROM寫入SRAM中，恢復掉電時的數據。

FPGA選用Xilinx公司Spartan-3 XC3S200AN-4FTG256I，實現模塊內部控制邏輯以及局部總線接口轉換。主要功能包括：Flash存儲器控制邏輯、中斷控制電路、復位邏輯、看門狗邏輯和離散量控制邏輯等。測溫電路選用ADT7461ARM器件，實現對處理器結溫的監測。復位電路由MAX706TESA實現，保證FPGA加載過程中，整個模塊處于復位狀態，并在加載完成后，繼續保持200ms的復位。處理器總體采用3.3V供電，利用電源芯片將3.3V轉換成所需的各種工作電壓。處理器對外提供JTAG調試接口、RS232串行調試接口、10M/100M/1000Mbps自適應以太網調試接口、PCIE接口、SATA總線接口等。

5 結語

針對飛機航路規劃的具體需求，本文進行了機載數字地圖模塊的硬件設計。設計的模塊處理器處理能力為7200MIPS，設計主頻1.2GHz，性能功耗比為1600MIPS/W。電子盤存儲容量1TB，最大持續讀寫速度不低于100 MB/s。完全能夠滿足實際機載任務的需求。

參考文獻：

[1] 張啟瑞，魏瑞軒，何仁珂，等.城市密集不規則障礙空間無人機航路規劃[J].控制理論與應用，2015，32（10）：1407-1413.

[2] 遠遠.可視化無人機航路規劃軟件研究與實現[J].現代信息科技，2018，2（3）：78-82.

【通聯編輯：代影】