基于3G通信网机载飞行记录数据无线传输系统设计

贾宏亮，王璐璐

（1.北京航空航天大学 北京 100191；2.北京航空工程技术研究中心 北京 100076）

随着航空技术迅速发展，民航飞机运输任务量越来越大，飞机的出勤率越来越高，军航飞机对二次起飞准备时间也要求越来越短，飞机的飞行记录系统的数据可以用来对飞机技术状态健康安全监控、对飞行人员操纵水平的判读，军航还可以将这些数据结合其它技术手段，融入到指挥系统，可以可视化飞机在训练或者演习中的飞行情况。目前大多数军民航机载飞行纪录数据的获取都是通过机务工作人员携带便携式地面设备到停机坪从飞机上用电缆连接机载飞行记录系统设备下载数据或者直接将机载飞行记录系统的转存盘/存储卡拆卸下来获取数据[1-6]。3G网络UMTS业务目前已得到飞速发展，数据传速速率也越来越大，依托3G网将机载飞行记录数据传输到地面飞行数据管理站，面对飞机数量多和出勤率高的情况下，能提高工作效率，减小飞机再次起飞的准备时间，还能实现地面飞行数据管理站的地理位置设站不受和它与飞机停机坪之间的距离限制。

1 系统工作原理

基于3G通信网机载飞行纪录数据无线传输系统工作原理示意图如图1所示，在飞机飞行结束飞机着陆后，此系统将读取机载飞行纪录数据，并经过处理后，依托3G通信网将飞机飞行记录数据以无线方式传输到地面飞行数据管理站。

图1 系统工作原理示意图Fig.1 The working principle diagram of the system

2 系统硬件设计

硬件系统主要由ARM920T为内核的S3C2440位处理器，以太网控制器DM9000，串口接口电路MAX3232、MAX488，加密芯片LKT4300，WCDMA模块EM770W和供电控制电路组成，系统硬件结构图如图2所示。

2.1 飞行数据通信控制接口

目前机载飞行纪录系统的数据接口主要有RS232、RS422和以太网这3种，S3C2440微处理器片上具有3通道的UART，选其中的2路分别外挂MAX3232和MAX488实现串口读取数据，S3C2440具有1G的空间地址，并且把他们划分成了8个bank区 （bank0-bank7），可以选取其中一个bank区的控制线nGCSx作为以太网控制器DM9000的片选信号，S3C2440的低16位数据线直接外挂DM9000的16位地址线，S3C2440具有丰富的中断源，选其中一个中断INTx外挂DM9000的外部中断接口，因为是双字节对齐，可以用S3C2440的ADDR2地址线来外挂DM9000的CMD控制线。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.2 飞行数据加密电路

S3C2440片上具有两通道的SPI，为了将非保密数据进行加密，加密芯片LKT4300和S3C2440通过SPI通道建立它们之间的通讯，同时LKT4300要求必须将自己设为主模式，S3C2440设为从模式。

2.3 3G模块外围电路

选用 3G 模块 EM770W，EM770W 支持 UMTS、EDGE、GPRS和GSM业务，其中UMTS业务里，HSPA能力已经达到上行2 Mbps，下行7.2 Mbps的速率，EDGE达到236.8 kbps的速率，GPRS达到了53.6 kbps的速率。EM770W模块是以mini-PCI物理接口，含有USB接口控制线，USIM卡接口控制线，S3C2440片上USB控制器外挂EM770W的USB接口控制线，实现它们之间的通讯。同时用EM770W的USIM卡接口控制线设计外挂USIM卡电路，EM770W模块具主集和分集两个天线SMA形式的接口，两个天线阻抗必须选择50ohm的特性阻抗的电缆和天线，推荐使用增益大于1dBi的天线。

2.4 系统供电控制

飞机上的供电电网一般为115 V 400 Hz或者27 VDC，此处设计应用飞机27 VDC供电网络。因为飞机在飞行结束后才需要获取机载飞行纪录数据，并且在飞机在高空中不能接收到3G基站的信号，同时为了满足飞机的飞行安全管理要求，因此要求确保此机载飞行纪录数据无线传输系统只能是飞机在地面的情况下才能工作，所以引用飞机在地面时飞机起落架空-地状态信号和起落架舱门开关状态信号二者的与逻辑来控制给此无线传输系统供电。

系软件部分主要包括建立和机载飞行数据记录系统的RS232、RS422和以太网通讯模块，数据加密模块和3G无线传输模块，它建立在以Linux体系结构上，Linux内核功能强

3 系统软件设计

大，源码开放，在开发以太网、串口、USB等接口的驱动程序比较灵活[7]，而且内核源码开放，内核编译配置参考资源较多，方便剪裁，能减小软件的开发难度。

3.1 通信模块

系统上电后，S3C2440完成系统初始化，开启数据通信进程，查询串口或者以太网接口是否有数据发送过来，在响应到串口和以太网的发送的中断请求后，开始接受串口或者以太网数据，并对数据进行分析处理，控制流程如图3所示。

图3 通信模块流程图Fig.3 Flow diagram of communication module

3.2 数据加密模块

LKT4300 芯 片 支 持 DES/TDES/AES，RSA，ECC 加 密 算法，对于非保密数据加密可以用其算法[8]。在LKT4300的内操作系统定义了几个函数，可以方便用户的开发，LKT4300中为用户提供额外16K字节的NVM（非遗失存储器）数据存储器，地址范围0x0000-0x4000，用户可以在程序中调用NVM读写函数操作这个区域，在这里实现用DES通用加密算法。

读写NVM区函数

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代表要读写的数据，len是长度。

取随机数函数

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

buf代表取出来的数据，len是要去的长度

DES加解密函数

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

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

plain代表要加密的数 ，k是密钥，cipher是加解密运算后的结果。

LKT4300和S3C2400建立SPI通信接收完命令后，LKT4300内操作系统接管数据，直接进入u32 APP_FUCTION（）函数，开始解析S3C2440的指令，然后运行算法函数，算法函数处理完毕，LKT4300马上返回数据，如下图4所示。

图4 数据加密功能框图Fig.4 Data encryption function block diagram

3.3 3G无线传输模块

3G模块EM770W使用的USB驱动的VID为0x12d1，PID为0x1001，在PC端映射出3个端口，分别为:3G MODEM端口，承载AT指令，主要用于发起数据业务；3G PC UI Interface端口，承载AT指令，主要用于MODEM口被占用的情况下用端口进行AT命令的操作；3G Application Interface端口，承载DIAG任务。

3G模块在Linux体系下的USB驱动开发需要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交叉编译器等GNU软件包，此处要求Linux内核至少是2.6以上的版本。

S3C2440主程序对EM770W模块进行初始化设置，完成分配的IP地址，USIM卡的检测，接入网关，设置3G网络注册提示，检测并连接网络等工作。当系统接入3G网后，采用TCP/IP传输协议来实现数据的传输。

4 结 论

基于3G通信网机载飞行记录数据无线传输系统，应用成熟的ARM920T处理器，和3G模块，它体积小，耗电小，成本低，能可靠安全的通过3G通信网把机载飞行记录数据传输到地面管理站。它的设计架构里，只需将加密算法、或者3G终端改为其它无线传输终端依托其他专用通信网，就能满足其它情况下的机载飞行记录数据的无线传输，具有较强的实用设计参考价值。

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