机载任务记录器系统设计研究

马江峰，柏 航 ，毕笃彦

（1.中国人民解放军63981部队，湖北 武汉 430311；2.空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安 710038）

随着全球数字化大潮的到来，半导体技术，超大规模集成电路技术以及数字压缩存储技术的发展越来越快，使各类飞行参数的数字化存储成为现实[1]。本文系统采用嵌入式数字化的记录方法将飞行数据经过处理，记录在大容量的电子硬盘上,和传统的模拟磁带记录系统相比，机载任务数字记录器具有保密程度高、检索方便、节省空间、便于扩充、便于保存和管理等优点。

由于机载任务记录器所具有的优点，符合当今高新技术变革数字化、信息化、智能化的发展趋势，所以研制一种采用先进数字存储技术和大容量半导体存储技术[2]，具备记录数据的多样性和全面性，音视频数据记录的时间同步性和一致性的机载任务记录器便成为当前机载记录系统的发展和研制方向。本文机载任务记录器能够满足现代化的要求，对于应用具有十分重要的现实意义。

1 系统总体设计

1.1 系统组成

机载任务记录器主要包括7个分立单元，它们是：核心控制单元、音视频压缩记录单元、前视域摄像头、外部控制单元、数据采集单元、音视频系统和存储单元。各单元的交联关系如图1所示。

图1 系统内部各组件的交联关系Fig.1 System connection relations of the internal components

其中，核心控制单元由NANO作为CPU，运行VX操作系统，负责记录器的控制、接收并存储任务数据、为任务数据加入时间标签；音视频压缩记录单元完成音视频数据的同步压缩记录，并负责在压缩视频码流内加入时间标记；数据采集单元通过多种接口与多种机载设备交联，采集任务数据并通过统一的接口、统一的数据格式送入核心控制单元；外部控制单元实现对面板开关状态的采集和识别，并通过RS422接口实现和核心控制单元的通信，完成对核心控制单元“状态请求”的应答，并在开关状态改变时及时通知核心控制单元；音视频系统完成机载视频数据的采集，并转换为LVDS视频格式送入音视频压缩记录单元；前视域摄像头负责飞机前视域画面的拍摄，并将视频以CVBS视频格式送入音视频压缩记录单元；存储单元完成机载任务数据和音视频数据的记录，并载有RTC时钟电路，可以长期有效存储标准北京时间。

1.2 系统功能

系统通过多种接口实现了同原有机载设备的对接，采集了多路任务数据以及音视频数据；通过GPS校时模块获取了统一的标准时间，实现了对多路任务数据和音视频数据的同步时间标记；采用了H.264高效音视频压缩编码技术，实现了音视频数据的同步、高效记录；采用了固态硬盘存储海量数据，实现了多种数据的快速、无误码存储[3]；采用了Vxworks嵌入式操作系统以及优化编程的技术方案，保证了设备可实时性和可靠性。

2 两个关键单元设计

机载任务记录器的核心任务是记录多路任务数据和音视频数据，其中任务数据的记录由核心控制单元完成，音视频数据的记录由音视频压缩记录单元完成，所以下文分别对这2个关键单元的设计进行说明。

2.1 核心控制单元

核心控制单元的整体架构为NANO+DSP[4-5]，该设计解决了多路高速串口数据的同步、无误码的记录，板载主要硬件资源包括：NANO——一种基于X86架构的CPU，可以运行多种嵌入式操作系统，是记录器的核心处理器；DSP，负责接收多路外部高速串口数据；DPRAM，容量为64 kB，为数据提供高速缓存；XR17D158,串口芯片，提供8路外扩串口。其对外接口为多路RS422差分接口信号、SATA总线接口信号和2路RS-232接口。其中XR17D158外扩的8路串口中，多路用于核心控制单元同其它组件的通信，2路用于接收外部低速串口数据，预留1路作为扩展之用。核心控制单元原理框图如图2所示。

图2 核心控制单元原理框图Fig.2 The core control unit principle block diagram

2.2 音视频压缩记录单元

为了实现高质量的音视频压缩，本方案采用了H.264音视频压缩算法[6]实现压缩记录。H.264是视频压缩领域最新的优化编码标准，它采用了帧内和帧间预测，4×4的DCT变换，具有压缩效率高、图像质量好的特点。

H.264算法具有很高的效率，但是其运算量非常大，通常需要借助于专用硬件来实现实时高分辨率的视频压缩。为了方便本系统的实现，方案选择了应用已经成熟的高性能H.264专用压缩芯片完成对音视频的实时高效压缩，控制单元采取嵌入式处理器ARM实现。音视频压缩单元主要实现对2路视频和2路声音的同步压缩记录，具有可靠性高，体积小的特点。其原理图如图3所示。

图3 音视频压缩记录单元原理框图Fig.3 Record audio and video compression unit principle block diagram

板载硬件资源主要有：ARM，音视频压缩记录单元的控制器；视频编码器，H.264专用压缩芯片，完成对音视频数据的压缩编码；AD7118和语音编码器，分别完成视频和音频数据的采样；SDRAM，为音视频码流提供大容量缓存；CPLD，负责板卡的电源管理，时钟管理和其它时序控制。

3 GPS校时软件

3.1 GPS校时原理

为了统一系统的时间基准，本文采用GPS为系统校时。GPS授时原理是基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延（Δt），以达到对本地时钟的定时与校准[7]。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，主要误差有：

1)信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；

2)信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；

3)接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。

3.2 软件设计

软件利用Microsoft公司提供的ActiveX控件 Microsoft Communications Control，尽管控件的灵活性不如直接对串口进行操作，但是由于GPS校时模块并没有复杂的设计，因此采用控件不仅没有上述缺点，而且还简化了编程。GPS时钟采用世界协调时-UTC，在GPS卫星上载有与UTC时间同步的原子钟，成为一种空间的时间基准，用户接收GPS卫星的时间服务信号，校正本机时钟，与GPS时钟同步，完成时间传递任务。

图4 GPS校时软件界面Fig.4 The interface of GPStime correction software

图4 中的3个文本框分别显示的是GPS时间，BIOS时间,时钟模块时间，4个按钮用于校准BIOS、校准模块、同时校准BIOS和模块。

校时程序用于校准校时模块时间。在有GPS信号时，可用GPS时间校准校时模块和BIOS时间；在无GPS信号时，可用BIOS时间校准校时模块时间。

该模块由4部分组成:读GPS时间，读BIOS时间，读时钟模块，写BIOS时间，写时钟模块。

4 结束语

该机载任务记录器通过先进算法、关键单元和GPS校时的应用，实现了各种数据记录的多样性和全面性，实现了音视频数据记录的同步性和统一性，满足了快速、实时、准确的 使用要求，同时也适应了高新技术发展的要求。文中任务记录器已经投入使用，在各种环境条件下使用都拥有良好的性能，工作稳定可靠、实时准确。该任务记录器还在不断更新、扩充和优化，以满足更高的使用要求，达到更好的使用效果。

[1]倪世宏,张吉广,王彦鸿,等.某型飞机飞参处理站国产化方案设计与研制[J].空军工程大学学报:自然科学版,2002,3(2):1-4.NI Shi-hong,ZHANG Ji-guang,WANG Yan-hong,et al.The scheme design and development of a home-made flight data processing station for a certain type of aircraft[J].Journal of Air Force Engineering University:Natural Science Edition,2002,3(2):1-4.

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[6]吴乐南.数据压缩[M].2版.北京：电子工业出版社,2005.

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