基于FPGA多功能卡飞控系统外场测试设备的设计

胡靖枫

摘 要：飞控系统外场测试设备用于外场对飞控系统进行检测、维护和系统软件升级，为飞控系统的原位检测和故障定位提供有效手段。同时，该测试设备依据飞控系统检测项目，设计了针对各项检测项目的一键智能测试模块，可用于飞控系统地面开环联试、环境鉴定试验、可靠性鉴定试验等，具有人机界面友好看，操作简单方便、设备体积小、易携带等优点，可大大提高飞控系统各项数据指标的检测效率。

关键词：测试设备;软件升级;故障定位

引言：

该飞控系统外场测试设备核心板卡采用的是基于FPGA的多功能卡。多功能卡的使用，使系统架构更为简单，可靠性有所提高。传统MIL-1553总线、ARINC429系统总线设计都采用的是专用芯片来解决通讯问题，但随着机电、航电技术的不断发展，传统的低集成度设计已经不能满足新型机电、航电系统的设计要求。本文中设计的FPGA多功能卡内部资源丰富，通过VHDL语言完成改写1553、429等协议，并对每一路收发通道配置了大容量FIFO，提高了多功能板卡的数据处理能力，同时有效的缩小了多功能板卡及测试设备体积，降低了飞控系统外场测试设备的成本。

1飞控系统外场测试设备硬件总体设计

飞控系统外场测试设备硬件结构主要以便携式加固计算机为主体，其核心是一块基于DSP+FPGA芯片的多功能卡。

该板卡可实现MIL-1553B总线收发、ARINC429总线收发、RS422收发、配平脉宽采集、离散量输入输出、AD采集、DA 输出等多种功能，具有可靠性高，集成度高等优点。多功能卡硬件总体框图如图1所示：

多功能卡的设计主要是基于FPGA技术，以429，1553B总线为核心，并且兼有AD、DA，DI、DO、方波采集等功能。

PCI接口的内部结构，DM642片内集成一个主/从模式的PCI接口，它相当于专用的PCI接口芯片，这样可以不必深究PCI总线规范，将研发工作重点放在系统FPGA技术功能的实现上。DSP可以通过这个接口实现与PCI主机的互连。

2 FPGA模块

采用altera系列，Cyclone III EP3C120F484，FG484封装，284个有效IO口，Cyclone III FPGA比竞争FPGA的功耗低75%，含有120K逻辑单元（LE），288个数字信号处理（DSP）乘法器，存储器达到4Mbits，Cyclone III系列比前一代产品每逻辑单元成本降低约20%。在本模块中采用多外部时钟输入，采用JTAG在线逻辑分析调试接口与AS下载口。

3 飞控系统外场测试设备软件总体设计

3.1多功能卡嵌入式软件设计

软件设计主要是将底层的数据通过地址线读取，然后将得到的值传递给API，由上层操作API得到数值，然后再对数据进行二次操作。

在这些操作中，我们进行的各种操作主要是Driver和对函数进行不同功能的封装，然后对封装的各种函数预留接口，以便上层调用。

对于429的功能，我们封装了一部分数据传输，控制等功能的函数，对于1553同样也有数据传输，控制等功能函数，将其封装成API之后，调用只需要对API进行操作，找到相对应功能函数接口，这样我们就能进行底层和上层的通信，通过这样就可以操作429、1553的通信和数据传输。

3.2飞控系统外场测试设备应用软件设计

3.2.1软件架构

飞控系统外场测试设备应用软件使用Windows XP操纵系统，采用基于Visual Studio 2005的人機交互界面，采用HL-1553B、ARINC429、RS422、RS232数字通讯，以及DA＼AD、离散量输入＼输出、配平方波采集等技术，完整的模拟了机载组合导航系统信号、备份航姿信号、大气计算机信号以及无线电高度表信号;同时可对系统的伺放输入＼输出信号、配平信号、离散量信号、电源系统进行实时监控。该外场测试设备还具备激励施加计时功能，可一键完成系统的开环性能检测。

3.2.2软件功能模块

应用软件架构如图4所示。

应用软件软件部分主要由系统自检、功能模块和多功能卡驱动管理三部分组成。

功能模块为飞控系统外场测试设备应用软件的重点设计部分，这一模块又分为航电系统功能模拟模块、一键测试模块和数据显示模块，其中，系航电系统功能模拟模块主要完成模拟航电系统所能产生的所有信号，输出给飞控计算机，完成航电信号的模拟。同时可以完成包括故障在内的传感器信号采集，以检验系统的开环特性。一键测试模块具备系统功能检测激励自动施加、计时、停止功能，同时采集系统伺放输出，完成系统角位置信号传动比等检验项目的一键测试。数据显示模块为实时显示系统内部各数据运行状态数据，如各杆系离散量接通断开状态、伺放输入、伺放输出、配平信号等数据。

多功能卡驱动管理测试模主要完成对底层数据板卡驱动进行管理。根据多功能卡信号的不同可分为数字量、模拟量、通讯三部分。其中，数字量采集可分为DI、DO及方波信号采集三部分，模拟量采集可分为A/D、D/A两部分，总线可分为MIL-1553，ARINC429、RS422等。

4 结论

以上从工程实现的角度出发，为了外场对飞控系统进行检测、维护和系统软件升级以及系统各项试验设计了该测试设备。该测试设备主要技术创新点如下：

选用便携式加固计算机为外场测试设备平台，以及为飞控系统测试环境设计的多功能接口卡，提高了设备的集成性及可靠性，具有功能强、体积小、运行可靠、信号接口丰富等优点，并且具有较高的便携性及环境适应性;

应用软件采用智能化设计，具有自动、快速的系统功能检测和故障定位功能，软件基于Visual Studio 2005的人机交互界面，功能全面、操纵简单，并根据系统开环测试流程设计的测试模块，可一键完成飞控系统的开环性能检测。

参考文献：

[1] 韩冲. 一种智能ARINC429总线接口板的硬件设计与实现[J].装备制造技术，2012.04.065

[2] 管涛 熊华钢 罗志强. 基于1553B总线的接口适配器的设计[J].测控技术。2003.09.013