新一代直升机综合核心处理机技术研究与实现*

李成文，杨军祥，王纯委，陈 国，何小亚，刘 宇

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安 710119）

0 引言

以科曼奇为代表的直升机航电系统采用了高度综合化技术，综合了航电任务系统、座舱显示系统、设备管理、传感器信号处理等，体现了高性能的特征；采用模块化来解决航电系统在维护性、保障性和全寿命周期成本方面的问题。综合化航电系统提高了系统任务能力，减轻了重量体积，又缩短研制周期、降低了成本。

目前我国大部分的直升机航空电子系统的发展水平有限，通用化、系列化和模块化的程度很低，不仅影响了直升机的可靠性、维护性和保障性，还导致了航空电子系统在直升机全寿命费用中的比例越来越高。因此，本文针对新一代直升机航电系统综合化处理需求，开展了适用于直升机应用环境综合核心处理机技术的研究，实现直升机航电系统信息综合化处理。

1 直升机航空电子系统发展分析

直升机航空电子系统开始向综合化发展，比较典型的直升机综合化模块化航空电子系统有科曼奇的综合化航空电子系统MEP、科林斯公司的综合处理中心IPC、瑞典SAAB公司的分布式模块化航空电子系统DIMA以及霍尼威尔公司的Primus Epic/Apex航空电子系统结构。此外，一些旧机型航电系统的更新换代也向综合化模块化的方向发展，如在黑鹰、支努干等多种直升机上使用的通用航空电子结构体系CAAS、AH-64D长弓阿帕奇的旋翼机开放式航空电子系统ROSA等。

MEP[1]的核心由两台结构相同而任务不同的计算机、存储设备和显示控制系统构成，与其他设备通过HSDB、1553B等总线进行互连。其特点是对航电任务处理、座舱显示、设备管理、信号处理等进行了高度综合化。

ROSA系统通过FC网络实现了显示控制计算机、任务计算机与雷达、传感器之间的互连，将一些分散在各子系统的处理能力综合到任务计算机中。ROSA特点是对原有航电系统的升级，通过局部综合，既提高了操作性能、减轻了重量体积，又缩短研制周期、降低了成本。

IPC由于研发的年代较早，起初主要通过采用模块化来解决航电系统维护性、保障性和全寿命周期成本方面的问题，在后期改进中才逐步采用了综合化措施，如数据传输网络采用了AFDX，操作系统选用了与ARINC653分层结构兼容的Posix系统。

CAAS[2-3]是由科林斯公司针对直升机特点开发的。它构建了一个规模可伸缩的、适用于多种型号的系统，并通过开放式模块化通用化的设计，降低全寿命周期成本。CAAS对航电任务处理、座舱显示系统进行了综合，其特点是采用分布式综合化模块化的方式降低成本，提高系统的灵活性，以适应多种机型的需要。

Primus Epic/Apex采用了集成机架和现场可更换模块，实现了模块航空电子单元，使用了一种航空电子标准通信总线作为虚拟底板总线实现模块的互联。Primus Epic/Apex的特点是将飞行器管理系统进行了一定程度的物理综合。

DIMA[4]是瑞典的SAAB公司提出的。它使用AFDX作为互联总线，连接分散在不同位置上的现场可更换模块。同时也允许使用1553B数据总线将核心航空电子系统与其他任务系统连接在一起，实现低速率设备的信息传输。它主要对航电任务计算、座舱显示和设备管理进行综合，其特点是逻辑上综合，物理上分布。

2 直升机航电综合处理系统架构考虑

新一代直升机综合化航空电子系统[5]需要实现航电系统的综合控制与管理、总线网络管理、任务综合处理、传感器信号及数据综合处理、通信管理、悬挂物管理、人-机接口控制和管理、数字地图生成、视频交换、音频视频压缩与记录控制、任务/维护数据的加卸载控制等功能综合。综合处理系统输入为前端传感器信息以及图像图形信息，传输信息量非常大，需要高速通信网络；另一方面系统信号处理量比较大，要求浮点处理能力高，需要很高的信号和数据处理性能。

图1 综合核心处理系统架构

图1为处理系统体系结构。该处理系统架构中，HICP是直升机综合航电任务系统的基础平台，具备数据、图形图像和视频的综合处理能力以及系统存储能力，并为整个航空电子系统提供时间服务。直升机航电系统以HICP为核心，通过高速FC网络和1553B总线实现航电系统通信，使得航电系统具有强壮性和可扩展性。高频机架、低频机架、光电设备、气象雷达、信号传感器和面板控制等系统设备要求提供高带宽、低延迟、大数据块传输服务，通过高速FC网络互连传输数据；而低速设备和原有成熟的关键系统(如外挂系统、机电系统、大气数据系统、飞行系统等)采用1553B总线传输数据，保证数据传输的强壮性的同时，降低系统成本；与座舱多功能显示器间通过DVI、1553B总线相连。

3 综合处理机关键技术

3.1 系统容错重构技术

HICP通过硬件、软件、应用三级容错措施来提高系统的可靠性。(1)硬件级容错：电路上采用可靠性高的大规模集成电路、校验电路，关键功能模块(如电源、网络、处理器模块)备份。HICP通过电源、网络、模块等各元素的备份和容错保证系统的可靠性。HICP采用余度供电体系保证当一块电源模块出现故障时系统的运行；采用容错的FC通信网络，能够保证模块、传输、交换机任一处出现故障时通信的正常进行；处理模块采用备份方式，并根据系统的需要，采取热备份、温备份或冷备份的备份方案。(2)软件级容错：HICP通过系统管理的健康监控服务监控软件模块的运行，对故障的软件模块进行定位、分析和处理，并记录故障现场，供软件人员分析。当出现功能模块故障、软件故障等情况时，就需要对出现的故障的模块或分区中运行的任务进行容错重构的处理，该处理是在分布式操作系统的综合管理下进行的。(3)应用级容错采用应用分区备份，在不同模块上备份一个完全相同的分区。

3.2 高速实时网络通信技术

直升机综合处理系统采用高速FC网络实现航电系统实时数据通信。光纤通道提供一种通用网络传输机制，定义各种高层通信协议到光纤通道的映射方法。提供一套完整故障检测手段和流量控制方法，保证通信网络的可靠性。光纤通道支持3种基本的拓扑结构：点到点、仲裁环和交换结构。每一种拓扑结构都适用于不同的目的，并且这些拓扑结构都能够组合起来构成更大规模的网络。FC网络具有以下技术特点[6]：

(1)全双工：发送通路与接收通路独立，可同时进行数据发送和接收；

(2)传输速率高：支持1 Gb/s、2 Gb/s传输速率；

(3)高可靠：物理链路传输误码率 BER＜10-12；

(4)传输距离远，采用单模光纤作为数据传输介质时，传输距离可高达10 km；

(5)可扩展性好：支持点到点、仲裁环和交换结构3种拓扑结构，可采用多个交换机集连构建更大的网络；

(6)多种传输介质：支持铜缆、光缆等多种传输介质；

(7)标准化：FC网络技术有完整标准体系，支持开放式系统互连。

3.3 高分辨率图形图像处理技术

系统需要实现1 024×768高分辨率图形图像处理，支持2D/3D硬件加速和OpenGL标准图形接口，完成二维/三维图形的生成、图像叠加和图像压缩功能，涉及到二维/三维图形显示、多路图像叠加和多路图像压缩等技术[7]。

采用图形加速芯片实现二维/三维的图形加速功能，应用跨平台的开放式图形库OpenGL1.3实现图形应用接口，采用实时操作系统VxWorks5.5实现图形处理任务的管理。图形显示接口采用DVI视频接口，单个图形处理器芯片配置为同时输出DVI视频信号，分辨率支持 1 024×768，刷新频率为 60 Hz。

多路图像叠加采用FPGA实现图像叠加的逻辑运算，以像素行为单位实现图像数据的缓存，而前景图像和背景图像进行叠加时运用ALPHA叠加算法，通过配置前景图像和背景图像的叠加系数方法，实现半透明叠加和覆盖叠加。FPGA逻辑实现了两个对DDR2 SDRAM控制器，运用乒乓方式来访问DDR2 SDRAM，在往DDR2 SDRAM控制器1的DDR2 SDRAM写图像数据时，能够同时从DDR2 SDRAM控制器2的DDR2 SDRAM读取图像数据进行叠加，保证了图像叠加时不丢弃任何图像帧。视频叠加原理如图2所示。

图2 视频叠加原理图

多路图像压缩采用完全自主的H.264压缩算法[8]，使用FPGA硬逻辑实现H.264算法，并针对航空画面复杂的特点，提出最佳的压缩策略，在显著提高画面清晰度的同时，减少数据存储量。压缩算法采用硬逻辑实现，保证了图像压缩的实时性，同时采用DDR2 SDRAM实现图像原始数据的缓存和压缩中间数据的缓存。

3.4 独立可控安全供电技术

HICP各功能模块采取独立供电，使得模块内的电源故障不向其他模块蔓延传递，实现电源故障隔离[9]，如图3所示。

HICP通过主控模块对其他功能模块实施上下电控制。每个功能模块的28 V转内部5 V模块带有控制端，低电平使能5 V输出，高电平关闭5 V电源输出，控制信号来自主控模块。

3.5 自主分布式系统软件技术

图3 独立电源供电结构

HICP软件由航电综合任务软件、系统管理软件、嵌入式核心操作系统、模块支持层软件组成。该体系结构充分考虑了各子功能系统间、各层间的安全隔离，以防止故障蔓延。操作系统代码的可浮动、可重载使操作系统可动态引导和重加载。系统管理软件通过健康监控、故障管理、配置管理实现系统故障的监视、滤波、定位、恢复及重构。机载实时操作系统通过蓝图管理航电软件的运行，在蓝图中给出系统资源的配额使用和分区/进程调度、系统容错/重构的策略定义。

HICP采用天脉2和天脉1两种自主知识产权核心操作系统。

天脉2操作系统全面实现了ARINC653要求[10]的分区管理、进程管理、时间管理、存储管理、分区内通信、分区间通信及健康监控服务；对下实现了模块支持层的剥离，使得硬件模块支持层具有强独立性，能够满足不同应用需求和升级需要。

天脉1是一个针对航空应用需求设计的机载嵌入式实时操作系统，能够完全满足机载环境所提出的强实时、高可靠、可裁剪性、可升级性等特殊要求。

3.6 开放式机架抗恶劣环境设计技术

直升机中没有液冷，也没有环控风，产品散热需要自带风机解决。风机冷却利用风机驱动冷却空气流经电子设备把热量带走，其冷却能力约为自然风冷的10倍。

HICP开放式风冷散热结构如图4所示，风机驱动冷却风直接吹过器件表面散热器换热，有效缩短散热路径，大幅提高散热能力。

图4 HICP开放式风冷散热结构

HICP电磁防护采用安装风压损失较小的金属发泡网方法来处理通风散热孔，由于金属发泡网不能直接裸露，所以在发泡网增加金属打孔板，在保护金属发泡网的同时提高电磁密封性能。

HICP防尘部件选择铝制发泡金属网，发泡金属网是一种经特殊工艺制成的带有大量层叠微孔的镍铁等金属支撑的既能屏蔽辐射干扰又能通风的材料。

4 综合核心处理机实现

新一代直升机综合核心处理机系统由数据处理模块、信号处理模块、图形图像模块、大容量存储器模块、网络支持模块及电源模块等高度通用化LRM模块组成，模块功能和数量配置如下：

(1)数据处理模块：2块，负责任务计算、数据融合和系统控制管理等任务以及1553B总线通信、IO信号处理，其中1块作为备份；

(2)信号处理模块：3块，负责高频机架、低频机架、光电设备的传感器信号处理；

(3)图形图像模块：1块，负责有关多功能显示器、备份显示器的图像生成与处理；

(4)大容量存储器模块：1块，负责数字地图、大容量数据存储与管理、任务数据加卸载；

(5)视频处理模块：1块，负责传感器图像生成与处理、视频交换，视频/音频的压缩与记录传输控制，人-机接口控制和管理；

(6)网络支持模块：2块，负责HICP内各模块之间以及与前端传感器间高速数据传输；

(7)电源模块：2块，负责电源处理和各个模块上/下电的管理，采用余度供电方式。

5 结束语

新一代直升机综合核心处理机采用综合化、模块化、开放式的系统结构，具有数据、信号、图形、视频处理能力和大容量存储、高速网络通信、系统容错重构能力，具有技术先进、性能高、重量轻、体积小、功耗低的特点。与直升机现有先进航电处理系统相比，新一代直升机综合核心处理机的重量、功耗和体积均减少30%以上，性能提高4倍以上。

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[10]ARINC specification 653：avionics application software standard interface，part 1-required services[Z].2005.