一種機載數(shù)字地圖模塊的硬件設計

馬鑫哲　錢軍琪　付潔　許逸飛

摘要：數(shù)字地圖模塊主要用于執(zhí)行與數(shù)字地圖相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和存儲任務。該文針對飛機航路規(guī)劃的技術(shù)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(tǒng)的應用需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字地圖模塊;數(shù)據(jù)處理;低功耗;航路規(guī)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(shù)字地圖模塊用于存儲數(shù)字地圖，并和地圖進行高速數(shù)據(jù)查詢和交互，可以計算區(qū)域的最高點、坡度等信息。在線航路實時規(guī)劃與重規(guī)劃技術(shù)是自主飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]。目前，航路規(guī)劃任務數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)需求，進行了適用于飛機航路規(guī)劃任務的數(shù)字地圖模塊硬件設計。

1 硬件總體框架

由于數(shù)字地圖模塊只用于存儲數(shù)字地圖，不需要進行顯示，因此地圖板無須設計GPU?？紤]到數(shù)字地圖數(shù)據(jù)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(gòu)。本文設計的數(shù)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(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加載、工作模式切換、供電監(jiān)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(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)。電子盤部分支持28V銷密功能，負責數(shù)據(jù)存儲。處理器子卡部分主要完成數(shù)據(jù)處理功能，對外提供RS232、以太網(wǎng)、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(zhuǎn)換電路、時鐘電路、離散量驅(qū)動電路、USB轉(zhuǎn)SATA電路和切換開關(guān)電路。

整個基板采用兩路5V供電。一路5V供電經(jīng)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(jiān)測;另一路5V供電經(jīng)TPS74401降壓為3.3V后，給USB轉(zhuǎn)SATA器件供電。兩路5V經(jīng)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(xiàn)問題時，可及時將2路5V供電切除，確保電子盤數(shù)據(jù)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(xiàn)模塊工作狀態(tài)設置、模塊ID設定等功能。

USB轉(zhuǎn)SATA器件選用INITIO的3619PLIB4GSCD。該USB轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)256GB容量存儲功能，4個部分共計實現(xiàn)1TB容量存儲。SM9A84是深圳國微電子有限公司自主研發(fā)的固態(tài)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(tǒng)SDRAM存儲器、加載用SPI FLASH存儲器和數(shù)據(jù)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(xiàn)。

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(jié)溫監(jiān)測電路、復位電路、電壓轉(zhuǎn)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(guī)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(guī)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(nèi)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(xiàn)SATA、以太網(wǎng)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(tǒng)FLASH采用1片256MB的S70GL02GS11FHI010實現(xiàn)，通過CPU的IFC總線進行訪問。系統(tǒng)FLASH上存有BIT測試程序、FLASH在板編程程序、操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，用于處理器的啟動。NvRAM選用一片128KB的EV2A16AMNYU35，用于系統(tǒng)掉電保護。該器件部集成SRAM和EEPROM。掉電時，將SRAM中的數(shù)據(jù)寫入EEPROM中;上電時可自動將數(shù)據(jù)從EEPROM寫入SRAM中，恢復掉電時的數(shù)據(jù)。

FPGA選用Xilinx公司Spartan-3 XC3S200AN-4FTG256I，實現(xiàn)模塊內(nèi)部控制邏輯以及局部總線接口轉(zhuǎn)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(xiàn)對處理器結(jié)溫的監(jiān)測。復位電路由MAX706TESA實現(xiàn)，保證FPGA加載過程中，整個模塊處于復位狀態(tài)，并在加載完成后，繼續(xù)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(zhuǎn)換成所需的各種工作電壓。處理器對外提供JTAG調(diào)試接口、RS232串行調(diào)試接口、10M/100M/1000Mbps自適應以太網(wǎng)調(diào)試接口、PCIE接口、SATA總線接口等。

5 結(jié)語

針對飛機航路規(guī)劃的具體需求，本文進行了機載數(shù)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(xù)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(guī)則障礙空間無人機航路規(guī)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(guī)劃軟件研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（3）：78-82.

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