基于统一处理平台的通用飞机机载电子系统

摘要

本发明提出了基于统一处理平台的通用飞机机载电子系统，包括相互连接的飞行显示器、统一处理平台、大气航姿采集单元、操作控制板和统一网络总线；统一处理平台包括电源模块PSM、公共处理模块CPM、通用接口模块IOM、射频接口模块RFM、音频接口模块AUDIO、作动控制模块ACM；电源模块PSM输入机载+28VDC正常电源和+24VDC应急电源，经过转换后变换为平台内部模块、大气航姿采集单元和操作控制板所需的+12VDC电源；本发明提出了一种基于统一处理平台的通用飞机机载电子系统，能够实现系统安全性的进一步提高，能够灵活适应不同类型飞机的需求，能够实现通用飞机航空电子、飞行控制、飞行管理和空管等不同领域的功能集成。

说明书

技术领域

本发明属于机载系统与设备专业领域，具体涉及技术为通用飞机机载电子 系统技术，以通用飞机为应用对象，提出了一种基于统一处理平台的通用飞机 机载电子系统架构。

背景技术

通用飞机的机载电子系统是指为支持完成正常飞行任务所需配备的电子系 统,一般可包括综合显示、参数采集、通信、导航、监视、飞控、记录、维护和 告警等功能。

机载电子系统是通用飞机的耳目、大脑和神经，可以说它的先进程度是通 用飞机技术发展水平的一个重要标志，没有先进的机载电子系统就没有先进的 通用飞机。因此通用飞机的机载电子系统是通用飞机发展的关键技术之一。通 过不断地突破通用机载电子系统中的核心技术,可以不断提高通用飞机安全性、 可靠性和适航性,同时通过优化系统设计并采用新的机载电子系统技术可以进 一步增强通用飞机的经济性、舒适性、环保性、灵活性和可维修性等。当前的 通用飞机机载电子系统存在以下问题：

a.综合化程度仍显不足，难以进一步提供有助于飞行安全综合化判断信息；

b.物理形式上仍是独立配置，航空电子、飞行控制、飞行管理和空管等功 能仍由独立的设备实现，集成化程度难以提高，功能的增加需要增加独立设备， 造成研制成本相对较高；

c.应用灵活性差，系统不能灵活适应不同类型的通用飞机，需要针对具体 的飞机进行较大的更改才能满足飞机的需求。

因此希望能够研制更先进的机载电子系统，以满足未来不同种类通用飞机 的要求。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于统一处理 平台的通用飞机机载电子系统，能够实现系统安全性的进一步提高，能够灵活 适应不同类型飞机的需求，能够实现通用飞机航空电子、飞行控制、飞行管理 和空管等不同领域的功能集成，以便满足未来不同种类通用飞机的实际应用需 求。

本发明的技术解决方案是：基于统一处理平台的通用飞机机载电子系统， 其特征在于：所述电子系统包括相互连接的飞行显示器、统一处理平台、大气 航姿采集单元、操作控制板和统一网络总线；

所述统一处理平台包括电源模块PSM、公共处理模块CPM、通用接口模块IOM、 射频接口模块RFM、音频接口模块AUDIO、作动控制模块ACM；

所述电源模块PSM输入机载+28VDC正常电源和+24VDC应急电源，经过转换 后变换为平台内部模块、大气航姿采集单元和操作控制板所需的+12VDC电源； PSM通过统一网络总线给CPM周期性发送状态信息并接收CPM发送的控制命令；

所述公共处理模块CPM提供统一处理平台的公共计算和处理资源，CPM集成 嵌入式实时分区操作系统，提供统一的应用程序接口标准，允许驻留多个不同 安全等级的功能应用程序；

所述通用接口模块IOM提供系统中通用的输入输出接口，实现对发动机参 数、机身参数、电源参数和燃油参数通用参数的采集，以及部分离散量控制信 号的输出；IOM将采集到的数据通过统一网络总线提供给CPM进行处理，并通过 统一网络总线接收CPM发送的控制信号；

所述射频接口处理模块RFM提供系统中的射频信号收发和处理功能；包括 VHF电台、VOR、ILS、ADF、DME、MKR、应答机、北斗和GPS接口；RFM将解析 后的数据通过统一网络总线提供给CPM进行处理，并通过统一网络总线接收CPM 发送的控制信号和输出数据；

所述音频处理模块AUDIO包括1路主驾、1路副驾和4路乘客的麦克风话 音输入、耳机声音输出接口、1路驾驶舱喇叭的声音输出接口、6路导航音频信 号输入接口、4路告警声音输入接口；

作动控制模块ACM通过统一网络总线接收CPM发送的控制信号和输出数据， 并将执行结果通过统一网络总线提供给CPM进行处理。

上述统一处理平台还包括扩展接口模块EIO，扩展接口模块EIO上集成标准 的数字接口，EIO通过统一网络单元和CPM进行数据的交互。

公共处理模块CPM采用大容量随机存储器和固态电子盘，支持导航数据库、 地形数据库和其它数据库的实时运行；公共处理模块CPM采用双余度配置。

扩展接口模块EIO上集成标准的数字接口是ARINC429、RS422、ARINC453、 ARINC708。

通用接口模块IOM接口的类型包括离散量接口、模拟电压采集接口、模拟 电流采集接口、电阻量采集接口和热电偶输入采集接口。

上述飞行显示器包括图形处理器；所述图形处理器包括：

接口数据处理：飞行显示器通过外部接口获取需要显示的各种数据信息， 数据通过统一网络总线和外部视频输入获取，包括大气、航姿、控制、通信、 导航、监视信息；

数据信息处理：将获取的这些数据按照综合化的方式进行处理，根据不同 显示信息的规范、约定、格式和方式要求，将其处理为可以按照图形表示的数 据；

显示转换处理：将需要显示的图形数据转化成可以通过显示屏直接显示的 图像，数据信息转化成可以直接识别的符号、字符的图形化信息；

图像显示：通过液晶屏进行所需图像的直接显示。

上述大气航姿采集单元集成多个传感器，将大气压力、温度和飞机姿态物 理量直接转换为相应的电信号，对电信号进行数字量化后通过统一网络总线提 供给后级处理；

接口数据采集：包括两部分，一是对外部的大气压力、大气温度传感器的 输入信号进行转换采集，二是对内部的加速度计、陀螺仪航姿传感器信号进行 转换和采集；

大气航姿数据处理：对采集的原始大气航姿数据进行滤波、坏值剔除等操 作，将这些数据按照规定的格式输出到统一网络；

操作控制板：操作控制面板提供按键、数字、字符、光标、开关的操作部 件，控件的操作被转换成指令信号通过统一网络总线提供给后级处理。

上述统一网络总线采用总线式拓扑结构的FlexRay总线。

本发明具有的优点效果：

1)系统安全性高：具有高安全性特质的系统架构，可通过提供冗余的软硬 件资源以及冗余的网络互联总线，能够满足不同安全等级的需要，支持高安全 等级的功能实现，如飞管、飞控等；

2)系统能够灵活配置：具有可伸缩的系统架构特性，通过扩展或剪裁系统 的配置能够适应不同类型飞机和不同安全等级的功能实现，能够覆盖CCAR23部 固定翼飞机和CCAR27部旋翼机的应用需求；

3)在统一处理平台上实现跨领域飞机功能的集成：首次针对通用飞机提出 在一个处理平台上对通用飞机不同领域的功能进行综合。由于航电、飞控、空 管等系统的功能属于飞机的不同领域，它们对安全性、运行周期和资源需求都 有较大差异，基于这种架构，能够利用系统的共用和冗余资源实现这些集成， 这种集成能产生以下优点：

a)能够使通用飞机满足未来新航行系统的要求；

b)能够进一步提高通用飞机飞行的安全性；

c)能够进一步降低通用飞机机载电子系统的体积、功耗、重量。

附图说明

图1是本发明通用飞机机载电子系统架构示意图；

图2是本发明的统一处理平台组成示意图；

具体实施方式

本发明基于统一处理平台的通用飞机机载电子系统架构见图1，包括统一处 理平台、飞行显示器、大气航姿采集单元、操作控制板和统一网络几部分。

统一处理平台：采用统一处理平台的设计，对系统中的部分资源进行集中 处理，提高系统综合化程度，并减少系统外部接线。统一处理平台由综合化、 模块化、标准化的物理模块组成，包括电源模块、公共处理模块、通用接口模 块、音频接口模块、射频接口模块、作动控制模块、扩展接口模块，不同种类 的接口模块将飞机上的各种信息进行采集后送到公共处理模块，在公共处理模 块上采用基于分区的操作系统，低层驱动实现外部数据的解析处理，通过API 应用程序接口将这些信息传递给应用程序，应用程序通过执行计算、处理、运 算等过程实现相应的功能。这些模块的数量可根据系统的需求灵活配置。

飞行显示器：飞行显示器采用智能显示器，实现系统信息的显示功能，飞 行显示器内部采用高性能的图形处理器，集成地形数据库和导航数据库，可以 支持高速动态三维图形实时显示，并能够叠加外部视频图像。飞行显示器可以 实现不同的功能构型，既能够通过统一总线网络接收公共处理模块处理后的数 据并进行相应的显示，又可以直接从统一总线网络上获取原始数据自己进行处 理并显示，飞行显示器数量可根据需求在统一网络上进行扩展。

大气航姿采集单元：航姿部件需要安装在飞机的特定位置上，所以采用单 独的模块实现大气航姿功能，大气航姿采集单元集成不同的传感器，将大气压 力、温度和飞机姿态等物理量直接转换为相应的电信号，对这些电信号进行数 字量化后通过统一网络提供给后级处理。

操作控制板：操作控制面板为机组人员的人机接口部件，机组人员可通过 操作控制面板实现对机载设备的操作控制。操作控制面板提供按键、数字、字 符、光标、开关等操作部件，这些控件的操作被转换成指令信号通过统一网络 提供给后级处理。

统一网络：统一网络作为系统中的数据交互通路，对系统的安全性、经济 性、灵活性和可扩展性具有重要的影响，统一网络采用FlexRay总线，采用总 线式拓扑结构。统一网络的物理实现集成在各个部件单元硬件组成内部，能够 支持总线的冗余配置。

下面主要对统一处理平台组成进行详细的描述。

(1)统一处理平台

统一处理平台是系统的核心，采用集成化的物理结构，将相关功能模块组 织在一起，以利于资源共享和信息共享，从而能够以综合化的方法实现相关功 能，与以前采用独立设备实现每个功能的架构比较，能够有效减轻系统体积、 重量和功耗，并降低系统成本。

统一处理平台由不同的功能模块组成，这些功能模块采用通用化设计思想， 能够满足不同场合应用环境。模块类型包括电源模块(PSM)、公共处理模块 (CPM)、通用接口模块(IOM)、射频接口模块(RFM)、音频接口模块(AUDIO)、 作动控制模块(ACM)、扩展接口模块(EIO)，模块的数量可以根据系统需求进 行灵活配置。通过集成机架将这些模块从物理上进行固定和互联，集成机架能 够根据需要进行伸缩配置。统一处理平台的组成示意图见图2。下面分别介绍统 一处理平台中的各个模块功能。

PSM模块:

电源模块(PSM)提供平台内部模块和部分外部模块的供电电源，电源模块 输入为机载+28V电源和+24V应急电源，输出多路+12VDC电源。PSM模块采用智 能供电设计，对输出多路电源能够独立控制供电并实时监控其状态。PSM模块满 足DO160G中的电源输入和电压尖峰的环境要求，具备滤波、电压尖峰、浪涌、 过流、过压、瞬时掉电等保护能力，并能够提供外部电源掉电指示信号，支持 电源开关控制输入。

CPM模块:

公共处理模块(CPM)提供统一处理平台的公共计算和处理资源，其上将驻 留多个功能应用程序，CPM采用嵌入式分区操作系统，提供统一的应用程序接口 标准。CPM模块上可支持以下应用运行：

a)大气航姿功能；

b)操作控制功能；

c)通信功能，包括VHF语音通信功能、内话通信功能、VHF数据链通信、 旅客娱乐功能；

d)导航功能，包括VOR、ILS、ADF、DME、MKR、北斗、GPS、飞行管理功 能；

e)监视功能，包括S模式空管应答功能、ADS-B功能、空中防撞功能、 气象预报功能；

f)发动机/机身参数处理功能；

g)飞行控制功能；

h)综合维护功能；

i)系统告警功能。

IOM模块：

输入输出模块(IOM)提供系统中通用的输入输出接口，能够实现对发动机 参数、机身参数、电源参数和燃油参数等通用参数的采集。IOM模块接口的类型 包括离散量接口、模拟电压采集接口、模拟电流采集接口、电阻量采集接口和 热电偶输入采集接口等物理量接口，能够满足大多数通用飞机的需求，接口数 量的扩展可通过增加模块数量实现，接口构型配置可通过软件实现。

RFM模块：

射频接口处理模块(RFM)提供系统中的射频信号收发和处理功能，能够实 现目前通用飞机机载系统常用的射频接口信号处理，包括VHF电台、VOR、ILS、 ADF、DME、MKR、应答机、北斗和GPS等接口。RFM采用软件无线电的设计思想， 所有射频处理电路采用统一的硬件平台，通过FPGA实现各个功能的调制解调、 信号解析等功能，可提高模块的通用化和配置能力。

AUDIO模块:

音频处理模块(AUDIO)提供系统中音频信号的处理功能。能够实现主驾、 副驾和乘客的麦克风话音输入接口、耳机声音输出接口、喇叭的声音输出接口、 告警声音输入接口等音频接口处理。

ACM模块:

作动控制模块(ACM)提供作动器的输出控制功能。ACM模块结合作动器能 够操作飞机的舵面和襟翼位置，从而控制飞机的俯仰、横滚和航向，达到自动 驾驶的目的，ACM模块可灵活进行余度配置以满足安全性的要求。

EIO模块:

扩展接口模块(EIO)提供串行数字电路以及特殊专用电路的扩展功能。当 系统需要扩展某些功能，例如气象雷达、卫星收发设备等等，或者当飞机具有 某种特殊应用，需要增加诸如观瞄系统、监控系统时，需要系统和已有的货架 产品互联，这些互联的接口通常是ARINC429、RS422、ARINC453、ARINC708等 等，有时甚至是专用接口，此时通过EIO模块满足这些需求。

以下结合附图1,2说明本发明的具体实施方式:

本发明所描述的基于统一处理平台的通用飞机电子系统架构，包括飞行显 示器1(数量可根据实际需要配置为1-4台)、统一处理平台2、大气航姿采集 单元3(数量可根据实际需要配置为1-2台)、操作控制板4(数量可根据实际 需要配置为0-2台)和统一网络5。

统一处理平台作为系统核心单元，由不同种类和数量的模块组成，负责外 部接口的输入输出控制、内部接口数据的统一处理、资源的统一管理、应用程 序的运行和内部电源的转换功能。统一处理平台包括电源模块(PSM)201、公 共处理模块(CPM)202、通用接口模块(IOM)203、射频接口模块(RFM)204、 音频接口模块(AUDIO)206、作动控制模块(ACM)205、扩展接口模块(EIO) 211，各模块的数量可以根据系统需求进行灵活配置。统一处理平台能够通过以 下种类模块实现其功能：

电源模块(PSM)输入机载+28VDC正常电源和+24VDC应急电源，经过转换 后变换为平台内部模块、大气航姿采集单元和操作控制板所需的+12VDC电源。 PSM采用智能供电设计，内部集成控制器芯片，对输出多路+12VDC电源能够实 时监控其状态并独立控制供电。PSM满足DO160G中的电源输入和电压尖峰的环 境要求，具备滤波、电压尖峰、浪涌、过流、过压、瞬时掉电等保护能力，并 能够提供外部电源掉电指示信号，支持电源开关控制输入。PSM采用双余度配置， 防止单电源失效后所有系统功能失效，提高系统安全性。PSM通过统一网络总线 给CPM模块周期性发送状态信息并接收CPM模块发送的控制命令。

公共处理模块(CPM)提供统一处理平台的公共计算和处理资源，CPM集成 嵌入式实时分区操作系统，提供统一的应用程序接口标准，允许驻留多个不同 安全等级的功能应用程序。CPM采用高性能处理器，拥有大容量随机存储器和固 态电子盘，能够支持导航数据库、地形数据库和其它数据库的实时运行。CPM采 用双余度配置，防止单模块失效后整个系统功能失效，提高系统安全性。CPM通 过统一网络接收系统中其它模块或者设备的数据信息，在内部进行集中处理后 形成标准的数据接口，提供给顶层应用程序。顶层应用程序的功能可配置，能 够根据系统实际应用需要进行不同功能配置。顶层应用程序的输出通过统一网 络发送给系统中其它模块或者设备，实现系统的统一控制和处理。

通用接口模块(IOM)提供系统中通用的输入输出接口，能够实现对发动机 参数、机身参数、电源参数和燃油参数等通用参数的采集，以及部分离散量控 制信号的输出。IOM可支持的接口的类型包括离散量接口、模拟电压接口、模拟 电流接口、电阻量接口和热电偶输入接口等物理量接口，接口构型配置可通过 软件实现，以便能够满足大多数通用飞机的需求，接口数量的扩展可通过增加 模块数量实现。IOM将采集到的数据通过统一网络提供给CPM模块进行处理，并 通过统一网络接收CPM发送的控制信号。

射频接口处理模块RFM提供系统中的射频信号收发和处理功能，能够实现 目前通用飞机机载系统常用的射频接口信号处理，包括VHF电台、VOR、ILS、 ADF、DME、MKR、应答机、北斗和GPS等接口。RFM基于软件无线电技术设计， 射频处理电路采用统一的硬件平台，包括前端处理和后端数字处理部分，前段 处理主要实现输入输出射频信号的预处理，将射频信号转换成数字信号送到后 端进行处理。后端采用高性能FPGA设计，通过FPGA内部可编程逻辑实现各个 功能的调制解调、信号解析等，能够通过软件对解析的协议进行配置，提高射 频接口的适应性，RFM数量可根据系统需求配置。RFM将解析后的数据通过统一 网络提供给CPM模块进行处理，并通过统一网络接收CPM发送的控制信号和输 出数据。

音频处理模块(AUDIO)提供系统中音频信号的处理功能。能够实现1路主 驾、1路副驾和4路乘客的麦克风话音输入、耳机声音输出接口，1路驾驶舱喇 叭的声音输出接口、6路导航音频信号输入接口、4路告警声音输入接口等音频 接口处理。AUDIO采用数字音频信号处理方式，能够处理外部接口的输入输出模 拟音频信号以及内部总线传输的数字音频信号。输入模拟音频信号经过滤波、 匹配、降噪等预处理后转换成数字信号，AUDIO也可以通过统一网络接收CPM发 送的数字音频信号，这些输入的音频信号在内部的数字信号处理器中进行混音、 控制等数字信号处理，然后转换成模拟信号信号输出。AUDIO可以通过软件实现 输出音频接口的控制和配置。

作动控制模块(ACM)提供作动器的输出控制功能。ACM模块结合作动器能 够操作飞机的舵面和襟翼位置，从而控制飞机的俯仰、横滚和航向，达到自动 驾驶的目的。ACM集成标准的作动器控制接口功能，可以采集作动器的动作反馈， 在内部进行计算后输出正确的控制信号，ACM可灵活进行余度配置以满足安全性 的要求。ACM通过统一网络接收CPM发送的控制信号和输出数据，并将执行结果 通过统一网络提供给CPM模块进行处理。

扩展接口模块(EIO)提供串行数字电路以及特殊专用电路的扩展功能。当 系统需要扩展某些功能，例如气象雷达、卫星收发设备等等，或者当飞机具有 某种特殊应用，需要增加诸如观瞄系统、监控系统时，需要系统和已有的货架 产品互联，这些互联的接口通常是ARINC429、RS422、ARINC453、ARINC708等 等，有时甚至是其它专用接口，在EIO模块上集成这些标准的数字接口用来满 足这些需求。EIO通过统一网络和CPM进行数据的交互。

飞行显示器：飞行显示器采用智能显示器，实现系统信息的显示功能，飞 行显示器内部采用高性能的图形处理器，集成地形数据库和导航数据库，可以 支持高速动态三维图形实时显示，并能够叠加外部视频图像。飞行显示器可以 实现不同的功能构型，既能够通过统一总线网络接收公共处理模块处理后的数 据并进行相应的显示，又可以直接从统一总线网络上获取原始数据自己进行处 理并显示，飞行显示器具有触摸控制功能，可以采用触摸方式实现系统的操作 控制功能，其数量可根据需求在统一网络上进行扩展。飞行显示器主要通过以 下几个部分执行相关功能：

a.接口数据处理：飞行显示器通过外部接口获取需要显示的各种数据信 息，这些数据主要通过统一网络和外部视频输入获取，包括大气、航姿、控制、 通信、导航、监视等不同功能的信息；

b.数据信息处理：将获取的这些数据按照综合化的方式进行处理，根据 不同显示信息的规范、约定、格式和方式要求，将其处理为可以按照图形表示 的数据，比如参数采用圆形或者条形图进行显示、参数显示的颜色、参数超限 表示方式等等；

c.显示转换处理：将需要显示的图形数据转化成可以通过显示屏直接显 示的图像，这些数据信息转化成可以直接识别的符号、字符等图形化信息，

d.图像显示：通过液晶屏进行所需图像的直接显示。

大气航姿采集单元：航姿部件需要安装在飞机的特定位置上，所以采用单 独的模块实现大气航姿功能，大气航姿采集单元集成不同的传感器，将大气压 力、温度和飞机姿态等物理量直接转换为相应的电信号，对这些电信号进行数 字量化后通过统一网络提供给后级处理。大气航姿采集单元通过以下几个部分 执行相关功能：

a.接口数据采集：主要包括两部分，一是对外部的大气压力、大气温度 传感器的输入信号进行转换采集，二是对内部的加速度计、陀螺仪等航姿传感 器信号进行转换和采集；

b.大气航姿数据处理：首先对采集的原始大气航姿数据进行滤波、坏值 剔除等操作，然后将这些数据按照规定的格式输出到统一网络。

操作控制板：操作控制面板为机组人员的人机接口部件，机组人员可通过 操作控制面板实现对机载设备的操作控制。操作控制面板提供按键、数字、字 符、光标、开关等操作部件，这些控件的操作被转换成指令信号通过统一网络 提供给后级处理。操作控制板通过以下几个部分执行相关功能：

c.操作控件的输入人机接口：操作控制面板上提供按键、旋钮和摇杆等 人机接口控件，能够使机组人员通过其进行控制命令的输入；

d.操作控件的状态指示：通过指示灯等方式指示控制操作的状态，提供 给机组人员进行识别；

e.操控数据处理：进行控件输入状态的采集和处理，按照约定的格式通 过统一网络将这些控件的状态进行上报。

统一网络：统一网络作为系统中的数据交互通路，对系统的安全性、经济 性、灵活性和可扩展性具有重要的影响，统一网络采用FlexRay总线，采用总 线式拓扑结构。统一网络的物理实现集成在各个部件单元硬件组成内部，采用 统一的标准通信协议，能够支持总线的双冗余配置。