賈宏亮，王璐璐

（1.北京航空航天大學(xué) 北京 100191；2.北京航空工程技術(shù)研究中心 北京 100076）

隨著航空技術(shù)迅速發(fā)展，民航飛機(jī)運(yùn)輸任務(wù)量越來(lái)越大，飛機(jī)的出勤率越來(lái)越高，軍航飛機(jī)對(duì)二次起飛準(zhǔn)備時(shí)間也要求越來(lái)越短，飛機(jī)的飛行記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以用來(lái)對(duì)飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)健康安全監(jiān)控、對(duì)飛行人員操縱水平的判讀，軍航還可以將這些數(shù)據(jù)結(jié)合其它技術(shù)手段，融入到指揮系統(tǒng)，可以可視化飛機(jī)在訓(xùn)練或者演習(xí)中的飛行情況。目前大多數(shù)軍民航機(jī)載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)的獲取都是通過(guò)機(jī)務(wù)工作人員攜帶便攜式地面設(shè)備到停機(jī)坪從飛機(jī)上用電纜連接機(jī)載飛行記錄系統(tǒng)設(shè)備下載數(shù)據(jù)或者直接將機(jī)載飛行記錄系統(tǒng)的轉(zhuǎn)存盤(pán)/存儲(chǔ)卡拆卸下來(lái)獲取數(shù)據(jù)[1-6]。3G網(wǎng)絡(luò)UMTS業(yè)務(wù)目前已得到飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳速速率也越來(lái)越大，依托3G網(wǎng)將機(jī)載飛行記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛骘w行數(shù)據(jù)管理站，面對(duì)飛機(jī)數(shù)量多和出勤率高的情況下，能提高工作效率，減小飛機(jī)再次起飛的準(zhǔn)備時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)地面飛行數(shù)據(jù)管理站的地理位置設(shè)站不受和它與飛機(jī)停機(jī)坪之間的距離限制。

1 系統(tǒng)工作原理

基于3G通信網(wǎng)機(jī)載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示，在飛機(jī)飛行結(jié)束飛機(jī)著陸后，此系統(tǒng)將讀取機(jī)載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)處理后，依托3G通信網(wǎng)將飛機(jī)飛行記錄數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)降孛骘w行數(shù)據(jù)管理站。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 The working principle diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由ARM920T為內(nèi)核的S3C2440位處理器，以太網(wǎng)控制器DM9000，串口接口電路MAX3232、MAX488，加密芯片LKT4300，WCDMA模塊EM770W和供電控制電路組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 飛行數(shù)據(jù)通信控制接口

目前機(jī)載飛行紀(jì)錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口主要有RS232、RS422和以太網(wǎng)這3種，S3C2440微處理器片上具有3通道的UART，選其中的2路分別外掛MAX3232和MAX488實(shí)現(xiàn)串口讀取數(shù)據(jù)，S3C2440具有1G的空間地址，并且把他們劃分成了8個(gè)bank區(qū) （bank0-bank7），可以選取其中一個(gè)bank區(qū)的控制線(xiàn)nGCSx作為以太網(wǎng)控制器DM9000的片選信號(hào)，S3C2440的低16位數(shù)據(jù)線(xiàn)直接外掛DM9000的16位地址線(xiàn)，S3C2440具有豐富的中斷源，選其中一個(gè)中斷INTx外掛DM9000的外部中斷接口，因?yàn)槭请p字節(jié)對(duì)齊，可以用S3C2440的ADDR2地址線(xiàn)來(lái)外掛DM9000的CMD控制線(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.2 飛行數(shù)據(jù)加密電路

S3C2440片上具有兩通道的SPI，為了將非保密數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密芯片LKT4300和S3C2440通過(guò)SPI通道建立它們之間的通訊，同時(shí)LKT4300要求必須將自己設(shè)為主模式，S3C2440設(shè)為從模式。

2.3 3G模塊外圍電路

選用 3G 模塊 EM770W，EM770W 支持 UMTS、EDGE、GPRS和GSM業(yè)務(wù)，其中UMTS業(yè)務(wù)里，HSPA能力已經(jīng)達(dá)到上行2 Mbps，下行7.2 Mbps的速率，EDGE達(dá)到236.8 kbps的速率，GPRS達(dá)到了53.6 kbps的速率。EM770W模塊是以mini-PCI物理接口，含有USB接口控制線(xiàn)，USIM卡接口控制線(xiàn)，S3C2440片上USB控制器外掛EM770W的USB接口控制線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)它們之間的通訊。同時(shí)用EM770W的USIM卡接口控制線(xiàn)設(shè)計(jì)外掛USIM卡電路，EM770W模塊具主集和分集兩個(gè)天線(xiàn)SMA形式的接口，兩個(gè)天線(xiàn)阻抗必須選擇50ohm的特性阻抗的電纜和天線(xiàn)，推薦使用增益大于1dBi的天線(xiàn)。

2.4 系統(tǒng)供電控制

飛機(jī)上的供電電網(wǎng)一般為115 V 400 Hz或者27 VDC，此處設(shè)計(jì)應(yīng)用飛機(jī)27 VDC供電網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)轱w機(jī)在飛行結(jié)束后才需要獲取機(jī)載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)，并且在飛機(jī)在高空中不能接收到3G基站的信號(hào)，同時(shí)為了滿(mǎn)足飛機(jī)的飛行安全管理要求，因此要求確保此機(jī)載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)只能是飛機(jī)在地面的情況下才能工作，所以引用飛機(jī)在地面時(shí)飛機(jī)起落架空-地狀態(tài)信號(hào)和起落架艙門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)二者的與邏輯來(lái)控制給此無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)供電。

系軟件部分主要包括建立和機(jī)載飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的RS232、RS422和以太網(wǎng)通訊模塊，數(shù)據(jù)加密模塊和3G無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，它建立在以L(fǎng)inux體系結(jié)構(gòu)上，Linux內(nèi)核功能強(qiáng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

大，源碼開(kāi)放，在開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)、串口、USB等接口的驅(qū)動(dòng)程序比較靈活[7]，而且內(nèi)核源碼開(kāi)放，內(nèi)核編譯配置參考資源較多，方便剪裁，能減小軟件的開(kāi)發(fā)難度。

3.1 通信模塊

系統(tǒng)上電后，S3C2440完成系統(tǒng)初始化，開(kāi)啟數(shù)據(jù)通信進(jìn)程，查詢(xún)串口或者以太網(wǎng)接口是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，在響應(yīng)到串口和以太網(wǎng)的發(fā)送的中斷請(qǐng)求后，開(kāi)始接受串口或者以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制流程如圖3所示。

圖3 通信模塊流程圖Fig.3 Flow diagram of communication module

3.2 數(shù)據(jù)加密模塊

LKT4300 芯 片 支 持 DES/TDES/AES，RSA，ECC 加 密 算法，對(duì)于非保密數(shù)據(jù)加密可以用其算法[8]。在LKT4300的內(nèi)操作系統(tǒng)定義了幾個(gè)函數(shù)，可以方便用戶(hù)的開(kāi)發(fā)，LKT4300中為用戶(hù)提供額外16K字節(jié)的NVM（非遺失存儲(chǔ)器）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址范圍0x0000-0x4000，用戶(hù)可以在程序中調(diào)用NVM讀寫(xiě)函數(shù)操作這個(gè)區(qū)域，在這里實(shí)現(xiàn)用DES通用加密算法。

讀寫(xiě)NVM區(qū)函數(shù)

extern void LK_WriteNvm（u16 addr， u8*buf，u8 len）；

extern void LK_ReadNvm（u16 addr， u8*buf，u8 len）；

addr代表地址，buf代表要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)，len是長(zhǎng)度。

取隨機(jī)數(shù)函數(shù)

Extern void LK_GetRanddom（u8*buf， u8 len）；

buf代表取出來(lái)的數(shù)據(jù)，len是要去的長(zhǎng)度

DES加解密函數(shù)

extern void LK_DESEncrypt （u8*plain， u8*k， u8*cipher）；

extern void LK_DESDecrypt （u8*plain， u8*k， u8*cipher）；

plain代表要加密的數(shù) ，k是密鑰，cipher是加解密運(yùn)算后的結(jié)果。

LKT4300和S3C2400建立SPI通信接收完命令后，LKT4300內(nèi)操作系統(tǒng)接管數(shù)據(jù)，直接進(jìn)入u32 APP_FUCTION（）函數(shù)，開(kāi)始解析S3C2440的指令，然后運(yùn)行算法函數(shù)，算法函數(shù)處理完畢，LKT4300馬上返回?cái)?shù)據(jù)，如下圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)加密功能框圖Fig.4 Data encryption function block diagram

3.3 3G無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

3G模塊EM770W使用的USB驅(qū)動(dòng)的VID為0x12d1，PID為0x1001，在PC端映射出3個(gè)端口，分別為:3G MODEM端口，承載AT指令，主要用于發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；3G PC UI Interface端口，承載AT指令，主要用于MODEM口被占用的情況下用端口進(jìn)行AT命令的操作；3G Application Interface端口，承載DIAG任務(wù)。

3G模塊在Linux體系下的USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)需要usbmodeswitch-1.2.6，libusb-0.1.12.tar.gz，libcap-0.9.8.tar.gz，ppp-2.4.4.tar.gz和arm-linux交叉編譯器等GNU軟件包，此處要求Linux內(nèi)核至少是2.6以上的版本。

S3C2440主程序?qū)M770W模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，完成分配的IP地址，USIM卡的檢測(cè)，接入網(wǎng)關(guān)，設(shè)置3G網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)提示，檢測(cè)并連接網(wǎng)絡(luò)等工作。當(dāng)系統(tǒng)接入3G網(wǎng)后，采用TCP/IP傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié) 論

基于3G通信網(wǎng)機(jī)載飛行記錄數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用成熟的ARM920T處理器，和3G模塊，它體積小，耗電小，成本低，能可靠安全的通過(guò)3G通信網(wǎng)把機(jī)載飛行記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀芾碚尽Ｋ脑O(shè)計(jì)架構(gòu)里，只需將加密算法、或者3G終端改為其它無(wú)線(xiàn)傳輸終端依托其他專(zhuān)用通信網(wǎng)，就能滿(mǎn)足其它情況下的機(jī)載飛行記錄數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，具有較強(qiáng)的實(shí)用設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

[1]趙清州，劉浩.教練機(jī)飛行信息安全記錄與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展研究[J].教練機(jī)，2012，（3）:77-86.ZHAO Qing-zhou，LIU Hao.Research on development of trainer flight information safety recording and application technique[J].Trainer，2012（3）:77-86.

[2]朱孝政，馬江峰，何林遠(yuǎn).機(jī)載任務(wù)記錄器中數(shù)據(jù)組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（7）:41-43.ZHU Xiao-zheng， MA Jiang-feng， HE Lin-yuan.Airborne mission recorder data logger component design and implementation[J].Electronic Design Engineering，2012，20（7）:41-43.

[3]孫瑞山，肖亞兵.基于QAR記錄數(shù)據(jù)的民航飛行員操作特征指示結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8（11）:49-54.SUN Rui-shan，XIAO Ya-bin.Research on indicating structure for operation characteristic of civil aviation pilots based on QAR data[J].Journal of Safety Science and Technology，2012，8（11）:49-54.

[4]李偉華，曹云飛.固態(tài)飛行參數(shù)記錄器設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008，（6）:57-62.LI Wei-hua，CAO Yun-fei.The design of a solid flyparameter recorder [J].IndustrialInstrumentation and Automation， 2008，（6）:57-62.

[5]王偉，費(fèi)益.民用飛機(jī)飛行記錄系統(tǒng)研究[J].電光與控制，2013，20（3）:73-76.WANG Wei，F(xiàn)EI Yi.Flight recording system of civil aircraft[J].Electronic Optics&Control， 2013， 20（3）:73-76.

[6]吳曉男，于雅峰.某型飛參地面預(yù)處理接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2006，14（3）:393-394，414.WU Xiao-nan，YU Ya-feng.Design of a flight parameter ground preprocessing interface system [J].Computer Measurement&Control，2006，14（3）:393-394，414.

[7]馬永力.基于3G技術(shù)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].煤炭技術(shù)，2013， 32（4）:166-167.MA Yong-li.Research of coal mine monitoring system based on 3G[J].Coal Technology， 2013，32（4）:166-167.

[8]王?？?，范伊紅，廉飛宇，等.AES加密算法在不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2006，14（1）:95-97.WANG Hai-ke， FAN Yi-hong， LIAN Fei-yu， et al.AES encry algorithms application in nostop electronic toll collection system[J].Computer Measurement& Control，2006，14（1）:95-97.