中國航空計算技術研究所 豐生磊

中國航空計算技術研究所 機載彈載計算機航空科技重點實驗室 李成文 張偉棟 韓 強

中國航空計算技術研究所 李欣瑤

隨著航空電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，綜合任務處理平臺的設計和研制方式將直接影響航空電子系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和研制周期。為了順應航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本文從單元硬件設計、軟件設計和對抗惡劣環(huán)境的工程化設計層面出發(fā)，介紹了一種模塊化綜合任務處理平臺的研究設計。該種綜合任務處理平臺已經(jīng)成功運用在機載計算機中。

航電任務一體化綜合處理平臺是任務航電系統(tǒng)的控制、管理與任務處理中心，承擔綜合化航空電子系統(tǒng)的綜合控制與管理、網(wǎng)絡管理、任務綜合處理、顯示圖像生成、指控處理、信息融合、人-機接口控制和管理、二維/三維數(shù)字地圖生成、態(tài)勢信息處理、視頻交換、音視頻壓縮處理與控制、任務數(shù)據(jù)庫管理與維護、任務管理與狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)健康管理等核心任務處理。本文中綜合任務處理平臺為分布式、模塊化體系結構平臺，具有較強的重構性、擴展性和健壯性。

1 單元硬件設計

綜合任務處理平臺是一個提供公共計算、數(shù)據(jù)接口和駐留功能應用的模塊化系統(tǒng)。它由多個功能模塊硬件部件綜合在一起，通過運行應用功能軟件實現(xiàn)飛機上的系統(tǒng)功能。

綜合任務處理平臺由2個FI單元、2個SE單元和2個TH單元組成。其中，F(xiàn)I單元和SE單元按照熱備份執(zhí)行重構，TH單元按照溫備份執(zhí)行重構。平臺組成以及內(nèi)外部交聯(lián)關系如圖1所示。

圖1 綜合任務處理平臺組成及外部交聯(lián)關系

1.1 FI單元

FI單元負責綜合任務處理平臺內(nèi)各單元之間、與外部系統(tǒng)間高速數(shù)據(jù)傳輸、高程數(shù)字地圖存儲、數(shù)據(jù)處理等功能。單元內(nèi)部采用電信號連接，處理平臺內(nèi)外均采用光網(wǎng)絡互連。

FI單元由網(wǎng)絡交換板、處理存儲板、FC子卡、電源轉(zhuǎn)換板組成。其中，網(wǎng)絡交換板包括FC網(wǎng)絡交換電路、處理器（用于管理交換機）。處理存儲板包括處理器電路、處理器調(diào)試接口、大容量存儲體、存儲器控制接口等。電源轉(zhuǎn)換板包括輸入電源過壓過流保護、電源濾波、掉電儲能、28V轉(zhuǎn)5V、輸出5V電源過壓過流保護等。

FI單元為綜合任務處理平臺內(nèi)部各單元、任務系統(tǒng)之間提供FC數(shù)據(jù)交換接口。系統(tǒng)配置2塊存儲單元，提供余度支持。每個存儲提供數(shù)據(jù)監(jiān)控端口，供系統(tǒng)綜合時監(jiān)控網(wǎng)絡通訊數(shù)據(jù)。

1.2 SE單元

SE單元負責圖像壓縮功能及各類總線輸入接口等接口轉(zhuǎn)換。其組成為接口處理板、圖像處理板、FC子卡、電源轉(zhuǎn)換板。其中，數(shù)據(jù)處理板包括總線接口、輸出離散量接口、電光轉(zhuǎn)換器、處理器電路、處理器調(diào)試接口，圖像處理板包括圖像壓縮電路、圖像總線輸入接口。電源轉(zhuǎn)換板包括輸入電源過壓過流保護、電源濾波、掉電儲能、28V轉(zhuǎn)5V、輸出5V電源過壓過流保護等。

SE單元中的圖像處理板在應急狀態(tài)下不工作，圖像處理板的電源轉(zhuǎn)換電源接收應急指示離散量有效之后關掉電源轉(zhuǎn)換輸出。

1.3 TH單元

TH單元負責任務準備功能、導航功能、通信功能、識別功能、信息感知功能、武器攻擊功能、防御功能、保障功能的實現(xiàn)，由具有處理器功能的數(shù)據(jù)處理板、FC子卡和電源轉(zhuǎn)換板組成。其中，數(shù)據(jù)處理板包括處理器電路、電光轉(zhuǎn)換器、調(diào)試接口。電源轉(zhuǎn)換板包括輸入電源過壓過流保護、電源濾波、掉電儲能、28V轉(zhuǎn)5V、輸出5V電源過壓過流保護等。

每個處理器電路對應一個FC網(wǎng)絡接口（雙MAC方式），28V轉(zhuǎn)5V為正常電源雙余度，每路處理器電路+FC網(wǎng)絡接口為獨立5V供電。

2 軟件設計

綜合任務處理平臺軟件總體架構如圖2所示，分為應用層、執(zhí)行環(huán)境層和操作系統(tǒng)層。

綜合任務處理平臺軟件總體架構與FACE架構是對應的，基于段的綜合任務處理平臺軟件總體架構。層次化結構中的中間件軟件與傳輸服務段以及I/O服務段對應，系統(tǒng)管理軟件與平臺特定服務段對應，功能應用與可移植組件段對應，操作系統(tǒng)與操作系統(tǒng)段對應。各層之間的接口參考FACE標準并進行適應性裁剪。

（1）應用層

應用層駐留功能應用，提供機載任務功能和系統(tǒng)管理功能。

（2）中間件層

中間件層由一組可剪裁的軟件功能組件組成，以中間件軟件的形式存在，為功能應用提供通用和運行環(huán)境。此外，中間件層還提供統(tǒng)一的服務接口，以實現(xiàn)功能應用與處理平臺的隔離。

（3）操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)層提供嵌入式實時操作系統(tǒng)的基本服務，包括單應用任務操作系統(tǒng)和多應用任務操作系統(tǒng)，實現(xiàn)應用任務的調(diào)度、資源管理等功能。

圖2 綜合任務處理平臺軟件總體架構

3 基于惡劣環(huán)境對抗的工程化設計

3.1 電磁兼容性設計

在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，電磁環(huán)境越來越復雜和嚴重，戰(zhàn)場上信號密度可達到25萬～100萬個脈沖/秒，電磁干擾可導致機載計算機操作失靈、顯示器圖形紊亂、通信受到干擾、機要信息泄露等。因此，電磁兼容性設計的好壞很大程度上決定現(xiàn)代機載計算機能否正常工作。

3.1.1 單元機箱設計

通過在結構材料、結構設計和加工工藝等方面采取合理措施保證單元機箱的電磁兼容性。

（1）單元機箱內(nèi)壁采用導電陽極化處理；

（2）單元機箱與左右蓋板和箱體之間增加導電密封繩以防止電磁輻射和干擾；

（3）對輸入/輸出信號采用濾波連接器連接，保證良好的隔離效果。

單元機箱與飛機體結構有搭接線，從設備外殼到飛機結構的搭接電阻應不大于2500μΩ。

3.1.2 電路板設計

通過在布線、搭接、屏蔽、接地、濾波等方面采取合理措施保證電路板信號完整性和電源完整性。

（1）優(yōu)化布局，合理分區(qū)，將數(shù)字電路、模擬電路、大電流器件和其他噪聲元器件等分區(qū)放置；

（2）走線避免形成環(huán)路，若無法避免則應使環(huán)路面積盡量小，減少“天線”效應；

（3）采用多層印制板，設置專用地層和電源層，消除線上噪聲；

（4）離散量輸入通道采用光電耦合器進行隔離；

（5）在電源進入電路板后，設計有效的濾波電路進行處理再提供給各芯片使用。

3.1.3 供電濾波設計

綜合任務處理平臺各功能單元電子組件中每個元器件設計電源去耦電容，所有接口設計EMC保護措施。綜合任務處理平臺各功能單元內(nèi)部設置安裝電源濾波器，用于抑制傳導干擾。

3.2 雷電防護設計

飛機內(nèi)部的電子電器設備、系統(tǒng)一般不會遭遇直接雷擊，但是雷電電磁耦合，比如流入機身的雷電流引發(fā)的電磁場以及結構阻性電壓等，會對飛機內(nèi)部設備造成間接干擾。感應雷產(chǎn)生的感應電磁脈沖可干擾數(shù)據(jù)通信，甚至影響電子設備的性能、壽命或直接損毀，因此雷電防護設計已經(jīng)成為機載電子設備設計的一個重要組成部分。所以，在產(chǎn)品研制的過程中，必須根據(jù)產(chǎn)品自身采用合適的雷電防護措施，盡可能減少雷電對電子設備的危害。

3.2.1 機箱雷電防護

機箱采用鋁合金導電材料制成，整體為電磁密封盒狀結構，各部件低阻抗連接。在機箱上設置低阻抗搭鐵線接地端子，通過接地線使得硬件平臺和系統(tǒng)地形成良好的放電回路，使得電纜、機箱上感應的高能量雷電及時有效地釋放，避免外部雷擊對機箱內(nèi)部功能電路工作產(chǎn)生影響。

3.2.2 電纜雷電防護

為有效防止雷擊對硬件平臺內(nèi)部電路及接口信號產(chǎn)生不利影響甚至影響其正常工作，在信號傳輸?shù)碾娎|上需要進行了以下防護工作。

（1）所有差分信號均采用雙絞屏蔽線連接；（2）電纜屏蔽層與連接器的連接采用屏蔽附件連接，確保信號線在連接處不產(chǎn)生電磁泄露和進入。

3.2.3 接口雷電防護

設計過程中，主要針對感應間接雷擊做相應防護。間接雷電防護的主要措施是通過在電子線路上并聯(lián)能夠快速吸收高能量浪涌的器件，將能量浪涌導入機殼地，同時將線路上的電壓箝制在安全范圍內(nèi)，從而起到保護機載計算機及其電子設備的作用。

常用的瞬態(tài)保護器件有氣體放電管，壓敏電阻，瞬變抑制二極管（TVS），扼流線圈等。綜合任務處理平臺的防護主要依靠瞬態(tài)抑制器（TVS管），TVS管設計在雷電防護接口板上。

結束語：通過對綜合任務處理平臺的單元硬件設計、軟件設計以及基于惡劣環(huán)境對抗的工程化設計等方面進行設計研究，進一步實現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化生產(chǎn)和研制，以期縮短產(chǎn)品研制周期以及增強環(huán)境適應性。本綜合任務處理平臺滿足現(xiàn)代航電系統(tǒng)的實際應用要求，并成功運用在機載計算機中，為未來新型分布式模塊化航電系統(tǒng)的設計與研究提供了技術支持。