機(jī)載任務(wù)記錄器系統(tǒng)設(shè)計研究

馬江峰，柏 航 ，畢篤彥

（1.中國人民解放軍63981部隊(duì)，湖北 武漢 430311；2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038）

隨著全球數(shù)字化大潮的到來，半導(dǎo)體技術(shù)，超大規(guī)模集成電路技術(shù)以及數(shù)字壓縮存儲技術(shù)的發(fā)展越來越快，使各類飛行參數(shù)的數(shù)字化存儲成為現(xiàn)實(shí)[1]。本文系統(tǒng)采用嵌入式數(shù)字化的記錄方法將飛行數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，記錄在大容量的電子硬盤上,和傳統(tǒng)的模擬磁帶記錄系統(tǒng)相比，機(jī)載任務(wù)數(shù)字記錄器具有保密程度高、檢索方便、節(jié)省空間、便于擴(kuò)充、便于保存和管理等優(yōu)點(diǎn)。

由于機(jī)載任務(wù)記錄器所具有的優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)今高新技術(shù)變革數(shù)字化、信息化、智能化的發(fā)展趨勢，所以研制一種采用先進(jìn)數(shù)字存儲技術(shù)和大容量半導(dǎo)體存儲技術(shù)[2]，具備記錄數(shù)據(jù)的多樣性和全面性，音視頻數(shù)據(jù)記錄的時間同步性和一致性的機(jī)載任務(wù)記錄器便成為當(dāng)前機(jī)載記錄系統(tǒng)的發(fā)展和研制方向。本文機(jī)載任務(wù)記錄器能夠滿足現(xiàn)代化的要求，對于應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

機(jī)載任務(wù)記錄器主要包括7個分立單元，它們是：核心控制單元、音視頻壓縮記錄單元、前視域攝像頭、外部控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、音視頻系統(tǒng)和存儲單元。各單元的交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)部各組件的交聯(lián)關(guān)系Fig.1 System connection relations of the internal components

其中，核心控制單元由NANO作為CPU，運(yùn)行VX操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)記錄器的控制、接收并存儲任務(wù)數(shù)據(jù)、為任務(wù)數(shù)據(jù)加入時間標(biāo)簽；音視頻壓縮記錄單元完成音視頻數(shù)據(jù)的同步壓縮記錄，并負(fù)責(zé)在壓縮視頻碼流內(nèi)加入時間標(biāo)記；數(shù)據(jù)采集單元通過多種接口與多種機(jī)載設(shè)備交聯(lián)，采集任務(wù)數(shù)據(jù)并通過統(tǒng)一的接口、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式送入核心控制單元；外部控制單元實(shí)現(xiàn)對面板開關(guān)狀態(tài)的采集和識別，并通過RS422接口實(shí)現(xiàn)和核心控制單元的通信，完成對核心控制單元“狀態(tài)請求”的應(yīng)答，并在開關(guān)狀態(tài)改變時及時通知核心控制單元；音視頻系統(tǒng)完成機(jī)載視頻數(shù)據(jù)的采集，并轉(zhuǎn)換為LVDS視頻格式送入音視頻壓縮記錄單元；前視域攝像頭負(fù)責(zé)飛機(jī)前視域畫面的拍攝，并將視頻以CVBS視頻格式送入音視頻壓縮記錄單元；存儲單元完成機(jī)載任務(wù)數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)的記錄，并載有RTC時鐘電路，可以長期有效存儲標(biāo)準(zhǔn)北京時間。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過多種接口實(shí)現(xiàn)了同原有機(jī)載設(shè)備的對接，采集了多路任務(wù)數(shù)據(jù)以及音視頻數(shù)據(jù)；通過GPS校時模塊獲取了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間，實(shí)現(xiàn)了對多路任務(wù)數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)的同步時間標(biāo)記；采用了H.264高效音視頻壓縮編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了音視頻數(shù)據(jù)的同步、高效記錄；采用了固態(tài)硬盤存儲海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)的快速、無誤碼存儲[3]；采用了Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)以及優(yōu)化編程的技術(shù)方案，保證了設(shè)備可實(shí)時性和可靠性。

2 兩個關(guān)鍵單元設(shè)計

機(jī)載任務(wù)記錄器的核心任務(wù)是記錄多路任務(wù)數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)，其中任務(wù)數(shù)據(jù)的記錄由核心控制單元完成，音視頻數(shù)據(jù)的記錄由音視頻壓縮記錄單元完成，所以下文分別對這2個關(guān)鍵單元的設(shè)計進(jìn)行說明。

2.1 核心控制單元

核心控制單元的整體架構(gòu)為NANO+DSP[4-5]，該設(shè)計解決了多路高速串口數(shù)據(jù)的同步、無誤碼的記錄，板載主要硬件資源包括：NANO——一種基于X86架構(gòu)的CPU，可以運(yùn)行多種嵌入式操作系統(tǒng)，是記錄器的核心處理器；DSP，負(fù)責(zé)接收多路外部高速串口數(shù)據(jù)；DPRAM，容量為64 kB，為數(shù)據(jù)提供高速緩存；XR17D158,串口芯片，提供8路外擴(kuò)串口。其對外接口為多路RS422差分接口信號、SATA總線接口信號和2路RS-232接口。其中XR17D158外擴(kuò)的8路串口中，多路用于核心控制單元同其它組件的通信，2路用于接收外部低速串口數(shù)據(jù)，預(yù)留1路作為擴(kuò)展之用。核心控制單元原理框圖如圖2所示。

圖2 核心控制單元原理框圖Fig.2 The core control unit principle block diagram

2.2 音視頻壓縮記錄單元

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻壓縮，本方案采用了H.264音視頻壓縮算法[6]實(shí)現(xiàn)壓縮記錄。H.264是視頻壓縮領(lǐng)域最新的優(yōu)化編碼標(biāo)準(zhǔn)，它采用了幀內(nèi)和幀間預(yù)測，4×4的DCT變換，具有壓縮效率高、圖像質(zhì)量好的特點(diǎn)。

H.264算法具有很高的效率，但是其運(yùn)算量非常大，通常需要借助于專用硬件來實(shí)現(xiàn)實(shí)時高分辨率的視頻壓縮。為了方便本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，方案選擇了應(yīng)用已經(jīng)成熟的高性能H.264專用壓縮芯片完成對音視頻的實(shí)時高效壓縮，控制單元采取嵌入式處理器ARM實(shí)現(xiàn)。音視頻壓縮單元主要實(shí)現(xiàn)對2路視頻和2路聲音的同步壓縮記錄，具有可靠性高，體積小的特點(diǎn)。其原理圖如圖3所示。

圖3 音視頻壓縮記錄單元原理框圖Fig.3 Record audio and video compression unit principle block diagram

板載硬件資源主要有：ARM，音視頻壓縮記錄單元的控制器；視頻編碼器，H.264專用壓縮芯片，完成對音視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼；AD7118和語音編碼器，分別完成視頻和音頻數(shù)據(jù)的采樣；SDRAM，為音視頻碼流提供大容量緩存；CPLD，負(fù)責(zé)板卡的電源管理，時鐘管理和其它時序控制。

3 GPS校時軟件

3.1 GPS校時原理

為了統(tǒng)一系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)，本文采用GPS為系統(tǒng)校時。GPS授時原理是基于在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延（Δt），以達(dá)到對本地時鐘的定時與校準(zhǔn)[7]。GPS定時準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：

1)信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷（位置）誤差；

2)信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；

3)接收端：接收機(jī)時延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。

3.2 軟件設(shè)計

軟件利用Microsoft公司提供的ActiveX控件 Microsoft Communications Control，盡管控件的靈活性不如直接對串口進(jìn)行操作，但是由于GPS校時模塊并沒有復(fù)雜的設(shè)計，因此采用控件不僅沒有上述缺點(diǎn)，而且還簡化了編程。GPS時鐘采用世界協(xié)調(diào)時-UTC，在GPS衛(wèi)星上載有與UTC時間同步的原子鐘，成為一種空間的時間基準(zhǔn)，用戶接收GPS衛(wèi)星的時間服務(wù)信號，校正本機(jī)時鐘，與GPS時鐘同步，完成時間傳遞任務(wù)。

圖4 GPS校時軟件界面Fig.4 The interface of GPStime correction software

圖4 中的3個文本框分別顯示的是GPS時間，BIOS時間,時鐘模塊時間，4個按鈕用于校準(zhǔn)BIOS、校準(zhǔn)模塊、同時校準(zhǔn)BIOS和模塊。

校時程序用于校準(zhǔn)校時模塊時間。在有GPS信號時，可用GPS時間校準(zhǔn)校時模塊和BIOS時間；在無GPS信號時，可用BIOS時間校準(zhǔn)校時模塊時間。

該模塊由4部分組成:讀GPS時間，讀BIOS時間，讀時鐘模塊，寫B(tài)IOS時間，寫時鐘模塊。

4 結(jié)束語

該機(jī)載任務(wù)記錄器通過先進(jìn)算法、關(guān)鍵單元和GPS校時的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)記錄的多樣性和全面性，實(shí)現(xiàn)了音視頻數(shù)據(jù)記錄的同步性和統(tǒng)一性，滿足了快速、實(shí)時、準(zhǔn)確的 使用要求，同時也適應(yīng)了高新技術(shù)發(fā)展的要求。文中任務(wù)記錄器已經(jīng)投入使用，在各種環(huán)境條件下使用都擁有良好的性能，工作穩(wěn)定可靠、實(shí)時準(zhǔn)確。該任務(wù)記錄器還在不斷更新、擴(kuò)充和優(yōu)化，以滿足更高的使用要求，達(dá)到更好的使用效果。

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