一种机载数字地图模块的硬件设计

马鑫哲　钱军琪　付洁　许逸飞

摘要：数字地图模块主要用于执行与数字地图相关的数据处理和存储任务。该文针对飞机航路规划的技术需求，完成了一种机载地图模块的硬件设计。该模块由基板、电子盘和处理器子卡三部分组成，具有功耗低、处理能力强、存储容量大、存储读写速度快等特点，能够满足实际机载系统的应用需求。

关键词：数字地图模块;数据处理;低功耗;航路规划

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：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

數字地图模块用于存储数字地图，并和地图进行高速数据查询和交互，可以计算区域的最高点、坡度等信息。在线航路实时规划与重规划技术是自主飞行控制系统的关键技术[1，2]。目前，航路规划任务数据计算和搜索量不断增大、存储的读写实时性要求不断提高，对机载数字地图模块的功耗、处理能力和存储性能提出了更高的要求。本文针对这一技术需求，进行了适用于飞机航路规划任务的数字地图模块硬件设计。

1 硬件总体框架

由于数字地图模块只用于存储数字地图，不需要进行显示，因此地图板无须设计GPU。考虑到数字地图数据需要读取和处理，因此采用通用处理器子卡加电子盘的架构。本文设计的数字地图模块的硬件总体框架如图1所示，由基板、电子盘和处理器子卡三部分组成。基板部分主要实现电压转换、数据加载、工作模式切换、供电监测等功能。电子盘和处理器子卡通过连接器与基板连接。电子盘有两种模式：正常工作模式和加载模式。正常工作模式下，电子盘通过SATA2.0与处理器子卡通信;加载模式下，通过USB3.0从外部向电子盘内部传输数据。电子盘部分支持28V销密功能，负责数据存储。处理器子卡部分主要完成数据处理功能，对外提供RS232、以太网、离散量信号和PCIE接口。

2 基板硬件设计

基板部分包括电压转换电路、时钟电路、离散量驱动电路、USB转SATA电路和切换开关电路。

整个基板采用两路5V供电。一路5V供电经LTM4600降压为3.3V后给处理器供电，并通过MSP430单片机对LTM4600进行输出电压监测;另一路5V供电经TPS74401降压为3.3V后，给USB转SATA器件供电。两路5V经过电源管理芯片TPS25940ARVCT后，共同给电子盘供电，使得在两种工作模式下电子盘均能正常工作，而且在供电出现问题时，可及时将2路5V供电切除，确保电子盘数据存储的安全性。

基板给处理器子卡提供两路100MHz差分时钟。处理器子卡对外提供离散量接口，并用光耦GH281-4（JCT）进行隔离。离散量主要实现模块工作状态设置、模块ID设定等功能。

USB转SATA器件选用INITIO的3619PLIB4GSCD。该USB转SATA器件支持USB3.0同时兼容USB2.0。电路设计中选用IP4220CZ6和TPD4EUSB30DQAR对USB接口进行ESD保护。电子盘两种工作模式通过高速双向无源开关HD3SS3411进行切换，并利用MSP430单片机对其进行控制。

3 电子盘硬件设计

电子盘部分主要实现大容量存储功能，并支持28V销密。按功能主要分为RAID电路和SM9A84存储电路两大部分。电子盘子卡设计框架如图2所示。

电子盘子卡包含四个相同的SM9A84存储电路，每个SM9A84存储电路实现256GB容量存储功能，4个部分共计实现1TB容量存储。SM9A84是深圳国微电子有限公司自主研发的固态硬盘控制器芯片，采用ARM 926EJS嵌入式处理器，支持SATA2.0接口和USB2.0接口，带有32MB、64MB、或128MB SDRAM，支持ECC校验纠错，兼容主流厂商的SLC、MCL NAND Flash。每一部分的SM9A84存储电路包含有系统SDRAM存储器、加载用SPI FLASH存储器和数据存储NAND FLASH存储器。SM9A84存储电路需要的电源种类分别为3.3V和1.2V，设计采用一片LTM4644实现。

4 处理器子卡硬件设计

处理器子卡部分主要包括处理器电路、存储器电路、FPGA控制电路、结温监测电路、复位电路、电压转换电路和各种接口电路等。处理器子卡设计框架如图3所示。

飞机航路规划的具体应用要求处理器具有较高的性能功耗比，能够在自然散热的情况下工作。此外，航路规划任务计算量大，搜索量大，对浮点运算性能要求较高。综合各方面考虑，选用T1022处理器。该型号处理器集成两个e5500内核，最高主频1.4GHz，设计主频1.2GHz，处理能力为7200MIPS，性能功耗比为1600MIPS/W。采用该处理器，利用其丰富的外围接口，可方便实现SATA、以太网和PCIE等接口。

处理器外围存储电路包括DDR3 SDRAM存储器、FLASH存储器和NvRAM存储器。DDR3存储器采用micron公司的MT41K256M16TW-107 AAT DDR3存储器，每片存储器容量512MB。其时钟频率最大可以达到800MHz，设计降频到600MHz工作。系统FLASH采用1片256MB的S70GL02GS11FHI010实现，通过CPU的IFC总线进行访问。系统FLASH上存有BIT测试程序、FLASH在板编程程序、操作系统等系统软件，用于处理器的启动。NvRAM选用一片128KB的EV2A16AMNYU35，用于系统掉电保护。该器件部集成SRAM和EEPROM。掉电时，将SRAM中的数据写入EEPROM中;上电时可自动将数据从EEPROM写入SRAM中，恢复掉电时的数据。

FPGA选用Xilinx公司Spartan-3 XC3S200AN-4FTG256I，实现模块内部控制逻辑以及局部总线接口转换。主要功能包括：Flash存储器控制逻辑、中断控制电路、复位逻辑、看门狗逻辑和离散量控制逻辑等。测温电路选用ADT7461ARM器件，实现对处理器结温的监测。复位电路由MAX706TESA实现，保证FPGA加载过程中，整个模块处于复位状态，并在加载完成后，继续保持200ms的复位。处理器总体采用3.3V供电，利用电源芯片将3.3V转换成所需的各种工作电压。处理器对外提供JTAG调试接口、RS232串行调试接口、10M/100M/1000Mbps自适应以太网调试接口、PCIE接口、SATA总线接口等。

5 结语

针对飞机航路规划的具体需求，本文进行了机载数字地图模块的硬件设计。设计的模块处理器处理能力为7200MIPS，設计主频1.2GHz，性能功耗比为1600MIPS/W。电子盘存储容量1TB，最大持续读写速度不低于100 MB/s。完全能够满足实际机载任务的需求。

参考文献：

[1] 张启瑞，魏瑞轩，何仁珂，等.城市密集不规则障碍空间无人机航路规划[J].控制理论与应用，2015，32（10）：1407-1413.

[2] 远远.可视化无人机航路规划软件研究与实现[J].现代信息科技，2018，2（3）：78-82.

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