一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡的制作方法

1.本发明涉及无人机机载计算机领域，具体涉及一种无人机机载异构设备统一接入与协议转换板卡。


背景技术：

2.现有无人机系统通常需要将多种子设备进行互联，包括飞控设备、任务计算机、通信设备、以及大量的任务载荷(装备到飞机上完成某种任务的设备)。传统方法采用点对点的方式将需要互联的设备进行连接，如采用异步rs422接口连接传输小数据量的设备，采用同步rs422接口连接传输大数据量的设备；或采用总线技术将设备连接至一主控计算机。随着机载计算机处理性能的提高及机载设备的发展，现有机载设备的互联方法已经不能满足机载系统的需求。
3.近年来无人机系统飞速发展，除了需要将多种设备与任务计算机互联，还需要搭载越来越多种类的任务载荷，实现不同应用功能，并有同时装载多种载荷使无人机实现多功能一体化的需求。设备接口类型各异，已有系统固定静态接口类型及数量无法满足接口类型及数量多样及动态可变的需求；其次，无人机机载设备之间的通信拓扑针对具体应用在设计过程中已经确定，在适配设备的过程中，需要为不同的设备设计不同的软件、硬件系统，一旦更换设备、增加设备，甚至需要重新设计硬件接口电路及相应驱动程序，系统维护代价高且设备之间难以兼容。
4.无人机系统连接多种异构设备，设备接口繁多，但无人机的承载能力有限，且任务执行不可能搭载所有设备，且统一接入板支持有限种类及数量的接口类型。


技术实现要素：

5.针对以上缺陷，为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无人机载设备统一接入无人机任务计算机的接入板卡，使得通过统一接入板卡，无人机可以搭载异质异构的多种设备，接入系统时间更快，开发时间更短，数据传输效率更高，设备可灵活加载并更换。
6.本发明的技术方案为：一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡，所述板卡包括fpga模块、电源模块、时钟模块、光电转换模块、存储模块、接口电路模块、连接器模块；所述板卡支持sdi、can、异步rs422、同步rs422、1000base
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t以太网口、光纤rapid和pcie接口；所述板卡提供pcie接口为接入板卡与任务计算机的主处理卡的统一互联接口；所述板卡支持各种接口的物理电平转换为通用ttl电平；所述板卡支持各种接口的物理层协议及传输协议解析；所述板卡支持各种接口的数据并行收发。
7.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡支持同步rs422、异步rs422、can接口通过pcie数据通道的数据收发，单次传输数据块大小为用户指定，最大4kbyte，并保证设备数据帧完整传输。所述板卡支持sdi、1000base
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t、rapid板接口通过pciedma数据通道的数据收发,单次传输的数据块大小为4kbyte，并保证设备数据完成传
输。
8.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡支持一路同步rs422到另一路同步rs422接口的数据透传。
9.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡支持pcie接口用于设备接入接口的协议转换。
10.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡具有对应的linux驱动程序，提供pcie接口驱动及设备互联接口的数据收发操作。
11.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡连接机载设备的接口检测到有数据接收，接口控制器对接收数据进行协议解析，从接口数据包或数据帧中提取有效数据，将数据写入数据缓存。各个接口对应独立的接收数据存储空间，接口接收数据写入数据缓冲区改变缓冲状态触发给pcie的中断，pcie控制器接收中断，判断接收数据所属的接口，从对应接口读取数据，进行pcie协议的数据包封装，经过pcie控制器发送数据。
12.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡，当机载任务计算机向某机载设备发送数据时，首先发送携带发送数据的pcie数据包到板接口卡，pcie控制器接收数据，对数据进行pcie协议解析，提取有效数据，并检查数据的目标接口，将数据写如对应接口的发送缓冲区；接口控制器启动数据向连接设备发送，从对应缓冲中提取数据，进行协议封装，按照相应接口的协议格式进行数据发送。
13.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡，所述连接器模块实现对外互联，连接器形式为vpx连接器。
14.进一步地，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡，所述fpga模块包括逻辑部分和arm部分；所述arm部分通过异步互联管理将控制器与逻辑功能部分相连接；所述逻辑部分各存储器对不同接口的数据进行二次同步。
15.本发明的一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡，提供一套软硬件方案，可以使多种机载设备与机载任务计算机无缝的连接在一起，如飞控设备，数据终端设备、任务载荷等，通过统一接入板的协议转换在设备之间进行数据交换。与现有技术相比，本发明支持多种类型接口的机载设备，包括同步rs422、异步rs422、sdi、can、1000base
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t、rapidio，满足机载设备接口多样化的需求；简化了设备接入系统的设计开发，一次设计，重复利用；提高了设备间传输数据的效率；支持载荷设备的灵活使用。
附图说明
16.图1为一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡模块构成示意图；
17.图2为一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡接口电路模块原理示意图；
18.图3为一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡fpga模块实现原理示意图；
19.图4为一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡fpga模块实现数据处理流程示意图；
20.图5为一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡基于fpga的协议转换示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图来进一步描述本发明的技术方案。
22.如图1所示，一种无人机异构设备统一接入与协议转换板卡，所述板卡包括fpga模块、电源模块、时钟模块、光电转换模块、存储模块、接口电路模块、连接器模块；所述板卡支持sdi、can、异步rs422、同步rs422、1000base
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t以太网口、光纤rapid和pcie接口；所述板卡提供pcie接口为接入板卡与任务计算机的主处理卡的统一互联接口；所述板卡支持各种接口的物理电平转换为通用ttl电平；所述板卡支持各种接口的物理层协议及传输协议解析；所述板卡支持各种接口的数据并行收发。
23.现有小型无人机的设备接口有ppm、sbus、串口(包括ttl，232，422，485几种)、spi、i2c、can、usb等，中大型无人机设备接口参考机载数据总线。其中，中低速数据总线有：std
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1553b数据总线，用于飞行器内部时分命令的多路数据总线；arinc429数据总线，用于传输数字信息；rs485数据总线；同步rs422数据总线、异步rs422数据总线，用于数字信息的串行传输；can总线，用于组建控制器局域网的线程总线；等等。中高速数据总线有：ieee1394数据总线，用于高性能串行数据传输；sdi数据总线，用于视频数据传输；等等。高速数据总线有：afdx总线，航空电子全双工交换以太网可对数据、图像、多媒体业务进行高速传输；tte时间触发以太网数据总线；以太网数据总线，网络简单、数据传输可靠性高。考虑中大型无人机有更多针对任务更换设备的需求，并涵盖中大型无人机使用雷达、摄像机进行侦察的应用需求，设计支持有限类型、覆盖更多应用的设备统一接入板卡，选择rs422接口、can接口、sdi接口作为接口板支持的接口类型，sar雷达通过rs485或rs422接口连接，飞控设备主要通过can接口连接，视频设备主要通过sdi接口连接，并选择以太网接口作为无人机系统间互联接口，从而实现以有限的资源支持尽可能多的应用覆盖。
24.一、电源模块、时钟模块、存储模块
25.电源模块、时钟模块、存储模块属于功能支持模块，为功能实现提供必要条件。
26.1、电源模块
27.电源模块为整板提供电源支持，采用dc
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dc将12v输入转换为板内各芯片的需求电源： 1.0v、 3.3v、 2.5v、 1.8v、 1.5v、 1.2v。
28.2、时钟模块
29.时钟模块为fpga产生所需的50mhz、100mhz、125mhz、185mhz、184.35mhz、25mhz时钟。
30.3、存储模块
31.存储模块为fpga提供外部存储，包括norflash，用于存储fpga并行加载配置文件；eeprom,用于存储fpga串行加载配置文件；ddr3，用于fpga的arm运行程序。
32.二、光电转换模块、接口电路模块及fpga模块
33.光电转换模块、接口电路模块及fpga模块属于接入板卡的功能模块。
34.1、光电转换模块
35.光电转换模块将fpga的rapid板电信号转换为光信号。
36.2、接口电路模块
37.接口电路模块采用接口芯片实现can、sdi、rs232、异步rs422、同步rs422接口的物理层信号转换，转换后的信号可以与fpga连接。
38.接口电路模块内包含针对不同接口进行物理层信号转换的电路部分，如图2所示。1000base
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t的接口电路由以太网phy及网络变压器组成，以太网phy实现fpga的rgmii信号到网口1000base
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t信号的转换，网络变压器对信号进行增强、保护芯片并提高抗干扰能力。同步rs422和异步rs422接口电路包括rs422收电路和rs422发电路，rs422收电路将差分rs422电平信号转换为单端收信号，rs422发电路将单端发送信号转换为符合rs422标准的差分发信号。同步rs422和异步rs422使用相同的电路，同步rs422比异步rs422多一路对时钟信号的转换。can接口电路包括can隔离收发器电路，can隔离收发器实现can信号的收发及隔离，将can控制器的逻辑电平转换为can总线的差分电平并具有隔离功能。sdi接口电路包括sdi线缆均衡器，对sdi信号进行矫正。
39.3、fpga模块
40.fpga模块是整个接入板卡的核心模块，实现除了信号物理层转换的所有功能。
41.fpga模块以fpga芯片为核心，fpga具有如下特性：支持cortextm
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a9核、具有大量逻辑单元、支持高速收发器、支持pcie、支持ddr内存接口。fpga模块包括两部分，逻辑和arm部分，模块构成及实现如图3所示。arm部分实现异步rs422、rs232、can及1000base
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t控制器，并通过异步互联管理将控制器与逻辑功能部分相连接。逻辑部分实现sdi、rapid板、同步rs422控制器，fifo存储器、数据buffer存储器，fifo存储和数据buffer存储对不同接口的数据进行二次同步。1000base
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t、sdi、rapidio接口的大量数据经过逻辑实现的复用选择器存入对应ddr内存空间。同时，逻辑实现各个接口的存储监控，用于产生pcie中断。pcie控制器也由逻辑实现，用于接收中断读取数据向外发送数据或将接收数据写入对应接口存储并产生中断。
42.fpga逻辑通过pcie中断缓冲实现接口板互联设备通过不同类型接口接收的数据与pcie数据包之间映射关系。当设备接口缓冲满则产生不同中断号的pcie中断，对pcie中断进行缓冲，pcie控制器根据pcie中断号确定中断源，从不同的设备接收数据缓冲读取数据组成pcie数据包，并在pcie数据包中添加设备接口标识。通过建立映射关系实现一对一的数据收发。
43.接口板卡fpga的接口控制器及缓冲共同实现接口协议的转换，包括pcie
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can、pcie
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同步rs422、pcie
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异步rs422、pcie
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1000base
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t、pcie
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sdi、pcie
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rapid板。如图5所示。
44.三、连接器模块
45.连接器模块实现对外互联，连接器形式为vpx连接器。
46.值得指出的是，本实施例中，板卡支持同步rs422、异步rs422、can接口通过pcie数据通道的数据收发，单次传输数据块大小为用户指定，最大4kbyte，并保证设备数据帧完整传输。所述板卡支持sdi、1000base
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t、rapid板接口通过pciedma数据通道的数据收发,单次传输的数据块大小为4kbyte，并保证设备数据完成传输。
47.设备统一接入板卡支持一路同步rs422和另一路同步rs422之间的数据透传，即数据收发不经过任务计算机，在两个同步rs422接口之间直接传输。
48.本发明的板卡支持pcie接口用于设备接入接口的协议转换。板卡具有对应的linux驱动程序，提供pcie接口驱动及设备互联接口的数据收发操作。
49.本发明中fpga对数据的处理流程如图4所示。连接机载设备的接口检测到有数据
接收，接口控制器对接收数据进行协议解析，从接口数据包或数据帧中提取有效数据，将数据写入数据缓存，对不同的接口写入数据缓存的方式不同：can、异步rs422、rs232接口控制器由arm实现，接收数据通过数据互联管理先写入由逻辑实现的fifo中，再写入数据buffer中，对数据进行二次同步；1000base
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t控制器也由arm实现，采用dma的方式进行数据搬移；sdi、rapid板控制器由逻辑实现，1000base
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t、sdi、rapid板三个高速接口的数据通过高速复用选择开关写入ddr内存；同步rs422接口控制器由逻辑实现，接收数据直接写入数据buffer中。各个接口对应独立的接收数据存储空间，接口接收数据写入数据缓冲区改变缓冲状态触发给pcie的中断，pcie控制器接收中断，判断接收数据所属的接口，从对应接口读取数据，进行pcie协议的数据包封装，经过pcie控制器发送数据。
50.当机载任务计算机向某机载设备发送数据时，首先发送携带发送数据的pcie数据包到板接口卡，pcie控制器接收数据，对数据进行pcie协议解析，提取有效数据，并检查数据的目标接口，将数据写如对应接口的发送缓冲区：若为can、异步rs422、rs232接口，并通过数据互联管理传给对应接口控制器，并产生arm中断，通知arm，接口控制器向设备发送数据；若为1000base
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t、sdi、rapid板接口，则将有效数据写入ddr内存对应地址，接口控制器检测到有数据，启动数据发送；若为同步rs422接口，则将有效数据写入对应数据buffer，同步rs422接口控制器直接从数据buffer中读取数据进行发送。接口控制器启动数据向连接设备发送，从对应缓冲中提取数据，进行协议封装，按照相应接口的协议格式进行数据发送。