一种基于车规级芯片搭建QNX系统的飞机仪表的方法与流程

一种基于车规级芯片搭建qnx系统的飞机仪表的方法
技术领域
1.本发明属于飞行控制技术改进领域，尤其涉及一种基于qnx系统的飞机仪表。


背景技术：

2.从20世纪60年代开始出现电子屏幕显示仪表，逐步在取代指针式机电仪表，使仪表进入革新的时代。到70年代中期，电子屏幕显示仪表又进一步向综合化、数字化、标准化和多功能方向发展，并出现了高度综合又互相补充、交换显示的电子综合仪表显示系列。驾驶员可以通过控制板对飞机控制和安全监督，初步实现人机“对话”。
3.国内航空航天信息显示相关系统一直采用国外进口方式引进，近年来，国家大力扶持和推动将航空航天显示相关系统进行国产化，基于qnx系统飞机仪表设计方案，通过使用车规级芯片代替价格昂贵的航空级芯片，大量降低了设计成本的同时，也保证了功能完整性和质量的稳定性。并帮助主机厂完成航空航天信息显示相关系统国产化战略目标。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种利用车规级芯片基于qnx系统的飞机仪表的构建方法，旨在解决上述的技术问题。
5.本发明是这样实现的，一种利用车规级芯片基于qnx系统的飞机仪表的构建方法，包括应用层、驱动层及中间层；所述利用车规级芯片基于qnx系统的飞机仪表的构建方法包括以下步骤：
6.s1、将两个串行总线处理芯片与soc采用两路spi通讯相连扩展为多路接口进行数据转化；
7.s2、通过对多路接口进行参数定义后与车规级芯片构建的驱动层进行通讯；
8.s3、对中间层的消息队列的操作封装成库文件，利用库文件对消息进行处理在qnx系统中构建飞机仪表。
9.本发明的进一步技术方案是：所述步骤s3中中间层管理消息队列包括以下步骤：
10.s31、中间层通过寄存器获取到消息后将其插入消息列队中；
11.s32、应用层从消息列队中提取消息进行处理后将消息插回消息列队中；
12.s33、中间层将处理后的消息从列队中提取出将其写入驱动层的硬件中。
13.本发明的进一步技术方案是：所述步骤s1中通过soc芯片驱动arinc429芯片实现arinc429通信，sample程序通过devctle向arinc429传输数据，写入arinc429信息是依靠429芯片将spi信号转换为arinc429信号；读取是将arinc429信号转换成内部的寄存器的值，然后通过spi接口获取存储于芯片内部的值，从而获取到arinc429数据。
14.本发明的进一步技术方案是：所述驱动层中两路rs485通讯协议不同，一路为串口转rs485，一路通过i2c命令转成串口在转成rs485信号；第一路的接收和发送是基于原生bsp串口设备节点实现，通过系统调用read,write来实现读写；第二路的接收和发送是基于i2c信号，读取rs485数据实现是通过i2c命令读取转换器接收缓存来实现；发送也是通过
i2c命令写入发送缓存来实现。
15.本发明的进一步技术方案是：所述驱动层中rs232通讯将i2c信号转换成串口信号后通过串行解串芯片将串口信号转换成rs232信号；所述rs232接收分为两部分，通过i2c接口读取到rs232数据，将读取到的rs232数据会被转发到协议解析线程，解析线程解析出rs232包后将解析出的数据包插入消息队列中；rs232发送时，会将消息队列中的rs232packet通过i2c接口转换成rs232信号。
16.本发明的进一步技术方案是：所述驱动层中rs422数据是通过串行解串芯片将串口信号转换成rs422信号；在rs422读取时通过设备节点获取数据后进行协议解析；发送时将串口数据写入设备节点后通过串行解串芯片将串口数据转换成rs422信号。
17.本发明的进一步技术方案是：所述驱动层中按键驱动用于对按键按钮的状态进行监测，通过调用设置好的接口函数实现对按键及旋钮状态的读取。
18.本发明的进一步技术方案是：所述驱动层中adc驱动通过接口函数调用，实现对vbat_ad、light_out、fan_power_ad与ntc_a的电压采集与读取，数据的精准度与连续读取次数成正比。
19.本发明的进一步技术方案是：所述驱动层中pwm驱动通过控制pwm输出占空比调节tft背光亮度。
20.本发明的进一步技术方案是：所述arinc429芯片接口支持传输速率12.5kbps及100kbps可配置，奇偶校验根据要求设置。
21.本发明的有益效果是：通过车规级关键元器件代替航空级元器件的设计方案，使得该产品成本相比于国外竞品降低了70％以上的同时，依旧能保证产品质量满足航空级产品的设计要求。结构简单，利用函数定义使得成本降低，精度提高，操作简单。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的利用车规级芯片基于qnx系统的飞机仪表的框图。
23.图2是本发明实施例提供的arinc429实现通讯示意图。
24.图3是本发明实施例提供的两路rs485通讯示意图。
25.图4是本发明实施例提供的rs232通讯示意图。
26.图5是本发明实施例提供的rs422通讯示意图。
27.图6是本发明实施例提供的。
具体实施方式
28.附图标记：
29.如图1所示，本发明提供的利用车规级芯片基于qnx系统的飞机仪表的构建方法，其详述如下：
30.步骤s1，将两个串行总线处理芯片与soc采用两路spi通讯相连扩展为多路接口进行数据转化；步骤s2，通过对多路接口进行参数定义后与车规级芯片构建的驱动层进行通讯；步骤s3，对中间层的消息队列的操作封装成库文件，利用库文件对消息进行处理在qnx系统中构建飞机仪表。
31.在国外类似产品引入成本价格高昂的市场环境下，设计出一套低成本、且功能质
量可靠的飞机仪表方案。
32.该设计方案主要可以实现以下功能：
33.1.i/o处理功能：能够支持的接口包括：arinc 429、rs422、rs485、rs232、离散量、can、音频模拟量、usb2.0、以太网。
34.2.图形生成及显示功能。
35.3.自检测功能：支持pbit、cbit、ibit。
36.4.按键控制功能。
37.5.亮度自动/手动调节功能。
38.6.移动地图生成及显示功能。
39.7.导航数据库、地形感知告警应用及其数据库加载功能。
40.8.支持应用程序驻留功能。
41.9.支持配置文件加载功能。
42.以qnx sdp7.0作为软件平台，硬件使用车规级芯片代替价格昂贵的航空级芯片，并在遵循do-178b标准的基础上，完成各模块驱动调试及中间层封装
43.本发明涉及的飞机仪表设计方案包含8个主要驱动模块：adc驱动、arinc429驱动、音频驱动、pwm驱动、rs232驱动、rs485驱动、按键驱动、温感驱动。
44.adc驱动模块通过接口函数调用，实现对vbat_ad、light_out、fan_power_ad与ntc_a的电压采集与读取，数据的精准度与连续读取次数成正比。
45.arinc429驱动模块通过soc驱动芯片实现arinc429通信，sample程序通过devctle向arinc429传输数据
46.音频播放驱动程序，实现播放wave格式音频，相关函数基于qnx7.0qsa架构进行开发，qsa与高级linux音频架构(alsa)有相似之处，但不兼容。
47.pwm驱动模块通过控制pwm输出占空比调节tft背光亮度
48.rs232、rs485通过接口函数调用，实现收发功能
49.按键驱动为按键旋钮状态监测程序，通过接口函数调用，实现对按键及旋钮状态的读取。
50.温感驱动为pcb温度监测程序，通过接口函数调用，实现对pcb温度的读取。
51.综合显示单元由主控核心板及面板按键板两部分组成；idu的外部交联关系如图1所示，单机配套2台，分别安装于飞机前后舱，显示器具有分屏显示和显示画面切换功能，并可根据飞行员操作控制显示各种飞行、导航参数信息，综合显示单元通过arinc429总线、rs232串行通讯以及can总线采集大气航姿、gps、发动机参数等飞行参数与导航参数信息并进行综合显示，为飞行员提供飞行所需的绝大部分航电系统的参数。两台显示器之间用can总线连接。在人机交互界面上，采用了按键交互和旋钮控制方式，实现菜单选择和控制和参数调节功能。
52.如图2所示，出现的/dev/arinc1和/dev/arinc2代表着两块arinc429芯片，/dev/spix代表着和arinc429芯片连接的spi设备节点；
53.写入arinc429信息是依靠arinc429芯片将spi信号转换为arinc429信号；读取是依靠arinc429芯片将arinc429信号转换成内部的寄存器的值，然后通过spi接口获取存储于arinc429芯片内部的值，从而获取到arinc429数据
54.如图3所示，两路rs485通讯的原理不同，一路是串口转rs485，一路是通过i2c命令转成串口，然后在转成rs485信号；
55.第一路的接收和发送是基于原生bsp串口设备节点实现，通过系统调用read,write来实现读写；
56.第二路的接收和发送是基于i2c信号，读取rs485数据实现是通过i2c命令读取转换器接收缓存来实现；发送也是通过i2c命令写入发送缓存来实现；
57.如图4所示，rs232通讯将i2c信号转换成串口信号，然后通过串行解串芯片将串口信号转换成rs232信号；
58.rs232接收会分为两个部分，首先会通过i2c接口读取到rs232数据，然后读取到的rs232数据会被转发到协议解析线程，解析线程解析出rs232包后，会将解析出的数据包插入消息队列中；
59.rs232发送时，会将消息队列中的rs232 packet通过i2c接口转换成rs232信号；
60.如图5所示，rs422数据是通过串行解串芯片将串口信号转换成rs422信号；在rs422读取是通过设备节点获取数据，然后进行协议解析；发送是将串口数据写入设备节点，然后通过串行解串芯片将串口数据转换成rs422信号
61.系统一级电源转换芯片采用了车规级宽电压(4.5v-60v)输入，最大负载能力5a，同步降压型dc-dc转换器，能够耐受的抛负载脉冲高达65v，符合iso7637标准。
62.系统二级转换电源12v转5v采用的是车规级芯片，其输入电压范围为(3.5v-36v),最大负载能力5a，同步降压型dc-dc转换器。
63.接口芯片/模块电源转换芯片采用车规级芯片，本方案应用设计其输入电压范围为5v，输出电压精度为3.3v
±
1％，开关频率可调；加之多级滤波退耦电容的设计，电源纹波小，很好满足后级模块的供电要求；
64.考虑到音频电路对音频指标的要求较高(如信噪比，频响等)，音频电路的电源设计至关重要，因此本方案设计时，将音频dac芯片供电采用精度高，
65.纹波及稳定性极好的线性电源芯片，其足以保证音频芯片性能指标的最优表现。
66.usb调试接口供电芯片采用专业usb供电芯片，为可能遇到大电流条件的系统和负载提供全面保护，其具有电流限制功能，热关断保护等功能。
67.以太网电路单元的核心部件采用的是以太网接口phy芯片，考虑到通讯稳定性，及综合显示单元上电初始化通讯时序机制的要求，phy芯片供电受soc控制，保证通讯异常时的及时复位及重启。
68.该方案配套设计的多功能电源管理芯片主要给soc部分接口，cpu,lpddr4等提供电源
69.主控芯片soc选用车载高端芯片，多核异构八核处理器，主频支持高达1.6ghz，内置2*coretex a72 4*coretex a53 2*coretex m4，综合显示单元工作时，1*coretex m4负责开机初始化及pmic电源管理；6个a核(4*coretex a53 2*coretex a72)，主要负责系统实时任务调度的处理，可支持多种多种操作系统同时在线，具备优异的计算及图形显示性能；具备极佳的纠错能力(ecc),可以满足综合显示单元快速实时的处理要求
70.运行内存采用2片低功耗lpddr4，单片容量3gb；其工作频率在800mhz-1600mhz之间,数据传输率为3200m-4266m/s,足够满足复杂环境多数据同时运算的缓存处理。
71.本地内存采用2片相同电路连接结构的emmc芯片，具备极佳的纠错能力(ecc),单片容量达64gb,1路传输采用emmc5.1标准协议；读取速度最高可达330m/s,写入速度最高可达150m/s；另一路传输采用sd3.0标准传输协议，最高读写速度达70m/s；该设计完全满足客户对本地数据存储的需求
72.非易失性随机存储器采用1m bit feram；通过i2c跟soc进行通讯；对系统异常实时进行记录；
73.can总线处理芯片采用高速can总线收发器，其具备网络诊断，故障安全，唤醒源识别等功能，并且有良好的emc和esd性能。综合显示单元配置can接口为500kbps，符合bosch can bus specification v2.0(iso11898)规范
74.arinc429航空总线设计使用两个航空专用串行总线处理芯片arinc429芯片，其分别与soc采用两路spi通讯相连，可为系统扩展六个arinc429接口，实现四路接收两路发送，该芯片已通rtca/do-160g试航认证，内置防雷设计。
75.两组rs485通信接口使用半双工收发器和485总线相连，数据传输速率可达250kbps。其中一路连接soc原生urat接口，另一路将soc的iic接口转换为urat接口然后连接收发器
76.两路rs422通信接口使用全双工收发器和422总线相连，数据传输速率可达250kbps。
77.系统有四组rs232总线接口，每组都是由一个串行解串芯片将soc的iic口转换为urat接口，然后和外部通信。
78.以太网接口芯片第四代低功耗单端口10/100/1000mbps以太网物理接口芯片，它支持与mac的rgmii和sgmii接口。同时还支持局域网唤醒(wol)，嵌入cdt(电缆诊断测试)片上技术，外部供电只需一个3.3v电源，片上稳压器提供其他电压。完全支持ieee 802.3标准的10/100/1000base-t。
79.音频解决方案是soc通过i2s将数字音频信号传输给1片24位，采样频率高达192khz数模音频转换芯片处理后，输出模拟音频信号到1片专用高保真耳机放大芯片，经音频放大后输出到高阻专用耳机，能够满足在输出阻抗600欧姆下，功率达到125mw。
80.显示屏背光驱动采用高亮wled背光驱动芯片，它内置6路led驱动，每路高达150ma驱动电流,且亮度可以通过pwm调节，确保背光亮度及系统稳定性满足要求；
81.显示屏选用12.8寸16:9车规级高清数字显示屏，分辨率为1920x1080，典型亮度达684
±
10％cd/
㎡
,工作温度范围-30-85度，存储温度范围-40-90度；背光寿命长达30000小时；为满足屏幕透过率及反射率的要求，显示屏跟防反射玻璃采用全贴合工艺，以满足设计要求。
82.以arinc429模块为例
83.a)arincdev_t*getarincdev(void)；
84.函数功能:获取指向garincdev的指针
85.参数:
86.返回值:
87.指向garincdev的指针
88.b)bool arincdevinit(arincdev_t*dev)；
89.函数功能:初始化arinc429设备信息
90.参数:
91.dev:指向arincdev_t的指针
92.返回值:
93.false:初始化失败
94.true:初始化成功
95.c)void*arincwrite(void*arg)；
96.函数功能:arinc429写入的主线程
97.参数:
98.返回值:
99.d)bool_writedata(arincdev_t*dev,uint8_t port,uint8_t*data)；
100.函数功能:写入数据到arinc429芯片
101.参数:
102.dev:指向arincdev_t的指针
103.port:arinc429_port_1-第一路429,arinc429_port_2-第二路429
104.data:需要写入的数据
105.返回值:
106.false:写入失败
107.true:写入成功
108.e)void*arincread(void*arg)；
109.函数功能:arinc429读取的主线程
110.参数:
111.返回值:
112.f)int rcv_arinc429fifo(arincdev_t*dev,uint8_t port,uint8_trcv_id,uint8_t*dev_data_ptr)；
113.函数功能:通过spi读取arinc429芯片
114.中fifo的值，从而获取到arinc429值
115.参数:
116.dev:指向arincdev_t的指针
117.port:arinc429_port_1-第一路429,arinc429_port_2-第二路429
118.rcv_id:arinc429_recv_1-芯片的第一路接收，arinc429_recv_2-芯片的第二路的接收
119.dev_data_ptr:存储接收数据的内存
120.返回值:
121.0:读取成功
122.other:读取失败
123.g)int getrsr(arincdev_t*dev,uint8_t port,uint8_t rcv_id,uint8_t*prsr)；
124.函数功能:获取到arinc429芯片中rsr的值
125.参数:
126.dev:指向arincdev_t的指针
127.port:arinc429_port_1-第一路429,arinc429_port_2-第二路429
128.rcv_id:arinc429_recv_1-芯片的第一路接收，arinc429_recv_2-芯片的第二路的接收
129.prsr:存储寄存器值的内存
130.返回值:
131.0:读取成功
132.other:读取失败
133.通过封装的中间层程序来管理上层应用和驱动的通讯所需要的的消息队列：组成的模块包括：arinc429、rs485、rs232、rs422、can、温感、pwm、按键旋钮、中间层、应用层。中间层将消息队列的操作封装成了库文件，通过库文件可以对消息队列进行初始化，插入消息，获取消息，中间层管理消息队列流程：
134.消息接收过程：
135.a)中间件通过寄存器或者其他方式获取到信息；
136.b)中间件将消息插入到消息队列中；
137.c)上层应用从消息队列中取出消息
138.消息发送过程：
139.a)上层应用将消息插入消息队列中；
140.b)中间件从消息队列中拿出消息
141.c)中间件将拿出的消息写入硬件
142.所述步骤1.i所述的组成模块中，arinc429接口须支持传输速率12.5kbps及100kbps可配置、奇偶校验可设置。
143.arinc429芯片采用holt公司航空专用串行总线处理芯片
144.arinc429芯片的vdd引脚使用π型滤波，先串联一颗磁珠，再由1nf，100nf，22uf三个滤波电容并联保证电源的稳定性，其中磁珠，电容和频率的关系:
145.arinc429芯片的心跳频率由一颗有源晶振提供，有源晶振电源端由两个并联的滤波电容稳定供电。
146.arinc429芯片的总线接口输入输出引脚参照规格书建议，串联一颗40.2kω的电阻。
147.arinc429芯片的amp和amb引脚串联22ω的消振电阻，用来衰减过冲电流，也起源端阻抗匹配作用，消除信号二次反射，同时配合两颗tvs管形成钳位保护。最后在总线上串联两颗3.3ω的电阻，方便调节整个电路的阻抗匹配。
148.arinc429芯片通过spi接口和主芯片通讯；一路arinc429芯片提供两路输入，一路输出；
149.组成模块中，rs422接口须支持波特率、奇偶校验可设置。
150.组成模块中，rs485接口须支持波特率、奇偶校验可设置。
151.组成模块中，rs232接口须支持波特率、奇偶校验可设置。
152.设计方案须具备4路arinc 429输入接口，2路输出接口；设计方案须具备2路rs422
接口；设计方案须具备2路485接口；设计方案须具备2路232接口。
153.整个设计方案的组成图如图一，其中芯片驱动部分主要包括：arinc429驱动，rs485驱动、rs232驱动、按键驱动、pwm驱动、adc驱动、音频驱动、温感驱动等驱动模块。各驱动模块的职责及要求分别为：
154.arinc429驱动模块通过soc芯片驱动arinc429芯片实现arinc429通信，sample程序通过devctle向arinc429传输数据，具体实施为：写入arinc429信息是依靠429芯片将spi信号转换为arinc429信号；读取是将arinc429信号转换成内部的寄存器的值，然后通过spi接口获取存储于芯片内部的值，从而获取到arinc429数据。arinc429接口须支持传输速率12.5kbps及100kbps可配置、奇偶校验可设置
155.rs485通过接口函数调用，实现收发功能。具体实施为：一路是串口转rs485，一路是通过i2c命令转成串口，然后在转成rs485信号；第一路的接收和发送是基于原生bsp串口设备节点实现，通过系统调用read,write来实现读写；第二路的接收和发送是基于i2c信号，读取rs485数据实现是通过i2c命令读取转换器接收缓存来实现；发送也是通过i2c命令写入发送缓存来实现；rs485接口必须支持波特率、奇偶校验可设置。
156.rs232通过接口函数调用，实现收发功能。具体实施为：rs232通讯是依靠串行解串芯片将i2c信号转换成串口信号，然后将串口信号转换成rs232信号；rs232接收会分为两个部分，首先会通过i2c接口读取到rs232数据，然后读取到的rs232数据会被转发到协议解析线程，解析线程解析出rs232包后，会将解析出的数据包插入消息队列中；rs232发送时，会将消息队列中的rs232 packet通过i2c接口写入解串芯片中，然后转换成rs232信号；rs232接口必须支持波特率、奇偶校验可设置。
157.按键驱动为按键旋钮状态监测程序，通过接口函数调用，实现对按键及旋钮状态的读取。
158.pwm驱动模块通过控制pwm输出占空比调节tft背光亮度
159.adc驱动模块通过接口函数调用，实现对vbat_ad、light_out、fan_power_ad与ntc_a的电压采集与读取，数据的精准度与连续读取次数成正比。
160.音频播放驱动程序，实现播放wave格式音频，相关函数基于qnx7.0qsa架构进行开发，qsa与高级linux音频架构(alsa)有相似之处，但不兼容。
161.综合显示单元由主控核心板及面板按键板两部分组成；idu的外部交联关系，如图1所示，单机配套2台，分别安装于飞机前后舱，显示器具有分屏显示和显示画面切换功能，并可根据飞行员操作控制显示各种飞行、导航参数信息，综合显示单元通过arinc429总线、rs232串行通讯以及can总线采集大气航姿、gps、发动机参数等飞行参数与导航参数信息并进行综合显示，为飞行员提供飞行所需的绝大部分航电系统的参数。两台显示器之间用can总线连接。在人机交互界面上，采用了按键交互和旋钮控制方式，实现菜单选择和控制和参数调节功能。
162.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。