基于3G通信網(wǎng)機載飛行記錄數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

賈宏亮，王璐璐

（1.北京航空航天大學(xué) 北京 100191；2.北京航空工程技術(shù)研究中心 北京 100076）

隨著航空技術(shù)迅速發(fā)展，民航飛機運輸任務(wù)量越來越大，飛機的出勤率越來越高，軍航飛機對二次起飛準(zhǔn)備時間也要求越來越短，飛機的飛行記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以用來對飛機技術(shù)狀態(tài)健康安全監(jiān)控、對飛行人員操縱水平的判讀，軍航還可以將這些數(shù)據(jù)結(jié)合其它技術(shù)手段，融入到指揮系統(tǒng)，可以可視化飛機在訓(xùn)練或者演習(xí)中的飛行情況。目前大多數(shù)軍民航機載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)的獲取都是通過機務(wù)工作人員攜帶便攜式地面設(shè)備到停機坪從飛機上用電纜連接機載飛行記錄系統(tǒng)設(shè)備下載數(shù)據(jù)或者直接將機載飛行記錄系統(tǒng)的轉(zhuǎn)存盤/存儲卡拆卸下來獲取數(shù)據(jù)[1-6]。3G網(wǎng)絡(luò)UMTS業(yè)務(wù)目前已得到飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳速速率也越來越大，依托3G網(wǎng)將機載飛行記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛骘w行數(shù)據(jù)管理站，面對飛機數(shù)量多和出勤率高的情況下，能提高工作效率，減小飛機再次起飛的準(zhǔn)備時間，還能實現(xiàn)地面飛行數(shù)據(jù)管理站的地理位置設(shè)站不受和它與飛機停機坪之間的距離限制。

1 系統(tǒng)工作原理

基于3G通信網(wǎng)機載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示，在飛機飛行結(jié)束飛機著陸后，此系統(tǒng)將讀取機載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)，并經(jīng)過處理后，依托3G通信網(wǎng)將飛機飛行記錄數(shù)據(jù)以無線方式傳輸?shù)降孛骘w行數(shù)據(jù)管理站。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 The working principle diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由ARM920T為內(nèi)核的S3C2440位處理器，以太網(wǎng)控制器DM9000，串口接口電路MAX3232、MAX488，加密芯片LKT4300，WCDMA模塊EM770W和供電控制電路組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 飛行數(shù)據(jù)通信控制接口

目前機載飛行紀(jì)錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口主要有RS232、RS422和以太網(wǎng)這3種，S3C2440微處理器片上具有3通道的UART，選其中的2路分別外掛MAX3232和MAX488實現(xiàn)串口讀取數(shù)據(jù)，S3C2440具有1G的空間地址，并且把他們劃分成了8個bank區(qū) （bank0-bank7），可以選取其中一個bank區(qū)的控制線nGCSx作為以太網(wǎng)控制器DM9000的片選信號，S3C2440的低16位數(shù)據(jù)線直接外掛DM9000的16位地址線，S3C2440具有豐富的中斷源，選其中一個中斷INTx外掛DM9000的外部中斷接口，因為是雙字節(jié)對齊，可以用S3C2440的ADDR2地址線來外掛DM9000的CMD控制線。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.2 飛行數(shù)據(jù)加密電路

S3C2440片上具有兩通道的SPI，為了將非保密數(shù)據(jù)進行加密，加密芯片LKT4300和S3C2440通過SPI通道建立它們之間的通訊，同時LKT4300要求必須將自己設(shè)為主模式，S3C2440設(shè)為從模式。

2.3 3G模塊外圍電路

選用 3G 模塊 EM770W，EM770W 支持 UMTS、EDGE、GPRS和GSM業(yè)務(wù)，其中UMTS業(yè)務(wù)里，HSPA能力已經(jīng)達(dá)到上行2 Mbps，下行7.2 Mbps的速率，EDGE達(dá)到236.8 kbps的速率，GPRS達(dá)到了53.6 kbps的速率。EM770W模塊是以mini-PCI物理接口，含有USB接口控制線，USIM卡接口控制線，S3C2440片上USB控制器外掛EM770W的USB接口控制線，實現(xiàn)它們之間的通訊。同時用EM770W的USIM卡接口控制線設(shè)計外掛USIM卡電路，EM770W模塊具主集和分集兩個天線SMA形式的接口，兩個天線阻抗必須選擇50ohm的特性阻抗的電纜和天線，推薦使用增益大于1dBi的天線。

2.4 系統(tǒng)供電控制

飛機上的供電電網(wǎng)一般為115 V 400 Hz或者27 VDC，此處設(shè)計應(yīng)用飛機27 VDC供電網(wǎng)絡(luò)。因為飛機在飛行結(jié)束后才需要獲取機載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)，并且在飛機在高空中不能接收到3G基站的信號，同時為了滿足飛機的飛行安全管理要求，因此要求確保此機載飛行紀(jì)錄數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)只能是飛機在地面的情況下才能工作，所以引用飛機在地面時飛機起落架空-地狀態(tài)信號和起落架艙門開關(guān)狀態(tài)信號二者的與邏輯來控制給此無線傳輸系統(tǒng)供電。

系軟件部分主要包括建立和機載飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的RS232、RS422和以太網(wǎng)通訊模塊，數(shù)據(jù)加密模塊和3G無線傳輸模塊，它建立在以Linux體系結(jié)構(gòu)上，Linux內(nèi)核功能強

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

大，源碼開放，在開發(fā)以太網(wǎng)、串口、USB等接口的驅(qū)動程序比較靈活[7]，而且內(nèi)核源碼開放，內(nèi)核編譯配置參考資源較多，方便剪裁，能減小軟件的開發(fā)難度。

3.1 通信模塊

系統(tǒng)上電后，S3C2440完成系統(tǒng)初始化，開啟數(shù)據(jù)通信進程，查詢串口或者以太網(wǎng)接口是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，在響應(yīng)到串口和以太網(wǎng)的發(fā)送的中斷請求后，開始接受串口或者以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，控制流程如圖3所示。

圖3 通信模塊流程圖Fig.3 Flow diagram of communication module

3.2 數(shù)據(jù)加密模塊

LKT4300 芯 片 支 持 DES/TDES/AES，RSA，ECC 加 密 算法，對于非保密數(shù)據(jù)加密可以用其算法[8]。在LKT4300的內(nèi)操作系統(tǒng)定義了幾個函數(shù)，可以方便用戶的開發(fā)，LKT4300中為用戶提供額外16K字節(jié)的NVM（非遺失存儲器）數(shù)據(jù)存儲器，地址范圍0x0000-0x4000，用戶可以在程序中調(diào)用NVM讀寫函數(shù)操作這個區(qū)域，在這里實現(xiàn)用DES通用加密算法。

讀寫NVM區(qū)函數(shù)

extern void LK_WriteNvm（u16 addr， u8*buf，u8 len）；

extern void LK_ReadNvm（u16 addr， u8*buf，u8 len）；

addr代表地址，buf代表要讀寫的數(shù)據(jù)，len是長度。

取隨機數(shù)函數(shù)

Extern void LK_GetRanddom（u8*buf， u8 len）；

buf代表取出來的數(shù)據(jù)，len是要去的長度

DES加解密函數(shù)

extern void LK_DESEncrypt （u8*plain， u8*k， u8*cipher）；

extern void LK_DESDecrypt （u8*plain， u8*k， u8*cipher）；

plain代表要加密的數(shù) ，k是密鑰，cipher是加解密運算后的結(jié)果。

LKT4300和S3C2400建立SPI通信接收完命令后，LKT4300內(nèi)操作系統(tǒng)接管數(shù)據(jù)，直接進入u32 APP_FUCTION（）函數(shù)，開始解析S3C2440的指令，然后運行算法函數(shù)，算法函數(shù)處理完畢，LKT4300馬上返回數(shù)據(jù)，如下圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)加密功能框圖Fig.4 Data encryption function block diagram

3.3 3G無線傳輸模塊

3G模塊EM770W使用的USB驅(qū)動的VID為0x12d1，PID為0x1001，在PC端映射出3個端口，分別為:3G MODEM端口，承載AT指令，主要用于發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；3G PC UI Interface端口，承載AT指令，主要用于MODEM口被占用的情況下用端口進行AT命令的操作；3G Application Interface端口，承載DIAG任務(wù)。

3G模塊在Linux體系下的USB驅(qū)動開發(fā)需要usbmodeswitch-1.2.6，libusb-0.1.12.tar.gz，libcap-0.9.8.tar.gz，ppp-2.4.4.tar.gz和arm-linux交叉編譯器等GNU軟件包，此處要求Linux內(nèi)核至少是2.6以上的版本。

S3C2440主程序?qū)M770W模塊進行初始化設(shè)置，完成分配的IP地址，USIM卡的檢測，接入網(wǎng)關(guān)，設(shè)置3G網(wǎng)絡(luò)注冊提示，檢測并連接網(wǎng)絡(luò)等工作。當(dāng)系統(tǒng)接入3G網(wǎng)后，采用TCP/IP傳輸協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié) 論

基于3G通信網(wǎng)機載飛行記錄數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用成熟的ARM920T處理器，和3G模塊，它體積小，耗電小，成本低，能可靠安全的通過3G通信網(wǎng)把機載飛行記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀芾碚尽Ｋ脑O(shè)計架構(gòu)里，只需將加密算法、或者3G終端改為其它無線傳輸終端依托其他專用通信網(wǎng)，就能滿足其它情況下的機載飛行記錄數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有較強的實用設(shè)計參考價值。

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