某型機載作戰(zhàn)任務(wù)加載器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了保證飛機作戰(zhàn)任務(wù)信息傳輸和傳遞的準確性和安全性，并考慮數(shù)據(jù)加載的方便快捷，文章提出了一種采用DSP實現(xiàn)安全可靠加載任務(wù)數(shù)據(jù)的解決方案。設(shè)計方案采用USB標準線性FLASH存儲卡作為任務(wù)數(shù)據(jù)加密存儲和傳遞載體，在飛機座艙操縱臺安裝一個集成USB存儲卡，集數(shù)據(jù)讀取解密和1553B總線數(shù)據(jù)加載等功能為一體的作戰(zhàn)任務(wù)加載器。文章從應(yīng)用需求出發(fā)，對加載器的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)方法進行了較為詳盡的描述。此作戰(zhàn)任務(wù)加載器的應(yīng)用豐富了任務(wù)數(shù)據(jù)的加載方式，減少了飛行員的操作，并能保證作戰(zhàn)任務(wù)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)加載器;DSP;USB;1553B

引言

軍用飛機作戰(zhàn)任務(wù)具有較高的保密要求，飛行員需要從作戰(zhàn)指揮部獲取作戰(zhàn)任務(wù)數(shù)據(jù)，然后在飛機執(zhí)行任務(wù)起飛前將作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)參數(shù)通過數(shù)據(jù)加載設(shè)備傳輸?shù)交鹂赜嬎銠C中。火控系統(tǒng)根據(jù)裝訂的信息參數(shù)引導(dǎo)飛行，在載機到達程序裝訂的目標區(qū)域時提醒飛行員做好戰(zhàn)斗準備，此外攻擊后的退出引導(dǎo)、返場引導(dǎo)等飛行過程都可根據(jù)裝訂的信息自動完成。作戰(zhàn)任務(wù)加載運行模式如圖1所示。

1 整體方案考慮

作戰(zhàn)任務(wù)加載器需要實現(xiàn)三個功能，包括讀取數(shù)據(jù)存儲卡的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解密和通過1553B接口向火控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲卡用于存儲和傳遞作戰(zhàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲卡執(zhí)行編程操作，作戰(zhàn)任務(wù)加載器對數(shù)據(jù)存儲卡執(zhí)行讀取操作。作戰(zhàn)任務(wù)加載器屬于小型機載嵌入式設(shè)備，其工作頻率較低，數(shù)據(jù)存儲卡應(yīng)選擇工作模式相對簡單、讀取速度快、可靠性較高的產(chǎn)品。作戰(zhàn)任務(wù)加載器采用基于USB接口的NOR Flash存儲卡作為作戰(zhàn)導(dǎo)航參數(shù)信息的存儲載體。NOR Flash也稱為Linear Flash，擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機讀取，可以單字節(jié)/單字編程，但必須以塊為單位或整片執(zhí)行擦除，重新編程之前必須進行擦除操作。 NOR Flash存儲卡簡單的訪問方式、快速讀取速度及較高的可靠性適合機載作戰(zhàn)任務(wù)加載器的工作環(huán)境和工作模式。

作戰(zhàn)任務(wù)編程/加載系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)加解密技術(shù)保證移動存儲的安全保密性。所謂數(shù)據(jù)加密技術(shù)是指將信息(或稱明文)經(jīng)過加密鑰匙及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無意義的密文，而接收方將此密文經(jīng)過解密函數(shù)、解密鑰匙還原成明文的技術(shù)。作戰(zhàn)導(dǎo)航參數(shù)信息需要任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)加密后存儲在數(shù)據(jù)存儲卡上，作戰(zhàn)任務(wù)加載器對數(shù)據(jù)存儲卡上的密文數(shù)據(jù)進行解密處理。作戰(zhàn)任務(wù)加載器固定安裝在飛機上，應(yīng)用環(huán)境具有較高的安全性。考慮作戰(zhàn)任務(wù)加載器的實時性要求較低，且需要解密的導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)量較小，加載器采用軟件解密方法即可滿足要求。雖然會帶來軟件運行開銷，但可降低硬件成本。

本系統(tǒng)采用IDEA(International Data Encryption Algorithm)加密算法實現(xiàn)作戰(zhàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)生成端的加密和數(shù)據(jù)使用端的解密。IDEA被認為是目前世界上最好最安全的分組密碼算法，且對計算機功能要求不高。IDEA的密鑰長度是128位，相對較長，加密強度高。在窮舉攻擊的情況下，IDEA需要經(jīng)過2128次加密才能恢復(fù)出密鑰，假設(shè)芯片每秒能檢測10億個密鑰，需要1013年，它被認為僅循環(huán)4次即可抵制差分密碼分析，對IDEA算法也不起作用，隨機選擇密鑰基本沒有危險，故其安全性較高;算法的基礎(chǔ)是16位運算，實現(xiàn)速度與DES相同。加密中從數(shù)碼鎖獲得的密鑰為128比特，明文分組長度是64比特。

采用DSP實現(xiàn)IDEA解密算法與硬件實現(xiàn)解密相比具有開發(fā)周期短、成本低的優(yōu)點。另外DSP本身的流水線和運算器設(shè)計也能夠有效提高數(shù)據(jù)解密算法的運算速度。

2 硬件設(shè)計

作戰(zhàn)任務(wù)加載器由數(shù)據(jù)處理模塊、電源系統(tǒng)、機箱和數(shù)據(jù)存儲卡構(gòu)成，機箱和電源采用一體化設(shè)計，數(shù)據(jù)處理模塊是作戰(zhàn)任務(wù)加載器內(nèi)部唯一的SRU。數(shù)據(jù)存儲卡直接安裝在數(shù)據(jù)處理模塊上，可簡化整機結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 DSP選型

數(shù)據(jù)處理模塊采用TI公司的數(shù)字信號處理器SM320F2812，集成1553B、USB、串口、離散量等數(shù)字接口。1553B接口用于向火控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，USB接口用于訪問數(shù)據(jù)存儲卡，串口用于顯示維護BIT的測試結(jié)果，離散量用于控制作戰(zhàn)任務(wù)加載器進入不同的工作模式。SM320F2812的額定工作頻率為150MHz，每秒可執(zhí)行1.5億次指令，具有單周期32bit ×32bit的乘和累加操作功能，主要實現(xiàn)USB存儲卡數(shù)據(jù)讀取、解密、發(fā)送的功能。

F2812的外部接口映射到5塊固定的存儲空間。每個存儲空間可以單獨設(shè)置訪問時的等待狀態(tài)數(shù)目、選通信號的建立時間和保持時序，且讀和寫操作的時序可以獨立設(shè)置。此外，每個空間可以分別選擇是否使用外部等待信號(XREADY)來擴展所需的等待狀態(tài)。這些片選信號以及可編程的等待狀態(tài)和選通時序使得 DSP芯片可以和許多外部存儲器或擴展外設(shè)間實現(xiàn)無縫接口。每個XINTF空間都有自己的時序寄存器XTIMING，改變時序寄存器的值將會影響相應(yīng)空間的訪問時序。1553B接口、RAM、數(shù)據(jù)存儲卡可分別映射到不同的存儲空間，實現(xiàn)簡化設(shè)計。

2.2 1553B總線接口電路

作戰(zhàn)任務(wù)加載器與火控計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸通過1553B總線接口實現(xiàn)。本設(shè)計選擇1553B接口芯片HK1553B來實現(xiàn)通信功能。

1553B總線接口電路工作時鐘為12MHz，經(jīng)過隔離變壓器連接到1553B總線，模塊上1553B芯片工作在RT方式下，1553B協(xié)議芯片訪問外部存儲器為一片64k×16bitSRAM存儲器，存儲器的訪問控制及1553B協(xié)議芯片請求DSP總線及應(yīng)答信號由FPGA產(chǎn)生。1553B協(xié)議芯片的地址和數(shù)據(jù)總線全部引入FPGA，1553B協(xié)議芯片訪問DSP總線時地址數(shù)據(jù)通過FPGA掛在EMIF總線上。

2.3 USB接口電路

本系統(tǒng)采用的存儲卡為MagicRAM公司的USBFlash存儲卡，該存儲卡讀取周期最大為200ns，可執(zhí)行100000次寫/擦除操作。該存儲卡的讀寫訪問時序是典型的異步并行接口訪問時序。DSP提供了對異步存儲器的無縫訪問接口XINTF，將數(shù)據(jù)存儲卡單獨映射到DSP的 Zone2外部存儲空間。

USB芯片CY7C68013與FPGA相連，在檢測到USB供電后，通過FPGA實現(xiàn)對USB接口芯片的復(fù)位，并使能USB接口信號，實現(xiàn)與上位機的通信，完成調(diào)試加載功能。USB接口部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。