機載光纖通道數據采集系統研究與設計

李 鍵，李 敏，鄧發俊

（中國航空計算技術研究所 陜西 西安 710119 ）

光纖通道技術在機載環境的應用越來越普遍，在使用高速數據總線進行通信的同時，更多關注轉向數據通信的正確性和完整性，尤其在機載環境下更加重要，更需要像傳統試飛過程中的數據采集設備來捕獲數據，為實時進行數據監控以及事后分析提供有力的支撐。

國外為使用光纖通道的飛機的定型試飛研制了機載測試系統，并專門為飛機上的光纖航電總線的測試研制了“高速數據總線數據采集裝置”，可用來采集高速光纖航電總線上的部分或全部數據。國內傳統機載系統中使用的主要航電總線有ARINC429 總線、1553B 總線等，經過多年的研究以及試飛驗證，已成功解決其試飛測試技術，為飛機定型、總線系統的故 障分析提供可靠的數據支撐[1]。而新興的光纖通道航電總線，其速率達2.125 Gbps，通信拓撲結構及通信數據量更為復雜，國內在機載數據采集方面技術實現幾乎處于空白狀態，因此開展其研究和設計具有重要意義。

1 系統需求分析

光纖通道采集系統的設計需滿足試飛測試的系統要求，與傳統航電總線測試實現的功能一樣，光纖通道采集系統應實現以下功能：

1)建立特殊拓撲連接，在不影響原航電系統信息傳輸架構和特性的前提下，獲取網絡上的信息；

2)100 %數據記錄，并與測試系統時間建立同步關系。實時獲取網絡數據，并結合測試系統時間進行時標標記，100%存儲到記錄介質，供數據處理人員進行飛行后處理。

3)實時提取并輸出用戶關心數據。通過實時析取用戶關心光纖通道網絡數據，將其變換為機載測試系統可接收的數據格式，由機載測試系統將網絡數據與其他測試數據整合后，通過遙測設備發送到地面。

2 關鍵技術研究

要滿足上述的系統需求，必須解決拓撲結構設計、高速數據采集、測試系統與采集系統時間同步等關鍵技術。

2.1 拓撲結構研究

傳統1553B等總線型架構，任何節點通信的消息在總線上都“可見”，只需將數據采集設備連接到總線上，就可以接收到總線上的數據。而光纖通道采用基于交換式的星型拓撲結構，網絡數據遍布整個網絡，采集設備如果簡單地接在交換機的F端口上，并不能監控到任意端口的數據，傳統的總線型測試方法測試方式完全不適用。因此在基于光纖通道的系統設計過程中，既要考慮對通信數據的可監測性，又要兼顧不影響正常的消息通信，具體方法是在交換機上除了設計正常的通信端口（F端口）以外，還增加監控端口（M端口），用于對需要關心的數據進行實時映射，拓撲結構[2]如圖1所示，例如需要關心節點1和節點2之間的消息通信，通過配置設置可將節點1和節點2之間的消息映射到M端口，連接到M端口的測試設備或采集設備即可看到所關心的數據，以達到數據監測的目的。

圖1 拓撲結構Fig. 1 Topological structure

2.2 高速數據采集技術研究

由于光纖通道航電網絡速率2.125 Gbps，要實現對網絡數據100%采集和記錄，對高速數據的采集需滿足帶寬要求才可保證數據的完整性。現有機載設備中高速總線的使用逐漸普及，光纖通道作為主干網絡的通信總線，解決了數據通路的快速傳輸問題，但同時也對處理模塊內部總線的帶寬提出了挑戰，2.125 Gbps的數據傳輸速率帶寬要求處理模塊內部總線帶寬大于200 MB/s才可能把網絡上的數據接收或發送出去。縱觀高速串行總線的發展，能夠滿足傳輸要求的總線包括PCIe和RapidIO總線[3]，PCIe單線速率2.5 Gbps，4線傳輸理論帶寬遠大于200 MB/s，RapidIO總線單線速率高達3.125 Gbps，4線傳輸理論帶寬同樣大于光纖通道所需帶寬，可以滿足高速數據采集的需要，因此在設計采集系統處理模塊時，對內部總線的選擇可在上述兩種高速串行總線中選擇。

另外，通過光纖通道網絡上的數據傳輸速率快，如果接收信息單純采用緩沖和軟件解析方式顯然不能滿足高速采集的要求，因此，在設計過程中需盡量減少軟件的操作，對數據的采集和解析通過硬件方式實現，最大限度提高采集的效率。

2.3 測試系統與采集系統時鐘同步技術研究

試飛測試數據處理中，通常會將采集到的數據和采集系統時間建立關系，以便對數據進行實時分析和事后分析處理，如果沒有時間同步關系，則采集的數據將不具備試驗價值。因此在光纖通道采集系統設計中，需將采集的網絡數據和試飛測試系統時間建立同步關系，與試飛測試用傳感器測量數據進行關聯處理。

傳統的采集系統通過接收機載測試系統中的IRIG-B 授時碼，使采集系統與機載測試系統建立統一的時間。在每個數據幀到來時，將幀數據打上時間標記，這樣就可以確保總線數據與試飛用傳感器測量數據的時間同步。借鑒上述的傳統同步方式，在光纖通道采集系統設計中，引入IRIG-B時間碼同步機制，在硬件進行采集網絡數據的同時，將IRIG-B的時間信息記錄下來，并通過硬件方式記錄在FC數據幀中，該時間信息即是數據采集到網絡數據的時間，在數據處理和分析時通過對該時間的解析，即可知道網絡數據和測試系統之間的時間關系，實現兩個系統的時鐘同步。

3 系統設計

通過對上述關鍵技術的研究和分析，在進行光纖通道數據采集系統設計時需加以考慮和實現。

光纖通道數據采集系統旨在采集航電網絡上的通信數據，對網絡數據需進行100%接收，接收到的光纖通道網絡數據一方面選擇性監控，通過與測試系統的IRIG-B時間碼進行同步，附加時間標記后，生成網絡數據包發送給遙測系統，進行實時監控；另一方面通過專用總線全數記錄，供事后數據處理使用，從而實現光纖通道航電網絡飛行數據的重現功能4。采集系統在航電系統中的位置如圖2所示。

圖2 光纖通道數據采集系統Fig. 2 Fibre channel data acquisition system

采集系統對外與機載航電系統、記錄設備、遙測設備以及IRIG-B時間系統進行互連。采集系統內部包含供電系統、數據采集器單元、數據處理單元、數據輸出單元和時鐘同步單元，其中供電系統為采集系統提供穩定可靠的電源供給，數據采集單元復雜接收來自航電系統中FC網絡交換機的FC數據，并與時鐘同步單元時碼信息建立關系，經過數據處理單元處理，生成網絡數據包，一方面通過百兆以太網輸出給遙測系統，進行實時監控；另一方面數據處理單元處理的數據信息完整地通過千兆以太網送往記錄器進行記錄，供事后數據處理使用。采集系統內部實現如圖3所示。

圖3 采集系統內部互連圖Fig. 3 Acquisition system internal interconnection network system

采集系統的數據采集工作由數據采集單元硬件完成，而生產網絡數據包等工作則交由機載任務數據處理軟件進行處理[5]。該軟件運行在光纖通道采集系統上，設備上電后自動運行，根據機載配置文件中設置的工作模式進入正常工作模式或調試模式。在正常工作模式下，光纖通道數據采集系統自動采集航電系統FC數據，根據機載配置文件的設置，從相應的FC幀中提取所關心的參數，再將提取后的參數打包成網絡數據包，同時將從IRIG-B接口獲取的時標信息加到數據包中，通過以太網將打包好的數據發往記錄設備或遙測設備[6]。機載任務數據處理軟件流程如圖4所示。數據解包打包流程如圖5所示。

圖4 機載任務軟件工作流程Fig. 4 Airborne software workflow task

圖5 數據解包/打包流程Fig. 5 Data unpacking/packing process

4 結束語

基于光纖通道的商用數據采集記錄設備在民用市場上已經有不少的應用實例，但在機載[7-8]領域還較為少見。對機載光纖通道數據采集系統相關關鍵技術的研究有助于提高對機載高速數據網絡數據采集及測試研究的能力，為試飛驗證等提供更好的支撐手段。

目前光纖通道數據采集系統已經突破相關關鍵技術，并已完成原理設備設計實現，待進行充分測試后可轉入應用驗證。

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