基于AFDX與FlexRay總線的分布式測試系統設計

摘 要：針對飛行器對現有測試系統要求的提高及傳統分布式測試系統的局限性，提出了機載分布式高速總線測試系統。該測試系統以AFDX及FlexRay總線為基礎，建立以傳感器智能化網絡與中央高速測試網絡相結合的分層結構。規定了兩級總線各自的功能。指出了系統設計中的關鍵技術及實現。

關鍵詞：總線；測試系統；AFDX；FlexRay

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-02

隨著飛行器系統性能要求的日益提高，飛行過程中需要測量的信號數量、信號制式種類、測量模式復雜程度較以往有大幅度的提高，對測試系統帶來了越來越大的壓力。目前，國內飛行器測量系統主要采用基于MIL-STD-1553B總線和RS422的點對點數據傳輸架構為主，也有以CAN總線為基礎的局部測試網絡應用的案例，完全利用總線實現測量參數數據采集交換的測量系統未見工程應用的先例。而制約總線在測量系統中應用的主要因素為實時性、數據傳輸碼率、節點容量以及網絡自身的健壯性等[1]。基于AFDX及FlexRay總線技術的快速發展的分布式總線測試技術為解決這些問題提供了手段，也是新一代航天型號測試系統的發展趨勢。

在該系統中，AFDX總線作為一級總線，將各二級網絡的數據匯總到中央數據采集設備，也可以通過AFDX總線向各個節點發送配置信息。FlexRay總線作為本系統的二級總線，直接與傳感器連接，將所采集的數據上傳至區域采集器，并向各個傳感器節點發送來自上級系統的配置信息，以適應不同速率、類型、采集方式的測試需求。

一、設計思想

基于總線的分布式測量系統的首要任務是滿足飛行器上測試系統對高速、實時數據交換的需要。結合分布式測試系統架構設計的原則和方法，提出了“機載分布式傳感器高速時分綜合數據總線系統”架構，即建立以傳感器智能化網絡與中央高速測試網絡相結合的分層結構為標志的分布式數據采集系統如圖1所示。與一般的分布式數據采集系統有所區別的是，本系統強調將數據采集所涉及的信號制式轉換、信號調理、采集模式控制（采樣速率變換、同步控制等）、數據預處理（校準、誤差修正和編碼）、數據緩存等功能向傳感器前端推移，網絡數采節點和中央數據采編控制僅完成數據匯聚等必須由上一級處理器處理的業務，這樣可大大減輕中央處理器的工作負荷和總線帶寬壓力。

二、設計要點

（1）由全雙工以太網提供全雙工冗余架構的交換式100M數據帶寬為骨干支撐全系統對骨干數據傳輸的需要，向下與分布在各處的傳感器網絡控制核心——傳感器網橋連接。

（2）分布在各處的各類傳感器，通過傳感器智能化接口接入傳感器網絡，并通過網橋與系統骨干網連接，該網橋提供傳感器網絡、特殊的終端設備等下級總線設備與骨干網的連接，同時起著傳感器子網絡控制的作用。

（3）傳感器智能化接口具有冗余連接、支持多種信號制式、支持多種信號處理算法、具備多種采樣模式配置等功能，向下可連接數字式傳感器（如RS422）、模擬量傳感器（電壓型、電流型、脈沖型等）等各類的輸出制式的傳感器，向上可通過有線方式或無線方式連接到傳感器網橋，構成智能化傳感器網絡（子網），并向上與骨干網絡連接。

三、網絡架構

分布式高速時分綜合數據網絡系統框架如圖2所示，由兩級總線構成：

第一級總線是全雙工交換式以太網構成的高速數據網絡（AFDX），采用模塊化結構，即網絡內的以太網端口數量可以以4端口模塊堆疊的方式不斷增加，如4口、8口、24口等，以支持不斷增加的高速設備。端口之間以及端口與背板總線之間的通訊為交換式，端口帶寬100M。構成一級總線的主要設備包括：網絡交換機、嵌入軟件、總線電纜、附件、接口卡等。

第二級總線為FlexRay傳感器總線結構，是由適應不同速率、類型、采集方式的FlexRay總線構成的復合智能化傳感器網絡。無論該總線下掛的傳感器輸出制式如何，通過智能化傳感器接入模塊都可以熱插拔的方式接入到傳感器網絡內，進而被連接到整個綜合數據網絡。第二級總線主要由FlexRay傳感器網絡控制器（嵌入在網橋內）、智能化傳感器接入模塊、嵌入軟件以及相應的總線電纜、附件等組成。

圖2 機載分布式高速時分綜合數據網絡架構圖

四、關鍵技術及其實現

（1）傳感器通過智能化傳感器接入模塊接入二級總線，有特殊需求的也可直接接入一級總線。1）由智能化傳感器接入模塊向傳感器提供高穩定度的直流激勵，完成微弱信號的放大、濾波等調理工作，及模數轉換；2）智能化傳感器接入模塊提供傳感器電子表格，提供傳感器身份登記、標識和驗證，提供傳感器產品信息和計算參數表，保證傳感器在測試網絡中的唯一性。

（2）兩級總線為多總線組合方式，適應不同傳輸需求。1）兩級總線為多總線組合方式，或在單一總線的基礎上通過優化改進形成兼容總線；2）總線方案的選擇綜合考慮實時性、通信速率、節點容量、可靠性、容錯性、成本等多種因素；3）組合方式可根據應用系統特點、設備數量靈活配置節點數量、接口配置、連接形式等。

（3）二級總線按網段劃分，保證連接速率和節點數量。1）同類型設備接入一個子網，保證連接形式的一致性和易操作性，子節點可通過級連擴展；2）每個子子網段節點數目控制在一定范圍（如32個），可保證總線的實時性；3）多網段組合方式，保證二級總線節點（傳感器節點）數量不小于200個。

（4）網橋完成兩級總線協議轉換。網橋可采用單獨模塊或嵌入式模塊形式（與全雙工以太網交換機集成一體的方式）。

五、結束語

本文提出了以AFDX總線為一級總線、FlexRay總線為二級總線的分布式總線測試系統設計思想，繪制出了該測試系統的架構，并闡述了兩級總線在整個測試系統中的作用，并指出了系統實際設計過程中的關鍵技術及實現。

參考文獻：

[1]梁曉庚，王伯榮，余志峰.空空導彈制導控制系統設計[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2]王建宇，王世奎.AFDX交換機管制功能測試方法的研究與設計[J].測控技術，2012（07）：82-84.

[作者簡介]趙新（1986-），男，河南三門峽人，工程師，碩士研究生，研究方向：智能傳感器與測試系統；張穎英（1983-），女，陜西漢中人，本科，工程師，主要研究方向：傳感器技術與總線技術。