機(jī)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

房 瑾，霍朝暉，聶睿，吳海東

（中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

運(yùn)輸機(jī)機(jī)體大，為構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)提供了條件，同時(shí)運(yùn)輸機(jī)的測試參數(shù)分布廣，測試參數(shù)種類多，包括429總線、422總線、RS 232總線、CAN總線、顫振加裝、振動加裝、既有低速采樣參數(shù)又有高速采樣參數(shù)[1]，眾多數(shù)據(jù)類型和采樣要求對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件作為實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的中心樞紐，一方面要保證從測試網(wǎng)絡(luò)上準(zhǔn)確及時(shí)的接收數(shù)據(jù)，另一方面要進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的預(yù)處理，同時(shí)將處理結(jié)果重新打包后實(shí)時(shí)的發(fā)送到監(jiān)控客戶端。機(jī)上參試的試飛工程師根據(jù)系統(tǒng)提供的監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以在較短時(shí)間內(nèi)判定試驗(yàn)過程或飛行動作的質(zhì)量，及時(shí)與飛行員協(xié)商，采取對策，從而保證試飛安全，提高試飛效率。

1 機(jī)載實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

機(jī)載實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由前端采集器子系統(tǒng)、機(jī)載數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、工作站子系統(tǒng)組成，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的互連。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

前端采集器子系統(tǒng)完成測試參數(shù)的采集和發(fā)送，，由于被測參數(shù)分布廣，數(shù)據(jù)量大，因此機(jī)載測試采用多采集器網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)架構(gòu)[2]，采集器以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的形式為機(jī)上所有子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，機(jī)載數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收測試網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，存儲。工作站子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)的終端，接收機(jī)載數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Real time monitoring system structure diagram

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件由若干個(gè)功能組成，主要分為：事先準(zhǔn)備、網(wǎng)絡(luò)接收、IENA數(shù)據(jù)解包、數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控、數(shù)據(jù)回放。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 事先準(zhǔn)備

圖2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Real-time network data process software structure diagram

事先準(zhǔn)備完成對配置文件的轉(zhuǎn)換及相關(guān)信息處理，將前端采集器配置產(chǎn)生的配置文件讀入并轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)系統(tǒng)通用配置文件格式，該配置文件中包含測試參數(shù)所在數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中的參數(shù)位置等相關(guān)信息，是數(shù)據(jù)解包的關(guān)鍵信息。為了將參數(shù)進(jìn)行原碼到物理量的解算，事先準(zhǔn)備軟件進(jìn)行參數(shù)校線的錄入，將參數(shù)的校準(zhǔn)信息加入配置文件。事先準(zhǔn)備模塊還要完成對監(jiān)控參數(shù)的挑選和定義，形成參數(shù)組文件，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分按照該參數(shù)組向客戶端發(fā)送測試參數(shù)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)接收

網(wǎng)絡(luò)接收完成與機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)的連接，接收測試網(wǎng)絡(luò)中的測試參數(shù)。

機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的是數(shù)臺機(jī)載采集器，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)打包通過不同的網(wǎng)絡(luò)端口以UDP廣播形式發(fā)送到機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)上[3]，測試網(wǎng)絡(luò)中的各測試設(shè)備根據(jù)自己的需要取得自己的測試參數(shù)，因此測試網(wǎng)絡(luò)上有各種各樣的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含很多的測試參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件作為機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)上的一部分，需要與該網(wǎng)絡(luò)建立連接，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的接收及挑選，并保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)通訊接口模塊首先讀取由事先準(zhǔn)備模塊形成的配置文件，將配置文件中數(shù)據(jù)流的IP地址、端口號、網(wǎng)絡(luò)包、參數(shù)等信息按照定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存入緩存，完成各配置文件的讀取及相關(guān)關(guān)鍵信息的顯示。根據(jù)配置文件建立與測試網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，該模塊基于Windows Socket開發(fā)了面向無連接的數(shù)據(jù)包通訊程序，為了提高程序的效率，采用了windows底層的API函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，將API函數(shù)進(jìn)行封裝[4]，方便程序的調(diào)用。函數(shù)調(diào)用的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 無連接協(xié)議的套接字調(diào)用時(shí)序圖Fig.3 No socket call timing diagram connection agreement

2.4 IENA數(shù)據(jù)解包

數(shù)據(jù)解包主要進(jìn)行參數(shù)工程量的轉(zhuǎn)化。按照配置文件，根據(jù)各個(gè)參數(shù)不同的校準(zhǔn)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，將得到的工程量直接顯示或者進(jìn)行二次處理再顯示。

機(jī)載測試網(wǎng)路上的數(shù)據(jù)是由一個(gè)個(gè)IENA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包組成，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可通過事先約定好的配置文件，讀取并解算出需要的測試參數(shù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的格式根據(jù)采集器的不同可以是不同的，但是必須遵循如表1所示的IENA數(shù)據(jù)定義。

表1 IENA數(shù)據(jù)包定義Tab.1 Definition of IENA packet

KEY:每種類型數(shù)據(jù)包的識別字；SIZE：數(shù)據(jù)包的字?jǐn)?shù)，從”KEY”到最后一個(gè)傳輸字；TIME：本年度1月 1日 0時(shí) 0分開始計(jì)算的微秒時(shí)間；STATUS:狀態(tài)字 （同步/異步）；SEQ_NUM:

數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器 （記錄每種KEY值的數(shù)據(jù)包的次數(shù)）；DATA：最多65527個(gè)數(shù)據(jù)字（每種KEY值的數(shù)據(jù)包所含數(shù)據(jù)字的數(shù)目固定）；END：數(shù)據(jù)包結(jié)束特征字 （典型值為0xDEAD）。

2.5 數(shù)據(jù)處理及發(fā)送

根據(jù)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)以及配置文件中參數(shù)的位置定義，解算出測試參數(shù)的碼值，再根據(jù)配置文件中測試參數(shù)的校準(zhǔn)類型進(jìn)行碼值到工程量的轉(zhuǎn)化。目前在飛行試驗(yàn)的測試參數(shù)中，主要采用的校準(zhǔn)類型有直線校準(zhǔn)，雙曲線，分段，多項(xiàng)式等效準(zhǔn)類型，針對每一種校準(zhǔn)類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化算法。工程量解算流程圖如圖4所示。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，將工程量通過定義好網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送給各監(jiān)控臺及工作站。

圖4 工程量解算流程圖Fig.4 Engineering calculation structure diagram

2.6 數(shù)據(jù)回放

可以將實(shí)時(shí)記錄的測試參數(shù)按照不同的速率進(jìn)行回放，是實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)的再現(xiàn)，針對飛行中的關(guān)鍵動作段可以進(jìn)行重復(fù)顯示，對分析測試參數(shù)具有重要的作用。

3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件邏輯流程

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件首先讀取用戶定義的帶頭文件和參數(shù)組文件，將所需配置信息和參數(shù)組信息存儲在緩存中，并對服務(wù)器進(jìn)行初始化配置。創(chuàng)建數(shù)據(jù)流接收線程，服務(wù)器按照配置要求接收采集器通過測試網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流參數(shù)提取，工程量轉(zhuǎn)換[5]，工程量通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端。流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件流程圖Fig.5 Network real time data processing software flow chart

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高速大流量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)接收處理技術(shù)

機(jī)載測試系統(tǒng)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)包速率可達(dá)50 Mb/s，每秒鐘數(shù)據(jù)包為5 000個(gè)，而且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小不均勻，這樣，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的接收就存在丟包的可能性，而且，接收到的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行實(shí)時(shí)解算和處理[6]，并實(shí)時(shí)顯示參數(shù)值，因此對程序效率要求也更高。針對這種多任務(wù)高效率的要求，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理軟件從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)存管理兩方面進(jìn)行優(yōu)化，提高程序效率。 結(jié)構(gòu)采用多線程結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)接收線程和數(shù)據(jù)處理線程并行進(jìn)行。 內(nèi)存管理進(jìn)行優(yōu)化，采用雙緩存區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

4.2 數(shù)據(jù)包時(shí)間快速對齊技術(shù)

機(jī)載KAM4000分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每秒鐘會產(chǎn)生數(shù)千個(gè)以不同關(guān)鍵字為唯一標(biāo)示的IENA數(shù)據(jù)包，經(jīng)過交換機(jī)后到達(dá)試飛數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的諸多不同關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)包在時(shí)間戳順序上是混亂的，如果不對數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊處理是無法提供給課題用于數(shù)據(jù)分析處理的。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件采用給每個(gè)需要提取的關(guān)鍵參數(shù)預(yù)先分配內(nèi)存，然后按時(shí)間戳索引完成數(shù)據(jù)包時(shí)間快速對齊，從而保證了測試參數(shù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果在時(shí)間上的一致性。

4.3 自定義監(jiān)控畫面的模塊化設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面顯示尤其是曲線顯示會占用處理器資源，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收，因此在軟件設(shè)計(jì)中將實(shí)時(shí)監(jiān)控作為獨(dú)立模塊設(shè)計(jì) ，通過動態(tài)鏈接庫編譯為獨(dú)立的運(yùn)行單元，它與主程序間通過共享內(nèi)存方式，接收監(jiān)控參數(shù)的數(shù)據(jù)。對監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行自定義設(shè)置，既實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的全面監(jiān)控，又不影響主程序的主要功能。

5 結(jié)束語

該機(jī)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件，已成功應(yīng)用于某大型運(yùn)輸飛機(jī)上，并已成功飛行多個(gè)起落，飛行結(jié)果表明該軟件運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)處理及顯示參數(shù)不少于2000個(gè)，滿足該機(jī)測試需求，該軟件對關(guān)鍵技術(shù)的突破為以后的機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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