某型A320飛行模擬機(jī)的接口技術(shù)原理分析

羅國(guó)慶

摘?要：本文介紹了飛行模擬機(jī)引入接口系統(tǒng)的原因與意義，并分析了某型A320飛行模擬機(jī)兩種不同電子設(shè)備接口系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：飛行摸機(jī)器;接口系統(tǒng);以太網(wǎng)接口;ARINC接口系統(tǒng)

飛行模擬機(jī)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)以及其應(yīng)用相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以工業(yè)計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和航空電子設(shè)備為工具，利用仿真系統(tǒng)模型對(duì)飛行系統(tǒng)進(jìn)行包含有人回路的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。飛行模擬機(jī)接口系統(tǒng)能使仿真計(jì)算機(jī)和駕駛艙電子設(shè)備進(jìn)行快速通信。飛行模擬機(jī)接口按照系統(tǒng)分類管理，快速準(zhǔn)確的完成數(shù)據(jù)交換，并實(shí)現(xiàn)跟真實(shí)飛機(jī)相同操作訓(xùn)練功能，飛行模擬機(jī)采用多種接口模式通信，保證了計(jì)算機(jī)與座艙設(shè)備實(shí)時(shí)、高效和靈活的完成數(shù)據(jù)通信。

1 飛行模擬機(jī)引入接口系統(tǒng)的意義

我們先來看一個(gè)例子，如圖1所示，是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的燈泡控制電路，主要由28V電源、跳開關(guān)SW、開關(guān)CB和燈泡組成。當(dāng)需要燈泡工作時(shí)，只需閉合SW開關(guān)，燈泡就可以點(diǎn)亮正常工作。但是對(duì)于飛行模擬機(jī)，由于模擬機(jī)飛行訓(xùn)練需求，經(jīng)常要使駕駛艙電子設(shè)備工作在非正常狀態(tài)下。按照?qǐng)D1實(shí)現(xiàn)起來需要添加許多額外的控制電路。我們換一種思路，在飛行模擬機(jī)上我們引入接口系統(tǒng)，把各個(gè)單元的功能模塊化。我們把座艙中的設(shè)備如跳開關(guān)SW、開關(guān)CB和燈泡都當(dāng)成接口系統(tǒng)輸入與輸出的一部分，接口系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備的輸入進(jìn)行集中數(shù)字化處理，而計(jì)算機(jī)通過接口系統(tǒng)的輸入獲取開關(guān)的狀態(tài)信息。這些開關(guān)位置不直接決定燈泡的工作狀態(tài)，而是根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)邏輯運(yùn)算后產(chǎn)生控制信號(hào)，再通過接口的輸出通道來控制燈泡的狀態(tài)。這樣設(shè)計(jì)的精妙在于飛行教員可以根據(jù)訓(xùn)練要求，靈活設(shè)置飛行故障，達(dá)到控制駕駛艙電子設(shè)備的目的，且取消飛行設(shè)備故障簡(jiǎn)單。而訓(xùn)練的飛行員卻覺察不到飛行模擬機(jī)和真實(shí)的飛機(jī)有什么不同。

2 模擬機(jī)接口系統(tǒng)的原理概述

從上面的論述我們知道，我們把飛行模擬機(jī)按照功能進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，分成了仿真計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)接口和機(jī)載電子設(shè)備。飛行模擬機(jī)的接口系統(tǒng)充當(dāng)了仿真計(jì)算機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備相互通信的橋梁。首先機(jī)載電子設(shè)備信號(hào)通過接口系統(tǒng)數(shù)字化處理發(fā)送給仿真計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真程序運(yùn)算，向接口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過接口數(shù)據(jù)處理后返回機(jī)載電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)飛行模擬機(jī)一個(gè)完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流環(huán)路。

2.1 某型A320飛行模擬機(jī)接口系統(tǒng)

由于飛行模擬機(jī)上電子設(shè)備通常包括飛機(jī)真件和實(shí)物仿真件，首先仿真件與真件它們的驅(qū)動(dòng)信號(hào)方式是存在差異的，同一設(shè)備也可能需要多種不同類型信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。A320飛行模擬機(jī)上主要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)主要由DI、DO、AD、DA、PWA、arinc429等組成。由于不同類型的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在傳輸數(shù)據(jù)類型與速率上不同，飛行模擬機(jī)需要根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型采用了不同的接口系統(tǒng)。其主要驅(qū)動(dòng)信號(hào)方式由以太網(wǎng)接口系統(tǒng)、ARINC接口系統(tǒng)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)等。

2.2 以太網(wǎng)接口系統(tǒng)

以太網(wǎng)接口系統(tǒng)主要通過使用MIO-e（Modular Input Output-Ethernet）卡處理主計(jì)算機(jī)與機(jī)載設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)。計(jì)算機(jī)主機(jī)由運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VERTEX的多塊RECE卡組成，飛行仿真程序按照類別加載在不同的RACE卡內(nèi)存單元上，這些RACE通過HSSL光纖環(huán)路組成光纖環(huán)路，其通信協(xié)議為Reflect Memory（共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)）。同時(shí)計(jì)算機(jī)主機(jī)上的以太網(wǎng)網(wǎng)卡通過主板上的PCI總線與某塊處理IO信息的RACE卡內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)卡使用UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)傳送到以太網(wǎng)總線上，IO網(wǎng)卡設(shè)置TCP/IP地址協(xié)議，通過路由器將總線數(shù)據(jù)按照路由地址分送到不同區(qū)域的接口單元，這些接口單元通常稱為一個(gè)接口模塊單元，在該型號(hào)飛行模擬機(jī)上一共有7個(gè)接口模塊單元，分別與駕駛艙不同的電子設(shè)備通信。在每個(gè)模塊單元上Slot10位置MIO-e卡設(shè)為主控制卡，負(fù)責(zé)上傳和下載PCI總線數(shù)據(jù)，該位置MIO-e卡可以通常母板上高速串行接口與該組件單元上其它從屬M(fèi)IO-e卡交換數(shù)據(jù)。所有MIO-e按照系統(tǒng)配置定義文件將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定信號(hào)傳輸給駕駛艙電子設(shè)備，同時(shí)駕駛艙電子設(shè)備反饋數(shù)據(jù)信號(hào)也通過主MIO-e卡完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換再通過以太網(wǎng)傳回計(jì)算機(jī)主機(jī)。由于每個(gè)接口組價(jià)單元卡槽限制，其母板能安裝MIO-e卡的最大數(shù)為6張。其中每張MIO-e卡能最大可以處理56個(gè)數(shù)字信號(hào)和16個(gè)模擬信號(hào)。也就是說每張MIO-e通過文件配置最大管理56個(gè) DI/DO和16個(gè)AI/AO通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)每一MIO-e卡上裝有一對(duì)常閉繼電器，可以實(shí)現(xiàn)自我故障診斷，并把狀態(tài)信息同時(shí)主MIO-e卡反饋給主計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 ARINC接口系統(tǒng)

飛行模擬機(jī)器是能夠復(fù)現(xiàn)飛行器及空中環(huán)境并能夠進(jìn)行訓(xùn)練操作的模擬設(shè)備。飛行模擬機(jī)上由于集成了許多機(jī)載航電設(shè)備，這些航電設(shè)備除了需要一般控制信號(hào)外，還需要跟真實(shí)飛機(jī)上一樣的ARINC信號(hào)，由于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)主機(jī)通常無ARINC數(shù)據(jù)總線接口，需要飛行模擬機(jī)的接口系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)主機(jī)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的ARINC數(shù)據(jù)總線與機(jī)載航電設(shè)備通信。

如圖3所示，ARINC接口系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)主機(jī)、VPC（VME PMC Carrier）母板卡、和駕駛艙電子設(shè)備組成。在計(jì)算機(jī)主機(jī)上，飛行模擬機(jī)的ARINC程序被運(yùn)行在主計(jì)算機(jī)PCI Slot16位置的RACE卡上（上文已經(jīng)提到），主計(jì)算機(jī)上RACE可以通過HSSL RM模式與其它RACE卡進(jìn)行內(nèi)存共享。除此之外該位置RACE卡還采用高速光纖網(wǎng)絡(luò)HSSL BR模式與模擬機(jī)不同位置上的VPC母卡組成回路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。VPC卡分布在每個(gè)接口單元組件，通常在其Slot3和Slot4位置上，在每張VPC卡上有兩塊獨(dú)立工作PAI（PMC ARINC429 INTERFACE）子卡，每張PAI卡通過其接口組件單元上VME BUS總線與VPC通信。其中PAI板卡是ARINC接口系統(tǒng)的處理核心，每塊PAI卡最大可以同時(shí)處理24個(gè)ARINC429信號(hào)通道，其總線尋址地址為32BIT，工作頻率為12.5MHZ。每張PAI卡在上電初始化時(shí)通過內(nèi)部FPGA 來配置每張PAI卡的端口，PAI卡的0-15號(hào)設(shè)置為發(fā)送端口，16-23號(hào)設(shè)置為接收端口。以PAI卡接收數(shù)據(jù)為例，當(dāng)PCI地址總線上有地址總線申請(qǐng)時(shí)，PAI卡先把PCI總線上的數(shù)據(jù)存入到RAM內(nèi)存中，通過其內(nèi)部FPGA對(duì)32BIT地址信息進(jìn)行譯碼，選擇對(duì)應(yīng)的端口，將RAM內(nèi)存數(shù)據(jù)通過選擇的端口完成ARINC429數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，再通過WDA繞線組件與其它信號(hào)線一起組成完整的電纜線完成與機(jī)載航電設(shè)備通信。

3 接口系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

①實(shí)時(shí)性：由于飛行模擬機(jī)包含了計(jì)算機(jī)、接口系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備等，這些設(shè)備在處理數(shù)據(jù)時(shí)存在反應(yīng)時(shí)間，所以飛行模擬機(jī)必須按照模擬機(jī)鑒定測(cè)試指南測(cè)試模擬機(jī)的傳輸延時(shí)，保證飛行模擬機(jī)實(shí)時(shí)性符合要求。②抗干擾性：由于計(jì)算機(jī)、接口系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備在空間上存在一段距離，且布線采用集中布線方式，線纜存在著相互干擾和信號(hào)衰減問題，這就需要接口系統(tǒng)選用抗到干擾衰減能力更強(qiáng)的設(shè)備，或者添加中繼設(shè)備增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，以及做好線纜之間的屏蔽措施。③穩(wěn)定性：由于模擬機(jī)的接口系統(tǒng)通常安裝在模擬機(jī)駕駛艙附近，由于模擬機(jī)訓(xùn)練振動(dòng)，需要在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，考慮接口的抗震性和穩(wěn)定性。防止接口板卡或者接頭在使用中松動(dòng)。除此之外，接口系統(tǒng)還應(yīng)注意接口系統(tǒng)自診斷和易維護(hù)性等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了某型A320飛行模擬機(jī)兩種接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理及意義，并對(duì)兩種不同接口方式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，希望大家對(duì)了解飛行模擬機(jī)接口有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]R7系列模擬機(jī)操縱與技術(shù)手冊(cè).美國(guó)L3民用飛行模擬機(jī)公司，2014.

[2]飛行模擬機(jī)鑒定與測(cè)試指南.中國(guó)民用航空軍，2005.

[3]現(xiàn)代飛行模擬機(jī)論證概要.中國(guó)民航飛行學(xué)員學(xué)報(bào)，2001.