一種基于AFDX 網絡與MATLAB 的系統仿真平臺

杜文亮 張彬 航空工業西安航空計算技術研究所

航空電子系統，簡稱航電系統，它的仿真驗證是飛機航電系統開發與設計過程中十分重要的一個環節。通過航電系統的仿真驗證可大大縮短研制周期并降低整個航電系統集成的風險和成本。AFDX 網絡以其高實時、高安全、高可靠和低延時的特點，滿足航電系統對健壯性、兼容性和可擴展性的要求，成為目前機載領域較先進的航空電子系統總線網絡。

AFDX 網絡由端系統(End System，ES)、交換機(Switch)、鏈路(Link) 組成，采用雙冗余星型拓撲結構，終端之間通過虛鏈路交換數據，虛鏈路(Virtual Link ，VL) 定義了一條消息的源地址和目的地址，其中源地址只有一個，每一個虛鏈路都有自己的帶寬。虛鏈路是AFDX 網絡的通信基礎，在系統中端系統通過虛鏈路進行數據幀的交換。AFDX 網絡采用全雙工交換機、異步傳輸模式等方法來減少總線競爭，通過靜態配置以達到確定性要求。

AFDX 作為新型航空總線技術，已經在空客A380 和400M、波音787 等飛機上得到成功應用，是國際公認的新一代飛機首選通信網絡。AFDX 網絡承擔著飛機航電系統數據傳輸的重要任務，如果網絡出現故障，將影響整個航電系統的功能，因此，必須在對AFDX 網絡功能和性能進行全面的驗證測試后才能將其投入工程應用。

為適應未來戰爭需求，新一代戰機航空電子系統中具有遠程數據采集及傳輸技術的遠程數據集中器是必需配備的。多接口、高速率、移動化的遠距離戰斗通信系統勢必會帶來大量遠程數據傳輸，而后臺服務器常常需要對這些收集到的遠程數據進行動態的數值化、圖形化仿真分析。實際工程中，通常通過純軟件的靜態方式來實現控制子系統中被控對象的模擬仿真，但這種仿真方法實時性較差，并沒有與實際控制子系統相連接，即沒有實時地、自動地通過實際交互接口進行數據傳輸，這與系統實際運行過程有一定的差距，其仿真分析結果也存的較大差異。為了解決這一問題，本文提出了一種基于AFDX 網絡與MATLAB 的系仿真平臺設計架構，以UDP 通信協議為基礎，通過AFDX 技術和MATLAB 仿真接口平臺，模型見圖1，實現了遠程數據集中器（被控對象）與后臺服務器之間數據實時動態的交互、處理、和圖形化仿真平臺，從而有效地完成了遠程采集數據的研究分析，為前后方戰略決策提供及時有效的數據化支撐。

圖1 基于AFDX 網絡與MATLAB 的上行數據分析平臺模型

1 組建AFDX 網絡通信端系統

AFDX網絡端系統是AFDX網絡與航電系統之間的接口部件，具有發送和接收數據的功能，可以進行虛鏈路（VL）隔離、發送端流量整形、接收端冗余數據管理、接收端VL 標號識別、完整性檢測等操作。AFDX 網絡端系統通過AFDX 交換機進行連接，為各宿主機提供高速、可靠的數據通信。

端系統是AFDX 中非常重要的一部分， 它在航空子系統和交換網絡之間起到橋梁的作用。負責將航空子系統需要發送的數據流進行整形， 然后按照一定的端系統調度算法將整形完的數據幀經相應的VL 發往目的終端，它還有一個重要的功能：冗余管理，它的作用是保證傳輸的可靠性。AFDX 端系統從上至下由應用層，傳輸層，網絡層和媒體訪問控制層組成。

根據ARINC653 航空電子應用軟件標準接口, 本文中AFDX通信端系統選用采樣端口。上位PC 機安裝AFDX 端系統板卡、VC++及Matlab/ Simulink 環境后。在服務端VC++開發環境中，使用本文平臺中上層應用程序，加載配置、創建端口和端口發送/接收，實現上位PC 機與遠程數據集中器之間AFDX 通訊鏈路，然后上層應用程序調用socket()建立網絡套接字，并將Socket 和本地IP 和UDP 端口進行綁定，完成服務端UDP 發送/接收操作，進一步實現AFDX 網絡與Matlab/ Simulink 仿真平臺之間的通信。

2 建立MATLAB 仿真平臺

在客戶端Matlab/ Simulink 開發環境中，創建客戶端UDP發送/接收模塊，終端地址、端口的設置要與AFDX 網絡中的以太網的IP 地址、端口的設置一致，這就為客戶端UDP 發送/接收模塊指定了要通信的地址，即完成了發送/接收模塊客戶端UDP 的相關配置，也就完成了AFDX 網絡與Matlab 之間通信任務的搭建。MATLB 實現平臺見圖2。

圖2 基于AFDX 網絡與MATLAB 的下行激勵控制平臺

3 平臺功能實現及擴展

用戶根接客戶端UDP 所接收到遠程被控對象數據的類型，在Matlab/ Simulink 中建立相應的可視化數學模型，對接收數據進行實時動態的仿真分析研究，同時也可通過本文提出的仿真平臺對遠程被控對象進行指令控制,使得遠程被控對象按照預定的程序的運行，實現整個機載遠程數據采集與傳輸系統下行激勵控制平臺智能化控制和上行數據分析平臺實時連續的自動化動態仿真。

根據不同應用場景、不同應用系統及地面測試設備等對AFDX網絡通信的技術需求，可對本文提出的仿真平臺進行擴充或裁剪，便于研究工作的延續。