基于1394B總線的直升機飛管系統仿真驗證環境設計

付益愷 孟文杰

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

直升機飛管系統實現了飛行控制、機電綜合管理、直升機健康管理等功能的綜合，提高了直升機的總體性能、飛行安全和任務效能，有效減輕了系統重量，是直升機機載系統領域的發展趨勢。于此相對應的，飛管系統相較于傳統的分立式控制系統對于數據傳輸的快速性、可靠性和確定性提出了更高的要求。如何保證數據傳輸準確性的同時提高數據傳輸的速率，是飛管系統研制過程中需要解決的一個難題。在國內外直升機領域的相關應用中，對于各分系統間的數據傳輸通常通過選用ARINC429、MIL_STD_1553B、RS422等數據總線來實現。以ARINC429 數據總線為例，其傳輸速率為100kbps，可傳輸消息最大長度為1 個字（32 位），每條總線上可以連接不超過20 個的接收器，采用單工工作方式，無論從傳輸速率還是數據帶寬上都難以滿足直升機飛管系統的需求。相較于傳統總線標準，1394B 總線能夠提供千兆速度擴展的特性和機制，以及在100m 的距離內發出信號的能力，能夠滿足直升機飛管系統對于數據傳輸的需求。針對1394B 總線協議的特點以及直升機飛管系統的應用場景，本文設計了一種基于1394B 總線的直升機飛管系統仿真驗證環境，以驗證直升機飛管系統使用1394B 總線進行數據傳輸的可行性。

1 1394B總線仿真驗證環境拓撲

1394B 總線試驗驗證環境由四余度總線網絡、總線數據采集與分析環境、總線協議分析及故障激勵環境和綜合顯示環境構成。每個余度總線網絡包含兩條總線，其中總線1 包括CC 節點、飛控遠程節點和機電遠程節點，總線2 包括CC 節點和任務遠程節點。各余度CC 節點間通過CCDL 總線進行連接，實現余度間的同步和數據交換。總線數據采集與分析環境、總線協議分析及故障激勵環境和綜合顯示環境主要用于總線網絡數據采集、總線行為監控以及總線網絡狀態的綜合顯示。通過在該環境中設計總線網絡核心協議及總線架構，并利用配套仿真、測試與顯示環境，完成對1394B 總線協議、時序、接口邏輯和數據流的仿真評估。

2 1394B總線仿真驗證環境組成

2.1 總線網絡控制管理原理演示驗證環境（簡稱CC&CCDL仿真器）

用于模擬1394 總線網絡中CC 節點的總線接口行為和功能，并實現CC 節點間的總線同步及CCDL 功能，總線網絡控制管理原理演示驗證環境由總線網絡演示驗證環境CC&CCDL 接口仿真設備（總線仿真板卡及配套上位機）及總線網絡控制管理原理演示驗證環境軟件（CC&CCDL 仿真器軟件）組成。

2.2 RN仿真器

用于模擬1394 總線網絡中遠程節點總線接口行為和功能，驗證安全關鍵系統與非安全關鍵系統的數據傳輸是否滿足系統需求。RN 仿真器包括飛控/機電系統總線網絡節點演示驗證環境（以下簡稱飛控/機電遠程節點仿真器）和任務系統總線網絡節點演示驗證環境（以下簡稱任務遠程節點仿真器），RN 仿真器由總線網絡演示驗證環境通用仿真設備（仿真板卡及配套上位機）及飛控/機電/任務系統總線網絡節點演示驗證軟件組成。

2.3 總線數據采集與分析軟件

用于采集、存儲和分析在總線上傳輸的所有數據，并將關鍵信息傳輸至總線網絡演示驗證環境信息綜合顯示系統進行綜合顯示。

圖1：總線數據采集與分析環境采集腳蹬指令變化

圖2：事件應答數據包發送前

圖3：事件應答數據包發送后

圖4：綜合顯示環境故障顯示

2.4 總線協議分析及故障激勵環境

用于采集總線上傳輸的原始數據，實現對節點的操作，包括節點端口使能、強制根節點等，同時監控總線狀態，包括總線拓撲監控、節點狀態監控以及總線復位監控等。

2.5 綜合顯示環境

通過接收總線數據采集與分析環境轉發的數據顯示如下信息：

（1）飛機管理系統與總線的健康狀態；

（2）總線網絡數據傳輸情況；

（3）各總線節點監控產生的總線網絡故障告警信息。

3 典型應用場景

3.1 1394B總線網絡數據傳輸過程

設置飛控遠程節點前端傳感器采集數據數值，通過總線網絡將數據傳輸至四余度CC&CCDL 仿真器，CC&CCDL 仿真器進行數據表決，產生后端執行機構指令信號，并將該指令信號傳輸至飛控遠程節點，同時監控飛控遠程節點回傳的后端執行機構狀態。在此過程中，可執行如下操作：

（1）更改飛控遠程節點數據；

（2）記錄、分析總線網絡數據信息流（飛控遠程節點、CC&CCDL 仿真器及CCDL 數據）；

（3）查看綜合顯示環境實時監控信息。

3.2 不確定性數據傳輸過程

可通過任務遠程節點仿真器和CC&CCDL 仿真器進行事件消息發送與應答回復，實現總線網絡中不確定性數據的傳輸。在傳輸過程中，可注入非法事件請求、SVPC 故障、重復事件請求等，以此驗證不確定性數據傳輸邏輯，并通過綜合顯示環境進行實時觀察和確認。

3.3 故障激勵與總線網絡狀態監控

通過總線協議分析及故障激勵環境進行總線網絡故障激勵，利用總線數據采集與分析環境及綜合顯示環境記錄、觀察總線網絡中各節點對故障的響應及總線網絡在故障后的運行狀態。總線網絡故障激勵包括：

（1）總線協議故障激勵，包括非法消息故障、數據包大小故障、發送偏移故障、數據包目的通道故障等；

（2）數據包故障注入，包括STOF 包周期故障/HVPC 故障、異步流包心跳故障/SVPC 故障/CRC 故障等；

（3）總線網絡拓撲故障，包括總線復位故障、總線節點數故障、根節點故障等。

4 仿真結果

4.1 總線網絡數據傳輸仿真

總線正常啟動后，利用firespy 驗證FCS_DATA1_A 數據包是否符合規定的異步流包格式。

設置飛控遠程節點發送的FCS_DATA1_A 數據包中腳蹬指令由0 置1，觀察總線數據采集與分析環境收到的數據是否正確。仿真結果如圖1 所示。

如圖所示，總線數據采集與分析環境能夠正確采集飛控遠程節點發送的數據。

4.2 不確定性數據傳輸仿真

總線正常啟動后，通過任務遠程節點（DMP 節點）上層應用軟件觸發自動駕駛接通請求事件，查看CC&CCDL 仿真器能否做出正確應答并在綜合顯示系統上正確顯示自駕模態的變化。仿真結果如圖2、圖3 所示。

如圖所示，事件與應答數據包發送與接收功能正常，滿足要求。

4.3 故障注入仿真

總線正常啟動后，通過飛控遠程節點（FCS 節點）上層應用軟件注入異步流包SVPC 故障，查看綜合顯示系統能否申報相應故障。仿真結果如圖4 所示。

如圖所示，FCS 故障列表和RIU 故障列表均報出故障，滿足要求。

5 結束語

直升機飛管系統仿真驗證環境是依據實際應用所需的電氣接口、傳輸速率、工作周期等一系列技術要求進行設計與實現的。其采用模塊化、通用化的設計，具有良好的維修性、互換性及可擴展性，后續還可根據使用需求進行進一步的功能拓展。本方案在設計時采用了多余度的系統架構，可進行余度表決、通道交叉傳輸等功能的仿真和測試，且各節點均具備軟硬件故障的檢測和定位能力。此外，仿真驗證環境還具備故障注入能力，可向系統內的各節點中注入總線協議故障、數據包故障、總線網絡拓撲故障，幾乎囊括了直升機飛管系統在真實運行環境中所能遭遇的所有數據通訊故障，可有效檢驗系統和部件對于故障的響應和處置能力。綜上所述，該套仿真驗證環境可有效提高直升機飛管系統在桌面仿真和半物理仿真階段的實驗效率和準確度，具有較高的工程應用價值。