機載數據總線分布式測試系統設計與實現

姚鋒剛

(西安航空職業技術學院， 人工智能學院， 陜西， 西安 710089)

0 引言

隨著航空電子技術的發展，飛機上各類機載設備逐漸多樣化且更加復雜，大量數據需要在設備之間進行數據傳輸以及運算，對設備的可靠性、通信的穩定性以及分布式控制都提出了新的挑戰。機載設備間存在多種數據總線共存的情況，多總線融合技術的出現促進了多平臺的統一應用，在這種背景下，研究分布式測試系統監測設備狀態及性能指標勢在必行。

1 核心技術

1.1 航空總線技術

航空系統中計算機的普及使得總線技術得到了推廣。總線技術是從工程的角度在整體上對系統的設計，通過多路數據傳輸總線構建分布式網絡實現信息的傳輸與共享。目前總線技術已成為飛機的一大特色，其中應用最為廣泛的總線標準包括以下幾類。

(1)CAN：CAN(Controller Area Network)總線已經被制定為國際標準，在國際上應用最為廣泛，具有高可靠性以及高錯誤檢測能力。

(2)RS232/RS422：RS232標準由美國電子工業協會制定，相對來說傳輸距離不高，演進出來的RS422采用單獨收發信道，降低噪聲干擾，傳輸速率較高，傳輸距離更遠。

(3)MIL-STD-1553B：該總線為美國軍用標準，利用曼徹斯特碼通過雙絞線進行傳輸，可以掛接控制器、監視器、遠程終端。具有速度快、通信效率高、擴展及維護方便的特點，冗余容錯能力使系統可靠性大幅提高[1]。

(4)ARINC429:該總線由美國航空電子工程委員會提出，在各類民用飛機應用廣泛，由于非集中控制，可靠性較高，且性能穩定、結構簡單，具有很高的抗干擾能力。

1.2 以太網技術

以太網是目前局域網中通用的協議標準，屬于拓撲結構，它將所有計算機相連，通過廣播在無源介質實現消息傳遞，主要包括標準以太網、快速以太網、千兆以太網、萬兆以太網，具有可移植、低成本、易維護、結構簡單易實現、傳輸效率高的特性。實時性與可靠性不僅可以滿足各類控制要求，還為系統的后續發展提供可能，因此選擇以太網技術作為現場總線。

2 基于以太網的多總線融合器

由于飛機上存在不同的機載設備，使用的數據總線、網絡結構以及接口各不相同，不同總線技術的功能和實現標準也不相同，為了適應復雜的現場環境，將多種總線融合起來，實現信息共享。

2.1 數據幀格式

以太網包括4種不同的格式幀，每一種格式都存在8個字節的前導字符，其中,前7個為前同步碼，后1個為起始標識符[2]。在多總線融合器的設計過程中采用EthernetⅡ格式，利用幀頭和幀尾中的字段實現總線類型標記。將不同的總線協議映射到幀之中的數據域，如表1所示。根據幀頭判斷總線類型，根據幀尾判斷該數據幀是否結束。

表1 多種總線幀頭幀尾映射關系

2.2 多總線融合器

曼徹斯特編碼是以太網系統中廣泛應用的信道編碼，具有自動同步能力，其實現原理為在信號流中加入時鐘，將時鐘信號一并進行傳輸，具有極強的抗干擾性，因此選用曼徹斯特編碼對數據進行編碼與解碼后，加上幀頭、幀尾組成完整的總線數據格式，傳輸至相應系統的接口，實現多總線的融合。過程如圖1所示。

圖1 基于以太網的多總線融合

3 機載數據總線分布式測試系統設計

3.1 整體架構

機載數據總線分布式測試系統在整體架構上包括多總線融合器、分布式控制中心、分布式測試節點。整體架構如圖2所示。

(1)多總線融合器：由各類總線通信標準的接口組成，實現多總線融合。

(2)分布式控制中心：利用工業用計算機、以太網板卡實現。可連接單個或多個控制節點實現分布式控制[3]。

(3)分布式測試節點：控制節點下可連接單個或多個測試節點執行具體控制命令。

圖2 系統整體架構

3.2 硬件設計與實現

3.2.1 以太網接口

以太網接口包括MAC層、物理層。由于分布式測試系統對通信實時性有較高要求，鑒于以下優點MAC層采用C6472控制器，物理層采用DP83865芯片。

(1)MAC層：C6472集成了EMAC(以太網控制器)、MDIO(輸入輸出管理器)2個部分。EMAC負責處理器到物理層的數據包，全雙供千兆操作，支持RMⅡ、RGMⅡ、S3MⅡ三種芯片接口。

(2)物理層：DP83865芯片集成了PMD子層，功耗低，利用發送器與雙絞線直接接觸。兼容性高、可編程GMⅡ管腳，支持自動協商及檢測。

3.2.2 IO輸入輸出模塊

IO量采集主要由FPGA芯片和電平轉換電路實現，通過電平轉換電路將地/空信號或28 V/地信號等轉換為FPGA可識別的電平信號。IO量輸出主要由繼電器、FPGA芯片和電平轉換電路實現，繼電器將輸出信號轉換為地/空信號或28 V/地信號[4]。

3.2.3 雙DSP測試模塊

雙DSP測試模塊由2個DSP芯片和FPGA芯片組成，其中，DSP芯片采用C6714，DSP1作為工作通道接收數據并輸出IO量，DSP2作為監控通道完成輸出信號回采并監控運行狀態，利用雙口RAM實現信息共享，利用硬線連接實現時鐘同步。

3.3 軟件設計與實現

分布式測試系統的軟件部分主要包括分布式測試控制中心以及分布式測試節點2部分，機載數據總線分布式測試系統屬于大型測試系統，要求系統實時性高、移植性好。因此選用Delphi開發平臺，利用其VCL應用框架實現編譯及連接速度的提升。

3.3.1 分布式控制中心

分布式控制中心需同時處理多項事務，因此需創建多線程，利用Delphi總VCL線程類TThread進行創建，利用線程函數Execute作為派生出來的抽象方法，利用Synchronize方法實現同步操作。分布式控制中心采用SQL數據庫，通過ADO組件實現操作，利用ADOConnection實現數據庫連接，利用ADOQuery實現數據庫的增刪改查操作[5]。分布式控制中心的軟件部分主要實現功能測試和系統維護，功能測試包括各類設備的測試參數配置，采集性能數據與標準范圍比較，解析采集到的數據判斷是否存在故障，可視化展示狀態信息以及數據結果；系統維護包括用戶管理以及操作日志記錄。

3.3.2 分布式測試節點

分布式測試節點的主要功能是采集控制節點輸出的信號，經過各類測試后再將結果返回控制節點，實現閉環管理。工作流程如圖3所示。

圖3 分布式測試節點工作流程

(1)仿真模塊：利用實際對象的數學模型，根據控制指令計算仿真結果并輸出結果給控制節點。

(2)測試模塊：根據控制中心的測試要求判斷故障信號的疊加時間及大小。

(3)同步模塊：實現2個DSP之間的時鐘、周期計數、任務同步。利用GPIO口輸出的高低進行判斷是否超出同步等待時間。利用雙口RAM實現信息寫入以及標識位更新，與自身通道的值進行比較，判斷是否完成周期計數及任務同步。

(4)自身監控模塊：根據仿真模塊結果以及FPGA回采數據與自身通道數據進行對比判斷通道運行狀態。

4 系統應用與測試

為了驗證設計的機載數據總線分布式測試系統的實際效果，以電動舵機為例構建仿真模型，利用MATLAB自動生成代碼，在Simulink建立模型進行應用測試。

4.1 構建數學模型

設ui代表輸入信號，uf代表反饋信號，ei代表誤差信號，則伺服放大電路可記作u0=kei，誤差信號可記作ei=ui-uf，其中K為放大倍數。

4.2 仿真驗證

綜合舵機各個模塊的數學模型，在Simulink建立仿真模型如圖4所示。

圖4 電動舵機仿真模型

其中，IN作為模型的輸入，OUT_CUR為仿真得出的電流，OUT_POS為仿真的位置。運行之后得到階躍響應如圖5所示。

圖5 階躍響應圖

4.3 結果分析

根據仿真的階躍響應圖可知系統運行穩定，振蕩2次，上升時間為0.48 s，放大倍數達到4 mm/v，超調為15.5%，說明系統可靠性較高且性能優異。

5 總結

結合以太網技術對多種數據總線進行了融合處理，實現機載設備的互聯互通，設計的分布式測試系統經過仿真分析證明運行可靠且處理性能優異。但也存在不足之處，機載設備的現場環境復雜，受溫度及電磁影響，還應結合其他理論實現降噪處理。另外，系統數據傳輸過程中還需進一步鉆研通信接口，力求提升傳輸效率增加系統處理實時性。