分布式試飛測試內(nèi)總線研究

鄧斐

（江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，江西南昌，330000）

1 試飛測試技術(shù)特點及作用

1.1 試飛測試技術(shù)特點

1.1.1 小型飛機試飛測試的特點

小型飛機試飛測試有著以下特點：(1)試飛測試中涉及的參數(shù)數(shù)量較多，一個新機型的測試參數(shù)能夠達到上萬甚至更多。（2）測試項目種類繁多，小型飛機試飛測試同樣涉及到各種項目，包括航空電子總線信號、數(shù)字量信號、模擬量參數(shù)以及飛機外部測試參數(shù)項目等。（3）測試數(shù)據(jù)量大，因測試過程中的參數(shù)數(shù)量多、種類多，也導致測試過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)，每架飛機試飛測試設計的數(shù)據(jù)總量能達到萬兆字節(jié)。（4）小型飛機測試對測試系統(tǒng)具有一些特殊要求，要求測試系統(tǒng)能夠重復使用，且可靠性高、系統(tǒng)體積較小、具備通用性。（5）小型飛機測試中所有測試數(shù)據(jù)資料必須要傳輸回地面，同時地面站還能夠?qū)φ麄€測試過程進行遙測監(jiān)控。（6）小型飛機試飛測試中需要做好數(shù)據(jù)處理的預處理、實時采集分析和數(shù)據(jù)存儲歸檔等工作。

1.1.2 大型飛機試飛測試的特點

對大型飛機進行試飛測試的過程中，和小型飛機的飛行測試具有較大區(qū)別，在小型飛機測試基礎上還具有一些新的要求和特點：（1）大型飛機測試同樣需要涉及到大量的參數(shù)和繁多的項目，以A340試飛測試為例，涉及到的測試參數(shù)超過10000個。（2）大型飛機測試要求較高帶寬，同時還具有較多高速模擬參數(shù)要求。（3）大飛機測試中可以使相關工程師隨機飛行。（4）因大型飛機體型大、空間大，因此在測試中可以配備大體積、大數(shù)量的測試設備。（5）大型飛機多為民用機，具備更短的測試周期、相對較低的測試成本。

1.2 試飛測試在飛行試驗中的作用

對于不同機型的飛行測試而言，試飛測試具備不可忽視的作用，主要體現(xiàn)在以下幾面：（1）試飛測試是獲取飛行器飛行相關數(shù)據(jù)的基本方法。（2）能夠有效保障試飛安全。（3）能夠為試飛測試中涉及的大量數(shù)據(jù)提供分析方法，提供硬件平臺、軟件平臺支持力度。（4）通過試飛測試能有效縮短飛機的試飛周期、提升試飛效率。（5）通過試飛測試能有效蘋果飛機性能，發(fā)現(xiàn)隱患和故障并及時排除。（6）通過試飛測試得到飛機飛行相關參數(shù)，為航空器設計、優(yōu)化等提供基礎數(shù)據(jù)。（7）通過試飛測試得到試飛數(shù)據(jù)，為性能指標評估、飛行奠定報告提供科學依據(jù)。

2 分布式試飛測試內(nèi)總線技術(shù)

2.1 總線技術(shù)

作為分布式試飛測試總線系統(tǒng)的重要內(nèi)容，總線技術(shù)是核心關鍵之一，也是采集單元間和單元內(nèi)進行通信的平臺。

實際總線是進行信息共享和信息傳輸?shù)墓猜窂剑腔诮y(tǒng)一標準和技術(shù)規(guī)范基礎上的操作和連接方式。通過總線將一組設備連接在一起組成“總線段”（BusSegment）。不同總線時間相互連接，同時結(jié)合總線中的設備構(gòu)成完整的網(wǎng)絡。一次總線操作涉及到總線中所有的主設備和從設備，完整的一次總線操作包括“連接→數(shù)據(jù)傳送→脫開”。

“脫開”（Disconnect）：在完成數(shù)據(jù)采集和傳送操作之后，主設備會進行操作，斷開和從設備之間的連接。主設備運行中一旦和從設備（一個或多個）進行連接就能夠執(zhí)行讀寫操作，經(jīng)過總線操作后最終可以放棄總線占有權(quán)。“讀”（Read）數(shù)據(jù)操作即對從設備中的數(shù)據(jù)進行讀取，“寫”（Write）實際是對從設備進行處理，進行備寫數(shù)據(jù)，讀寫操作實質(zhì)是主設備和從設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和存儲。在總線中引入管線傳送和塊傳送技術(shù)，希望以此提升數(shù)據(jù)傳送速度。在總線信息和數(shù)據(jù)傳輸中可能出現(xiàn)“沖突”（Contention），為避免和解決這些問題需要引入總線仲裁（Arbitration），保證同一時刻只有一個主設備占用總線，只有當其完成總線操作之后才能讓其他主設備占用總線。

2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)

信息技術(shù)的發(fā)展和自動化技術(shù)的革新推動了現(xiàn)場總線技術(shù)的更新迭代，目前已經(jīng)形成了開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信網(wǎng)絡，并基于此構(gòu)建了全分布式網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)。在上世紀九十年代形成的現(xiàn)場總線（Fieldbus）主要應用于制造自動化、過程自動化以及家庭自動化等眾多領域的現(xiàn)場通信互聯(lián)，是現(xiàn)場控制系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的集成，之后的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）也是基于此發(fā)展起來的。作為新一代控制系統(tǒng)其將數(shù)字化應用到現(xiàn)場管理中。現(xiàn)場總線控制技術(shù)的應用進一步降低了控制系統(tǒng)的建設投入，進一步提高了控制質(zhì)量，使得最終的系統(tǒng)具有更佳的互換性、開放性、分散性和集成性。同時基于此提出了很多現(xiàn)場總線的標準和規(guī)范，包括CAN、P-NET、FF、WORLDFIP、PROFIBUS和LONWORKS等，正因為這些標準和規(guī)范的提出影響了系統(tǒng)的開放性和集成性。現(xiàn)場總線技術(shù)作為目前自動化領域關注熱點，越來越向著統(tǒng)一化、開放化的方向發(fā)展。

2.3 分布式實時系統(tǒng)

近年來人們越來越關注分布式實時系統(tǒng)，并且就該方面展開了大量的研究，目前在分布式系統(tǒng)組成和實時應用性質(zhì)方面的研究主要集中在以下三個方向：①操作系統(tǒng)+基于分布式對象技術(shù)的實時擴展模塊。在原有操作系統(tǒng)基礎上引入分布式技術(shù)，結(jié)合以COM技術(shù)（微軟公司）為代表的實時擴展模塊進行優(yōu)化。基于此得到的新型系統(tǒng)主要在弱實時系統(tǒng)進行應用。②實時操作系統(tǒng)+通用操作系統(tǒng)+實時通信。作為目前分布式實時系統(tǒng)中應用最為普遍的形式，實時操作系統(tǒng)的實現(xiàn)主要依靠實時功能模塊實現(xiàn)，通用操作系統(tǒng)主要應用于非實時系統(tǒng)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)實時通信及實時任務間交換。③分布式實時操作系統(tǒng)+計算機網(wǎng)絡。隨著人們研究不斷深入，此種研究系統(tǒng)也成為人們研究熱點之一。

3 分布式試飛測試內(nèi)總線系統(tǒng)設計與應用

3.1 設計思想與目標

在進行設計中需要充分考慮試飛測試系統(tǒng)的要求和特征，地面配置軟件指令能夠應用于數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部總線數(shù)據(jù)傳輸功能控制。在進行數(shù)據(jù)采集的時候首先由地面軟件進行配置，并生成相應指令進行控制，保證飛機試飛期間數(shù)據(jù)的準確采集。總線技術(shù)中采用單一指令循環(huán)控制執(zhí)行，保證指令不會變換。采集系統(tǒng)集成化、體積小型化趨勢明顯，因此本文在設計中采用了不同于現(xiàn)有的內(nèi)部總線標準，引入時序邏輯實現(xiàn)自定義非標準內(nèi)部總線設計。

基于此確定本文最終的內(nèi)部總線設計目標：最大有效傳輸率能夠達到2MB/s，能夠支持16個以下的功能插槽，設計中每個功能模塊的尋址空間低于64kB。最終設計的功能板卡能夠進行信息偵測，且能夠?qū)崿F(xiàn)一源多目的一次數(shù)據(jù)傳輸。保證數(shù)據(jù)能夠有效傳輸?shù)较到y(tǒng)控制板卡、PCM編碼卡等用戶板卡。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.1 分布式采集系統(tǒng)

本文設計的分布式采集系統(tǒng)涵蓋兩個重要總線：采集器內(nèi)部總線以及主設備、從設備采集器互連的外總線。外部總線主要應用于數(shù)據(jù)傳輸和控制各個分布式微采集器。內(nèi)部總線作為微采集器內(nèi)部的總線，主要應用于微采集器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)部控制。設計中涉及到的各個采集器均具備獨立的格式、控制、采集和記錄、輸出功能。且每個采集器均具備從單元工作模式、主單元工作模式和獨立工作模式三種工作模式。引入分布式結(jié)構(gòu)后，每個采集器能夠基于預設功能的基礎上進行數(shù)據(jù)采集，同時系統(tǒng)外部總線控制下采集器會按照時間和模塊進行相應數(shù)據(jù)采集，保證固定、穩(wěn)定的時間采集關系。

系統(tǒng)設計中充分考慮數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集需求，需要預先定制檢查/地面編制軟件，結(jié)合任務需求完成系統(tǒng)配置，包括每個采集器功能采集卡的配置、分布式系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)定義、傳輸控制（外總線控制模塊）定義。設計中這些定義形成SETUP文件，文件將在外部總線中傳遞到采集器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)采集和傳輸。

3.2.2 總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文設計的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過圖中所示能夠看出采集器內(nèi)部各個功能模塊和控制模塊之間依靠總線進行連接控制。并且內(nèi)總線采用并行傳輸總線模式，保證內(nèi)總線具備高數(shù)據(jù)傳輸性能，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和信息的有效控制。外總線主要應用于采集器之間的連接，為保證系統(tǒng)互聯(lián)還采用通用網(wǎng)絡保障系統(tǒng)兼容性。

控制模塊用于外總線和采集器之間的連接，而且接口采用網(wǎng)絡適配器（NIA）和集線器（HUB）以滿足靈活組網(wǎng)需求。

圖1 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 驗證系統(tǒng)

本文在研究中還引入驗證系統(tǒng)，其主要由三個微型采集器構(gòu)成，其中從采集器是微采集器2和3，而主采集器是微采集器1。主采集器設計按照標準進行，且能夠根據(jù)用戶需求和定義在分布系統(tǒng)中進行從采集器和主采集器的切換。基于此，總采集器包括功能卡、內(nèi)部總線和系統(tǒng)控制卡。