基于AS5463協(xié)議的飛行管理仿真系統(tǒng)的設(shè)計

王曉梅

摘 要：為了使IEEE 1394在軍事和飛行器中的安全關(guān)鍵/任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)中應(yīng)用，對IEEE 1394協(xié)議的擴(kuò)展和約束。提出一種基于AS5463協(xié)議的飛行管理系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設(shè)計方法，探討了AS5463協(xié)議在飛管總線中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及可能性。仿真系統(tǒng)硬件通過AS5463協(xié)議通信卡及工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，軟件通過模塊化設(shè)計方法實(shí)現(xiàn)。通信仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送、處理，以及相關(guān)信息的實(shí)時顯示。測試表明，飛行管理系統(tǒng)仿真系統(tǒng)工作正常、性能良好，能實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備之間高速率的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換，具有良好的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：飛行管理； AS5463協(xié)議； AS5463協(xié)議通信卡； 通信仿真系統(tǒng)

中圖分類號：TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0071?03

在飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備中，系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和部件之間存在著大量信息需要傳遞。這些信息要求通信實(shí)時、準(zhǔn)確，同時在機(jī)載設(shè)備中希望飛行管理系統(tǒng)控制起來更加靈活，與其他子系統(tǒng)通信更加合理，所以應(yīng)盡量降低飛行管理系統(tǒng)中電氣連線的復(fù)雜性，那么選用一種合適的總線來承擔(dān)此任務(wù)是至關(guān)重要的。使用AS5643協(xié)議的IEEE 1394總線[1?2]其設(shè)計思想獨(dú)特、性能優(yōu)良并且可靠性極高[3?4]，可以很好完成上述任務(wù)，所以將基于AS5643協(xié)議的IEEE 1394總線應(yīng)用在飛行管理系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)中，可以說是對于航空領(lǐng)域應(yīng)用的一次新的嘗試[5?6]。本文遵循AS5643協(xié)議，傳輸總線采用IEEE 1394總線，仿真機(jī)的通信系統(tǒng)采用工控機(jī)子系統(tǒng)，其整個通信系統(tǒng)拓?fù)洳捎每偩€型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該模型可用于仿真飛機(jī)某些子系統(tǒng)的功能、估算總線性能情況，測試仿真系統(tǒng)的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性，為基于AS5643協(xié)議的IEEE 1394總線在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供案例。

1 仿真系統(tǒng)的功能

基于AS5643協(xié)議的IEEE 1394總線飛行管理仿真系統(tǒng)分為CC（控制計算機(jī)），RN（遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)）和BM（總線監(jiān)控）三個子系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間準(zhǔn)確、實(shí)時的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠根據(jù)用戶需求設(shè)置各種系統(tǒng)通信參數(shù)，諸如發(fā)送方式、通信方式、通信速率、周期、定時等，顯示仿真通信參數(shù)、本機(jī)參數(shù)、定時信息、心跳字信息、系統(tǒng)參數(shù)等，實(shí)時更新展示系統(tǒng)接收的最新數(shù)據(jù)，保存通信數(shù)據(jù)?；贏S5643協(xié)議的IEEE 1394通信總線仿真系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。軟件的主要功能是根據(jù)相應(yīng)工作狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及傳輸。硬件主要包括PCI_1394，PCIE_1394，CPCI_1394，USB_1394通信接口板、仿真計算機(jī)及IEEE 1394總線等，該總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型的基于AS5643協(xié)議的IEEE 1394總線的三余度飛行管理仿真系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 仿真系統(tǒng)的功能

整個仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分是AS5643協(xié)議通信卡，主要由三大部分組成，包括PCI/PCI?E總線接口部分、通信控制部分和IEEE 1394總線接口部分。其電路設(shè)計的原理框圖如圖2所示。其中使用PCI9052作為PCI協(xié)議通信芯片，使用PLX8111作為PCI?E協(xié)議通信芯片，并使用512 MB RAM 來緩存數(shù)據(jù)。

2.1 硬件設(shè)計

AS5643協(xié)議通信卡的特性包括以下幾點(diǎn)：

（1）采用FPGA處理AS5643協(xié)議，設(shè)計更加靈活，通過更改FPGA 邏輯就可以實(shí)現(xiàn)CC/RN/BM節(jié)點(diǎn)功能，而且處理速度更快[7]；

（2）應(yīng)用API操作接口簡潔，上層應(yīng)用只需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)啟動停止，數(shù)據(jù)填充等基本操作；

（3）為提高系統(tǒng)實(shí)時性，AS5643協(xié)議全部通過硬件邏輯實(shí)現(xiàn)；

（4）FPGA在邏輯設(shè)計保留多種通信接口，方便系統(tǒng)設(shè)計與維護(hù)[8]。

FPGA 器件選型時充分考慮AS5643 協(xié)議處理要求，從邏輯規(guī)模、資源等方面綜合評估[9]，選用Xilinx公司高速芯片。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

AS5643協(xié)議通信卡設(shè)計由三部分組成，便于根據(jù)需要進(jìn)行接口變更，包括：PCI/PCIE/USB/CPCI母卡、FPGA子卡和鏈路物理層子卡。CC/RN/BM 上的AS5643協(xié)議功能由FPGA子卡上的邏輯實(shí)現(xiàn)。同時鏈路物理層子卡上的物理層芯片TSB41BA3B和鏈路層芯片TSB12LV32由FPGA子卡操縱，實(shí)現(xiàn)IEEE 1394的物理層特性和鏈路層規(guī)程。而PCI/PCIE/USB/CPCI接口控制、AS5643 協(xié)議、配置表的硬件加載、硬件邏輯自測試和健康監(jiān)控等功能由FPGA實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖2 所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計基于是Windows XP操作系統(tǒng)，采用Visual Studio 2008 開發(fā)，使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法開發(fā)。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)分為5層，如圖3所示。

圖2 IEEE 1394總線通信卡電路設(shè)計原理框圖

五層中，L0層為驅(qū)動，采用DDK進(jìn)行開發(fā)，直接訪問硬件資源和FPGA協(xié)調(diào)工作。L1層為驅(qū)動接口層，提供其他語言的訪問接口。L2層為對L1層采用.NET Framework技術(shù)封裝，主要目的是為方便支持.NET Framework的其他對象訪問驅(qū)動，并提供對TCP/IP的遠(yuǎn)程服務(wù)訪問能力。L3層為采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對CC，RN，BM實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和狀態(tài)變遷的封裝。L4是應(yīng)用表示層用于數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。軟件流程圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 軟件流程圖

3.1 系統(tǒng)主模塊

系統(tǒng)主模塊通過調(diào)用相應(yīng)功能模塊，控制仿真系統(tǒng)初始化，以及整個仿真系統(tǒng)軟件的流程。

3.2 初始化模塊

初始化模塊通過調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行硬件初始化和軟件初始化。將各子系統(tǒng)之間通信所需的發(fā)送方式、通信方式、通信速率、周期、定時等參數(shù)進(jìn)行初始化配置。

3.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊在運(yùn)行過程中，完成實(shí)時編碼要發(fā)送的數(shù)據(jù)和實(shí)時解碼接收到相關(guān)數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)處理的主要功能是根據(jù)接口控制文件（ICD）文件數(shù)據(jù)塊的大小，通過配合發(fā)送、接收模塊，完成對數(shù)據(jù)幀的封裝和解析。ICD文件中的參數(shù)通過編碼組成相對應(yīng)的AS5643協(xié)議的異步流包的形式進(jìn)行傳送。

3.4 控制模塊

控制模塊完成系統(tǒng)狀態(tài)、通信、總線復(fù)位，遠(yuǎn)端根節(jié)點(diǎn)以及顯示的控制，根據(jù)用戶的輸入操作和相關(guān)其他節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)狀態(tài)，確定整個仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與工作方式的控制與切換和相關(guān)數(shù)據(jù)通信控制等操作。

3.5 通信模塊

通信模塊通過訪問通信卡的本地對象、遠(yuǎn)程對象或底層的API函數(shù)，配合數(shù)據(jù)發(fā)送接收等模塊，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。

3.6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K

拓?fù)淠K通過獲取鏈路層的寄存器的自標(biāo)識包，計算出當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。由于IEEE 1394設(shè)備配置不需要主機(jī)干預(yù)，是在本地總線上完成的。每當(dāng)一個新的設(shè)備或節(jié)點(diǎn)被連入或從總線上移除時，整個總線都要復(fù)位并重新配置。在配置中，下面三個步驟必須執(zhí)行：樹標(biāo)識、自標(biāo)識、速度標(biāo)識?？偩€初始化之后，節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行樹標(biāo)識以識別根節(jié)點(diǎn)和所有連接節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹標(biāo)識以后生成一個分層樹結(jié)構(gòu)。樹標(biāo)識結(jié)束后進(jìn)行自標(biāo)識，節(jié)點(diǎn)在這一過程中開始配置。自標(biāo)識主要執(zhí)行以下動作：給每個節(jié)點(diǎn)分配物理ID、 鄰近節(jié)點(diǎn)交換傳輸速度能力、把樹標(biāo)識中定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣播給所有節(jié)點(diǎn)?？偩€配置完成后，擁有最大節(jié)點(diǎn)ID的節(jié)點(diǎn)為根結(jié)點(diǎn)。如果定義了等時包，那么設(shè)置了IRM寄存器的競爭位的根節(jié)點(diǎn)將成為等時資源管理器。離根節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID為0。節(jié)點(diǎn)號隨著離根節(jié)點(diǎn)的距離而遞減[2?3]。因此，對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生成，必須根據(jù)自標(biāo)識包的信息進(jìn)行計算，才能得到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.7 傳輸層協(xié)議

由于AS5643 協(xié)議只規(guī)定物理層和鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定傳輸層通信協(xié)議，而數(shù)據(jù)的通信必須按照傳輸層協(xié)議來封裝幀、解析幀。考慮到AFDX網(wǎng)絡(luò)中的軟件都支持UDP通信，為便于將AFDX上的軟件移植到AS5643上來，為此，為本文提供了UDP協(xié)議棧，便于應(yīng)用系統(tǒng)的移植。

4 結(jié) 語

IEEE 1394總線傳輸速度快、傳輸距離長、驅(qū)動能力強(qiáng)，系統(tǒng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、確定的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。安裝簡單，易于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)性好[10]。該仿真系統(tǒng)已測試使用。測試結(jié)果表明，該飛行管理仿真系統(tǒng)通信卡工作良好，系統(tǒng)工作正常，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)之間的通信，人機(jī)界面友好，為飛管綜合控制系統(tǒng)不斷發(fā)展做好技術(shù)和物質(zhì)準(zhǔn)備。

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