基于反射內存網(wǎng)的通用航電仿真平臺設計

白 曦，張 鵬

(中國航空工業(yè)西安航空計算技術研究所第8研究室，陜西西安 710119)

傳統(tǒng)的航電仿真平臺存在以下問題:(1)專用性。特定的仿真計算機需搭載特定的模擬器，兩者需要一一對應;仿真器的專用性，需針對不同的物理系統(tǒng)開發(fā)仿真系統(tǒng)，費時費力，容易造成資源的浪費，同時不利于仿真系統(tǒng)的擴展和維護。(2)仿真實時性差。為保證實時性，仿真平臺增加了系統(tǒng)設計和實現(xiàn)的復雜度，不利于系統(tǒng)的擴展與維護［1-2］。

文中基于實時反射內存網(wǎng)技術，完成通用航電系統(tǒng)仿真平臺的設計，解決了航電系統(tǒng)仿真平臺專用性限制和仿真實時性差的問題。

1 反射內存網(wǎng)技術簡介

通常在搭建仿真平臺時，采用以太網(wǎng)技術。但由于以太網(wǎng)技術無法確保通信的確定性和實時性，因此不能直接用于實時仿真系統(tǒng)，需依靠軟件手段提供一定的服務保證機制以確保通信的實時性，這便增加了仿真系統(tǒng)設計和實現(xiàn)的復雜度。

反射內存網(wǎng)(RFM網(wǎng)絡)是一種新的網(wǎng)絡通信技術，支持環(huán)形/星形拓撲，通過硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速復制，為多機系統(tǒng)建立分布式共享內存結構提供支持。其優(yōu)點是高速、實時、確定性、高吞吐量和低誤碼率，實時數(shù)據(jù)傳輸時延≤700 ns，上述特點適用于實時系統(tǒng)的構建和仿真。

2 通用航電系統(tǒng)仿真平臺分析與設計

2.1 系統(tǒng)分析

通用航電系統(tǒng)仿真平臺［3］應提供以下基本功能和性能要求:(1)應為任務系統(tǒng)軟件的調試提供平臺，提供模擬量信號、離散量信號和模擬視頻等信號。(2)應支持半實物仿真，將航電設備連接在仿真系統(tǒng)中，使仿真更接近真實情況，提高系統(tǒng)仿真的逼真度和仿真試驗結果的置信度。(3)應支持全數(shù)字仿真，采用數(shù)學、語言描述系統(tǒng)，并編寫程序在計算機上對實物進行研究。(4)軟件應采用模塊化開放式軟件架構，實現(xiàn)對各仿真模塊的功能封裝，將仿真軟件劃分為一系列相對獨立的軟件。(5)軟件應具有實時多任務處理功能，對仿真模型進行周期調度，周期長度可動態(tài)設置，缺省情況下必須滿足RS422總線刷新周期。(6)軟件部署具有適應性和可伸縮性，航電系統(tǒng)的多個組成軟件可視需要部署在不同的仿真計算機上，并可隨意增減工作站，靈活調整系統(tǒng)規(guī)模。

基于上述需求，文中將通用航電系統(tǒng)仿真平臺劃分為實物子系統(tǒng)、接口子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)，如圖1所示。其中實物子系統(tǒng)是由航電設備構成的物理子系統(tǒng)，用于半實物仿真。接口子系統(tǒng)是一個特殊的接口轉換單元，用于連接實物和仿真子系統(tǒng)，實現(xiàn)物理接口的連接和不同接口協(xié)議間的轉換，并用于半實物仿真。仿真子系統(tǒng)由普通的工控機/PC機組成，是仿真進行的基礎運行環(huán)境，支持仿真模型的運行和管理，同時用于半實物和全數(shù)字仿真。

圖1 航電仿真系統(tǒng)組成示意

其中，實物子系統(tǒng)不是必須部分，在整個航電系統(tǒng)開發(fā)的生命周期內，可根據(jù)需要進行添加或刪除，接口子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)是通用仿真航電系統(tǒng)的基礎部分，每個具備地面全數(shù)字仿真和地面半實物仿真能力的平臺必須擁有。

2.2 系統(tǒng)設計

通用航電系統(tǒng)仿真平臺系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 通用航電系統(tǒng)仿真平臺系統(tǒng)

通用航電系統(tǒng)仿真平臺由實物子系統(tǒng)和仿真平臺內核組成［4］。實物子系統(tǒng)包括:任務子系統(tǒng)、電子戰(zhàn)子系統(tǒng)、通信導航子系統(tǒng)及顯卡子系統(tǒng)等，實物子系統(tǒng)可根據(jù)半數(shù)字仿真需要選用;仿真平臺內核由接口子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)組成，仿真平臺內核采用分布式仿真架構，包括硬件基礎平臺和仿真系統(tǒng)軟件兩部分，如圖3所示。

圖3 仿真平臺內核仿真系統(tǒng)軟件架構

硬件基礎平臺由裝配有反射內存卡的標準工控機陣列組成，互連網(wǎng)絡為反射內存網(wǎng)，網(wǎng)絡拓撲結構為星形或環(huán)形網(wǎng)絡。工控機陣列通過反射內存卡組網(wǎng)構成多機分布式共享內存結構。仿真子系統(tǒng)與接口子系統(tǒng)間通過標準RS-422串行通信總線互連。工控機用于模型仿真和數(shù)據(jù)轉換。接口切換單元是一個嵌入式計算機模塊，其IO接口模塊硬件架構采用開放體系結構，接口支持PCIE標準接口，支持插入常見的AFDX、FC、1394等航電系統(tǒng)通信接口，該架構具備較強的擴展能力。

仿真系統(tǒng)軟件包括:仿真基礎環(huán)境、仿真模型庫管理組件、仿真前配置組件、仿真運行期間管理組件和仿真后期統(tǒng)計分析組件、接口監(jiān)控機組件和接口切換單元軟件。

仿真基礎環(huán)境是一個基于QT開源UI框架的仿真集成開發(fā)環(huán)境，用于集成其他功能組件。仿真庫管理組件支持對仿真模型進行增刪和查改操作，其目前支持的航電系統(tǒng)仿真模型如表1所示。

表1 航電系統(tǒng)仿真模型

仿真前配置組件用于配置、生成仿真藍圖，該藍圖用于指導仿真的進行并作為仿真期間運行管理組件的輸入。仿真藍圖以XML文件存在，其配置參數(shù)包括:(1)仿真構型參數(shù)，配置參與仿真實驗的各系統(tǒng)為仿真系統(tǒng)或真實系統(tǒng)。(2)參數(shù)初始值設置，包括物理環(huán)境參數(shù)、飛機飛行參數(shù)和戰(zhàn)術環(huán)境參數(shù)。(3)監(jiān)控參數(shù)選擇，如圖4所示。

圖4 仿真藍圖結構

仿真運行期間管理組件以仿真藍圖為輸入，啟動運行仿真模型，對仿真過程進行監(jiān)控和調度，完成預定的數(shù)據(jù)采集任務，并實現(xiàn)串口-反射網(wǎng)通信協(xié)議轉換和在線參數(shù)更改功能?；玖鞒虨?(1)從指定配置文件載入任務配置數(shù)據(jù)。(2)根據(jù)任務配置數(shù)據(jù)，初始化物理環(huán)境參數(shù)、戰(zhàn)術環(huán)境參數(shù)和飛機飛行參數(shù)，完成這些參數(shù)的設置和初始化界面顯示。(3)根據(jù)任務配置數(shù)據(jù)，設置物理環(huán)境參數(shù)、戰(zhàn)術環(huán)境參數(shù)和飛機飛行參數(shù)的初始值。(4)按照仿真構型設置，向綜合接口裝置發(fā)送指令，設置系統(tǒng)仿真構型。(5)按照仿真構型設置，設置和顯示對應的航電系統(tǒng)仿真監(jiān)控界面和參數(shù)修改界面。(6)按照仿真構型設置，加載對應的航電系統(tǒng)仿真模型。(7)啟動加載的各系統(tǒng)模型，開始仿真試驗。

仿真后期統(tǒng)計分析組件，支持對數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計操作和仿真過程的重演。

接口監(jiān)控機組件用于生成接口映射配置數(shù)據(jù)、向接口切換單元燒寫配置數(shù)據(jù)、監(jiān)控并實時采集通信數(shù)據(jù)。接口映射配置數(shù)據(jù)用于建立仿真子系統(tǒng)串口與實物子系統(tǒng)接口間的映射關系。采用配置數(shù)據(jù)接口映射可實現(xiàn)仿真子系統(tǒng)和實物子系統(tǒng)間的解耦，提高系統(tǒng)仿真的靈活性。表2是一種仿真構型的接口-串口映射關系示例。

表2 實物子系統(tǒng)接口與串口映射關系示例

接口切換單元軟件包括:接口映射配置數(shù)據(jù)、協(xié)議轉換軟件和監(jiān)控軟件，均固化在接口切換單元上，固化工具為接口監(jiān)控機組件附帶的燒寫工具。接口切換單元在通電后，首先讀取接口映射配置數(shù)據(jù)，完成協(xié)議轉換軟件的初始化。然后進入就緒狀態(tài)，當有消息到達時，協(xié)議轉換軟件將立即啟動，完成對消息的校驗、緩沖、轉換和轉發(fā)功能。

在仿真階段，仿真計算機上駐留著一個或多個航電設備仿真模型，每個航電設備模型對應一個仿真設備。仿真模型通過對特定設備輸入輸出和行為的模擬實現(xiàn)對物理設備的仿真。在仿真進行階段，仿真模型通過工控機將數(shù)據(jù)寫入到本地反射內存，反射內存硬件通信協(xié)議進行實時廣播，其他工控機節(jié)點的反射內存卡數(shù)據(jù)將實時更新。此外，每臺工控機上有仿真運行環(huán)境軟件，負責仿真模型管理、仿真管理和仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

3 仿真系統(tǒng)原型系統(tǒng)測試

基于文中的設計思想，設計并實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)原型，搭建了測試環(huán)境對其功能性能進行了驗證。測試環(huán)境包括:(1)硬件環(huán)境:1臺航電系統(tǒng)任務計算機和1臺顯控計算機(用于仿真實物子系統(tǒng))+3臺PC機(其中2臺用于仿真子系統(tǒng)運行，1臺用于接口子系統(tǒng)運行)+1臺接口切換單元設備。(2)軟件環(huán)境:WindowsXP操作系統(tǒng)+仿真系統(tǒng)軟件內核軟件。(3)網(wǎng)絡環(huán)境:反射內存網(wǎng)+422串口網(wǎng)絡。(4)測試軟件部署，如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)軟件測試環(huán)境示意

通過搭建半實物仿真環(huán)境，觀察仿真運行期間管理組件的參數(shù)監(jiān)控界面輸出、接口監(jiān)控組件的參數(shù)監(jiān)控界面輸出以及顯控計算機的操作指令，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)刷新和顯控指令基本一致，表明系統(tǒng)的功能正確，該設計方案合理。圖6、圖7是參數(shù)監(jiān)控界面輸出截圖。

圖6 飛控模型參數(shù)監(jiān)控輸出快照

圖7 接口監(jiān)控組件參數(shù)監(jiān)控輸出快照

4 結束語

文中首先對航電系統(tǒng)仿真平臺進行抽象，將其劃分為實物子系統(tǒng)、接口轉換子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)，然后逐步細化完成了接口轉換子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)的設計，最終通過搭建原型系統(tǒng)測試驗證了該設計方案的可行性。下一步將從豐富模型庫中的模型、系統(tǒng)性能優(yōu)化和工程化3方面對系統(tǒng)的功能和性能進行完善?；谠摲桨傅暮诫娤到y(tǒng)仿真平臺可應用于，新一代航電系統(tǒng)的前期技術方案論證與評估，并且支持并行研制航電子系統(tǒng)/設備，可縮短航電系統(tǒng)研制時間。

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