綜合航電數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

王海斌，錢 偉

（中國民航飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，廣漢 618307）

隨著通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新置通用飛機(jī)已全部安裝綜合航電系統(tǒng)。綜合航電系統(tǒng)功能先進(jìn)、操作便捷，但整個系統(tǒng)運行依賴于高速數(shù)據(jù)傳輸模式，若數(shù)據(jù)傳輸通道出現(xiàn)異常，將會嚴(yán)重影響飛機(jī)安全飛行[1-3]。為確保航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，對傳輸通道進(jìn)行定期檢測顯得十分重要[4]。如何在地面構(gòu)建一個數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸高效地檢測成為本文研究的重點。便捷高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)通道檢測不但能夠確保系統(tǒng)安全運行，還能提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在故障，并且能夠通過檢測平臺確認(rèn)故障子部件，為技術(shù)人員維修排故提供重要的依據(jù)[5]。

本文針對某型綜合航電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺開發(fā)，該型綜合航電系統(tǒng)為目前通航應(yīng)用最為廣泛的型號，其數(shù)據(jù)傳輸采用高速以太總線完成[6-7]。本文在搭建相關(guān)硬件平臺的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了嵌入式開發(fā)技術(shù)，并在Android系統(tǒng)下開發(fā)了相關(guān)驅(qū)動及應(yīng)用程序。下面結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的研制過程，詳細(xì)闡述其系統(tǒng)組成構(gòu)架、軟硬件關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合航電系統(tǒng)主要由顯示組件、核心組件、航姿組件、音頻組件、大氣參數(shù)組件、發(fā)動機(jī)參數(shù)組件和應(yīng)答機(jī)組件7個部分組成[8-9]。其中，核心組件是交聯(lián)綜合航電系統(tǒng)的樞紐，各組件的傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過核心組件統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為高速以太數(shù)據(jù)格式，傳輸給顯示組件。系統(tǒng)控制指令也是通過該高速以太數(shù)據(jù)經(jīng)核心組件，傳輸給各功能組件[10]。因此，實現(xiàn)對高速以太數(shù)據(jù)的監(jiān)控和測試成為本監(jiān)控平臺研究的重點。數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺作為一個節(jié)點嵌入到綜合航電系統(tǒng)中，處于實時接收和數(shù)據(jù)處理的位置，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控平臺與航電系統(tǒng)連接圖Fig.1 Connection of monitoring platform and avionics system

2 監(jiān)控平臺硬件組成

監(jiān)控平臺硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、存儲模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊利用以太總線與航電系統(tǒng)實現(xiàn)連接，該模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收。平臺通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行算法處理，并通過用戶界面實現(xiàn)系統(tǒng)控制，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of system

數(shù)據(jù)處理模塊中CPU處理器采用TI AM3358BZ，其主頻可支持1 GHz，可輕松實現(xiàn)對以太總線數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理[11]。在總線傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議方面采用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，與航電系統(tǒng)以太協(xié)議保持一致。數(shù)據(jù)采集模塊以太網(wǎng)收發(fā)器采用RTL8211E網(wǎng)絡(luò)芯片，該芯片由瑞昱最新推出，并支持1000Base-T。電源管理芯片采用TPS65910，該芯片是TI推出的針對CPU供電的電源管理IC，內(nèi)部集成了3個降壓、1個升壓以及8個差分電壓，滿足了平臺所有特定的電源需求。顯示模塊采用三菱GT1275-VB 10.4寸觸摸屏，功耗較低且操作便捷。平臺的采集數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果可自動存至外部存儲模塊，該模塊由SD卡存儲模式實現(xiàn)。

3 監(jiān)控平臺軟件開發(fā)

3.1 監(jiān)控平臺Android系統(tǒng)架構(gòu)

Android是Google開發(fā)的基于Linux開源手機(jī)平臺，它包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶界面。雖然Android最初作為手機(jī)軟件平臺的操作系統(tǒng)，但其本質(zhì)是一款非常優(yōu)秀的嵌入式開發(fā)平臺[12]?？紤]到Android比傳統(tǒng)Linux系統(tǒng)更加強(qiáng)大，在設(shè)計開發(fā)航電系統(tǒng)監(jiān)控平臺時采用Android4.0作為操作系統(tǒng)。

但由于Android的系統(tǒng)構(gòu)架在很大程度上為實現(xiàn)手機(jī)功能進(jìn)行設(shè)計，因此，在針對監(jiān)控平臺開發(fā)時，就必須對Android系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行一系列修改。將通話、通訊錄以及短信等模塊刪除，僅留下平臺所需的Android核心模塊，主要包括Package Manager、System Service、Hardware Service 和 System Server等。經(jīng)過定制和修改后的Android系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 Android平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture of Android

監(jiān)控平臺軟件系統(tǒng)共分4層：最底層為Linux核心及驅(qū)動層，該層封裝了相關(guān)硬件設(shè)備，為上層提供了統(tǒng)一接口，可移植性極強(qiáng)；第二層為系統(tǒng)運行庫層，提供系統(tǒng)函數(shù)庫組件；第三層為應(yīng)用程序框架層，包含所有開發(fā)所用各類庫；頂層為應(yīng)用程序?qū)?，包括系統(tǒng)應(yīng)用程序模塊的開發(fā)。

3.2 監(jiān)控平臺驅(qū)動開發(fā)

Android系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)基于Linux內(nèi)核基礎(chǔ)，使用Java開發(fā)，所以應(yīng)用程序在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動時并不能直接調(diào)用，必須通過Java虛擬機(jī)的本地調(diào)用方法JNI實現(xiàn)。另一方面，為增強(qiáng)驅(qū)動程序可移植性，在Android架構(gòu)添加一個硬件抽象層HAL，從而為硬件設(shè)備的調(diào)用提供一個高級封裝[13]。

監(jiān)控平臺功能運行最終通過應(yīng)用程序來實現(xiàn)，在應(yīng)用層中系統(tǒng)控制程序調(diào)用平臺控制服務(wù)。平臺控制服務(wù)通過JNI方法使虛擬機(jī)加載本地庫，然后向HAL層獲取共享庫文件（*.so），由共享庫文件調(diào)用在Linux內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動。圖4所示為監(jiān)控平臺Android驅(qū)動程序架構(gòu)設(shè)計。從驅(qū)動程序架構(gòu)來分，整個驅(qū)動程序設(shè)計可分為底層驅(qū)動設(shè)計、硬件抽象層HAL設(shè)計、本地調(diào)用層JNI設(shè)計、平臺控制服務(wù)層設(shè)計4個層次。

圖4 Android驅(qū)動程序架構(gòu)Fig.4 Structure of Android application program

3.2.1 底層驅(qū)動設(shè)計

驅(qū)動程序的最終目的是為使上層應(yīng)用程序能夠使用這些硬件提供的服務(wù)來為用戶提供軟件功能。其處理過程是，驅(qū)動程序?qū)⒂布O(shè)備抽象成文件，應(yīng)用程序?qū)@些文件進(jìn)行處理[14]。

對于Linux標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序可直接使用，只需針對具體設(shè)備參數(shù)修改相應(yīng)內(nèi)核驅(qū)動程序，然后再進(jìn)行配置及編譯，并增加應(yīng)用層JNI接口。此類驅(qū)動包括以太總線驅(qū)動、顯示驅(qū)動、音頻驅(qū)動以及存儲驅(qū)動。

本文以以太總線驅(qū)動為例進(jìn)行說明，在Linux內(nèi)核中已具備基本網(wǎng)卡驅(qū)動，但針對平臺采用的DM9000E網(wǎng)卡芯片需要進(jìn)行一定的修改。

步驟1需在頭文件加入#include，再添加如下驅(qū)動描述：

步驟2對相應(yīng)的MAC地址進(jìn)行修改：

步驟3配置并編譯內(nèi)核

利用配置菜單對DM9000E網(wǎng)卡進(jìn)行配置，主要在 Networking support和Device Drivers兩項進(jìn)行配置，具體實現(xiàn)如下：

菜單配置完畢，保存并編譯出鏡像，按此方式依次完成平臺所需其余驅(qū)動模塊的開發(fā)。將修改后內(nèi)核驅(qū)動進(jìn)行重新編譯生成zImage.bin文件，移植到嵌入式系統(tǒng)并運行，以便軟件系統(tǒng)上層進(jìn)行調(diào)用開發(fā)。

3.2.2 硬件抽象層HAL設(shè)計

硬件抽象層是通過HAL Stub方法實現(xiàn)，HAL Stub是一種代理方法，Stub以共享庫（*.so）格式存在。HAL Stub方法訪問底層驅(qū)動是一種間接調(diào)用方式，Stub向硬件抽象層提供操作的回調(diào)函數(shù)。

JNI層訪問HAL層時，通過函數(shù)hw_get_module（）獲取設(shè)備模塊 ID，并向HAL層申請設(shè)備 Stub，JNI層獲得Stub對象后，即可把Stub作為一個抽象硬件進(jìn)行操作。圖5所示為平臺硬件抽象層HAL實現(xiàn)過程。

圖5 平臺硬件抽象層HAL實現(xiàn)過程Fig.5 Implementation process of HAL

下面程序為以太總線Stub的HAL結(jié)構(gòu)體：

將結(jié)構(gòu)體ethernet_module_t初始化，該結(jié)構(gòu)體包含了Stub的模塊信息，主要包括：

Id：Stub的模塊ID，通過id查找相關(guān)設(shè)備；

methods：定義回調(diào)函數(shù) open（），負(fù)責(zé)申請結(jié)構(gòu)體ethernet_control_device_t的空間，注冊回調(diào)函數(shù)接口，并打開相關(guān)設(shè)備驅(qū)動。

3.2.3 本地調(diào)用層JNI設(shè)計

硬件抽象層編譯后生成“*.so”文件，保存在文件系統(tǒng) “/sysem/lib/”目錄下。平臺控制服務(wù)層運行后，由JNI虛擬機(jī)裝載本地庫函數(shù)，具體實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 平臺本地調(diào)用層JNI實現(xiàn)過程Fig.6 Implementation process of JNI

平臺控制服務(wù)層通過調(diào)用System.load（）函數(shù)，使得JNI虛擬機(jī)加載本地庫函數(shù)，這一過程是虛擬機(jī)通過調(diào)用JNI_OnLoad（）函數(shù)來實現(xiàn)：

（1）把虛擬機(jī)信息保存到硬件抽象層結(jié)構(gòu)體中；

（2）建立平臺控制服務(wù)層與硬件抽象層JNI函數(shù)表；

（3）返回虛擬機(jī)、硬件抽象層使用的JNI信息。

加載完后，平臺控制服務(wù)層就可以通過JNI函數(shù)表把Java函數(shù)轉(zhuǎn)換為本地函數(shù)執(zhí)行。

在本地調(diào)用層中定義JNI函數(shù)方式代碼段如下：

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計

監(jiān)控平臺應(yīng)用程序設(shè)計方面考慮模塊化設(shè)計，主要分為界面模塊、測試模塊、故障診斷模塊、存儲模塊和告警模塊，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用程序架構(gòu)Fig.7 Structure of application program

界面模塊采用Activity方式實現(xiàn)，由主界面、模塊選擇、用戶設(shè)置和幫助組成。模塊選擇用于選擇測試部件、測試模式以及告警事件的顯示和查詢等。用戶設(shè)置用于密碼管理、語言切換、時區(qū)和時間的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)地址的設(shè)置。幫助模塊用于為使用者提供在線幫助。

測試模塊采用Service方式實現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)接收和處理模塊，用于數(shù)據(jù)的采集和處理。數(shù)據(jù)接收實現(xiàn)監(jiān)控平臺與被測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)處理模塊針對采集的以太數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列算法處理，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)比對，最終實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

故障診斷模塊通過操作數(shù)據(jù)實現(xiàn)，是在對測試數(shù)據(jù)分析、評估基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。針對數(shù)據(jù)異常情況進(jìn)行處理，將故障進(jìn)行定位，最終為用戶提供排故指導(dǎo)策略。

告警模塊利用Broadcast Receiver方式實現(xiàn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信異常的告警事件，同時調(diào)用告警顯示界面顯示對應(yīng)的信息。

存儲模塊利用SQLite方式實現(xiàn)，將測試過程和測試結(jié)果進(jìn)行存儲，方便用戶進(jìn)行查看、調(diào)用及打印輸出。

4 結(jié)語

基于Android系統(tǒng)的航電數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺作為綜合航電系統(tǒng)上的一個關(guān)鍵節(jié)點，通過以太總線與系統(tǒng)進(jìn)行通信，對航電系統(tǒng)的航姿、大氣數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)參數(shù)等組件進(jìn)行地面在線監(jiān)測。最終實現(xiàn)了對綜合航電系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)測試，以及對各飛行參數(shù)組件的功能測試。經(jīng)實測，監(jiān)控平臺以10 Mb/s的通信速率運行，且保持測試狀態(tài)穩(wěn)定。目前，該項目已通過民航局地面測試項目認(rèn)證，已應(yīng)用于綜合航電系統(tǒng)定檢達(dá)20余套，故障系統(tǒng)檢測2套，取得了良好的應(yīng)用效果。

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