飛行試驗(yàn)測試采集的AFDX總線檢測分析技術(shù)研究

彭國金，劉婷，張　娟

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安　710089)

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飛行試驗(yàn)測試采集的AFDX總線檢測分析技術(shù)研究

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安710089)

摘要：在航空產(chǎn)品的航電系統(tǒng)跨代升級中，AFDX總線數(shù)據(jù)的檢測分析是飛行試驗(yàn)對航空產(chǎn)品航電系統(tǒng)進(jìn)行科研鑒定的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，針對復(fù)雜航空電子環(huán)境下的采集記錄的AFDX總線數(shù)據(jù)的多類、隨機(jī)性等特點(diǎn)，提出了AFDX總線消息識別、幀檢測、丟包檢測分析方法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并結(jié)合采用了AFDX總線周期檢測分析算法，設(shè)計(jì)了AFDX總線的檢測分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛行試驗(yàn)AFDX總線的檢測分析，最后在某試驗(yàn)機(jī)AFDX總線飛行試驗(yàn)測試中進(jìn)行了應(yīng)用，試驗(yàn)表明該AFDX總線檢測分析技術(shù)滿足飛行試驗(yàn)對航電系統(tǒng)進(jìn)行科研鑒定的需求。

關(guān)鍵詞：檢測分析；航電系統(tǒng); AFDX總線; 測試采集

0引言

隨著現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷增加，1553B等20世紀(jì)90年代成熟的航空總線技術(shù),已經(jīng)不能適應(yīng)航空電子設(shè)備及子系統(tǒng)之間的通信需求，新型軍用高速總線AFDX(Avioics Full Duplex Switched Ethernet)[1-2]的實(shí)時(shí)性和可靠性以及高帶寬，都特別適合當(dāng)代航空電子子系統(tǒng)的需求，并且在空客A380上得到了成功應(yīng)用。隨著航空環(huán)境下AFDX總線技術(shù)逐漸成熟并進(jìn)行工程運(yùn)用，在飛行試驗(yàn)[1]工程領(lǐng)域，對飛行試驗(yàn)AFDX總線數(shù)據(jù)分析技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)飛行試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。

在飛行試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)機(jī)載總線測試系統(tǒng)采集記錄航電系統(tǒng)AFDX總線，試飛工程師對該記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析的結(jié)果數(shù)據(jù)作為對該試驗(yàn)機(jī)航電系統(tǒng)進(jìn)行科研鑒定的重要依據(jù)。

在傳統(tǒng)的飛行試驗(yàn)航電總線[3]處理中，因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)航電系統(tǒng)環(huán)境單一，同樣的試驗(yàn)采集記錄環(huán)境也是單一的，不會(huì)有復(fù)雜的測試環(huán)境，記錄下試驗(yàn)文件只包含總線數(shù)據(jù)，總線沒有專門的檢測分析這一需求。但是在AFDX總線測試采集過程中，因AFDX總線的網(wǎng)絡(luò)特性，具有復(fù)雜的測試環(huán)境、可能的幀不完整以及丟包的特點(diǎn)，故在AFDX總線數(shù)據(jù)處理中，對測試系統(tǒng)采集的AFDX總線進(jìn)行檢測分析包括對采集的AFDX總線數(shù)據(jù)的完整幀檢測、對AFDX總線消息識別分析及丟包檢測分析，是飛行試驗(yàn)鑒定飛機(jī)航電系統(tǒng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，所以AFDX總線的檢測分析就成為航電系統(tǒng)AFDX總線數(shù)據(jù)分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而在復(fù)雜航空環(huán)境下，傳統(tǒng)的航電總線數(shù)據(jù)分析技術(shù)已不適用新形勢下對AFDX總線進(jìn)行檢測分析。

1飛行試驗(yàn)總線檢測分析

從某一方面來說飛行試驗(yàn)是對試驗(yàn)機(jī)整機(jī)性能到各個(gè)子系統(tǒng)的一個(gè)鑒定過程，隨著新型航空總線AFDX應(yīng)用于航空產(chǎn)品中，試驗(yàn)機(jī)航電系統(tǒng)隨之也進(jìn)行了跨代升級，傳統(tǒng)的航電總線1553B技術(shù)被逐漸取代。試驗(yàn)機(jī)新的總線技術(shù)構(gòu)架[4]需要被飛行試驗(yàn)進(jìn)行科研鑒定，以確保其可靠、穩(wěn)定，且性能等各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，飛行試驗(yàn)總線檢測分析作為一項(xiàng)重要的技術(shù)鑒定手段，直接給試飛工程師提高數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.1飛行試驗(yàn)傳統(tǒng)航電總線檢測分析

圖3　AFDX總線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在以1553B傳統(tǒng)航電總線為代表的航空產(chǎn)品總線技術(shù)構(gòu)架中，1553B航電總線具有確定性，是一種飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線，整個(gè)系統(tǒng)由總線控制器(BC)和最多31個(gè)遠(yuǎn)程終端組成，總線上的所有通信都有BC發(fā)起，傳輸線采用雙余度，同一時(shí)刻只有一條總線進(jìn)行工作。

對飛行試驗(yàn)航電總線測試系統(tǒng)來說，采集記錄的1553B航電總線數(shù)據(jù)文件是由單一的總線數(shù)據(jù)組成，是符合航電系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)的1553B消息幀數(shù)據(jù)，且沒有別的類型的數(shù)據(jù)被采集記錄，其測試環(huán)境單一，測試數(shù)據(jù)規(guī)范，試驗(yàn)機(jī)機(jī)載總線測試系統(tǒng)記錄的1553B總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)1553B總線數(shù)據(jù)測試記錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

飛行試驗(yàn)1553B總線數(shù)據(jù)處理軟件按通用試飛數(shù)據(jù)處理模式對記錄的總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以為試驗(yàn)機(jī)1553B航電系統(tǒng)進(jìn)行科研鑒定提供數(shù)據(jù)，故不需要專門針對1553B總線進(jìn)行檢測分析。

1.2新形勢下AFDX總線檢測分析

和傳統(tǒng)的1553B航電總線截然不同，航空電子全雙工通信以太網(wǎng)交換AFDX是一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)定義的電子和協(xié)議規(guī)范(IEEE802.3和ARINC 664 Part7),應(yīng)用于航空產(chǎn)品航電子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)允許其他總線標(biāo)準(zhǔn)(ARINC429、1553B)映射到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通訊。AFDX總線具有的開放性及網(wǎng)絡(luò)特性給飛行試驗(yàn)航電總線測試帶來了新的挑戰(zhàn)，在采用AFDX總線技術(shù)構(gòu)架后，對采用了新技術(shù)后的試驗(yàn)機(jī)航電系統(tǒng)進(jìn)行科研鑒定是飛行試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

應(yīng)用了AFDX總線技術(shù)后的航電系統(tǒng)，飛行試驗(yàn)測試環(huán)境有傳統(tǒng)的單一測試環(huán)境變得更為復(fù)雜，在飛行試驗(yàn)總線測試系統(tǒng)中，AFDX總線消息幀被測試系統(tǒng)采集到之后，會(huì)被打上以太網(wǎng)UDP包頭，然后再發(fā)送給通用記錄器進(jìn)行記錄，所以在飛行試驗(yàn)中測試系統(tǒng)采集記錄的AFDX總線消息幀格式如圖2所示。

圖2　飛行試驗(yàn)AFDX總線測試記錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

飛行試驗(yàn)中，采用了通用飛行試驗(yàn)采集器的總線測試系統(tǒng)，還會(huì)采集記錄以太網(wǎng)底層的系統(tǒng)通訊、系統(tǒng)事件等消息包，和AFDX總線一起被記錄到試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)文件中。針對AFDX航電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性及復(fù)雜的航空環(huán)境，對飛行試驗(yàn)測試采集的AFDX總線數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析，通過分析采集的總線數(shù)據(jù)，對AFDX航電系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)及可靠性進(jìn)行鑒定。

2AFDX數(shù)據(jù)檢測分析

2.1飛行試驗(yàn)AFDX總線

AFDX總線是一種基于以太網(wǎng)的全雙工交換式航空數(shù)據(jù)總線，消息在傳輸過程中以以太網(wǎng)幀的形式封裝在以太網(wǎng)幀內(nèi)，AFDX幀長度與以太網(wǎng)幀長度相同，最小為64字節(jié)，最大長度為1 518個(gè)字節(jié)，它是一種特殊的以太網(wǎng)幀，其總線系統(tǒng)組成如圖3所示。

同時(shí)，通用總線測試系統(tǒng)的采集模塊還會(huì)將航電系統(tǒng)的底層通訊等消息采集記錄下來，一并發(fā)送給記錄設(shè)備，這就給AFDX總線檢測分析增加了難度，這也是我們檢測分析的一個(gè)難點(diǎn)。

對飛行試驗(yàn)來說，需要知道采集記錄了哪些AFDX總線消息幀，以和試驗(yàn)機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總線消息幀進(jìn)行比對鑒定，同時(shí)對采集的AFDX總線消息幀進(jìn)行完整性和丟包檢測分析，以鑒定試驗(yàn)機(jī)航電系統(tǒng)總線性能的可靠性。

2.2AFDX總線檢測分析

由于AFDX總線飛行試驗(yàn)的測試環(huán)境及總線本身具有的網(wǎng)絡(luò)特性，需對AFDX總線進(jìn)行檢測分析。AFDX總線檢測分析主要包括：AFDX消息幀識別、AFDX完整幀檢測、AFDX幀丟包檢測。

AFDX消息幀識別分析是AFDX總線數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，因飛行試驗(yàn)采集記錄的AFDX總線數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制存儲(chǔ)的，同時(shí)記錄的不僅僅只有AFDX總線數(shù)據(jù)，還有隨機(jī)的其他底層通信消息，所以要對飛行試驗(yàn)采集記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行AFDX消息幀識別。

AFDX完整幀檢測分析是對AFDX總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的必要步驟，對識別后的AFDX消息幀進(jìn)行完整性分析，以確定采集記錄的AFDX總線消息幀的完整性。

AFDX幀丟包檢測分析是對試驗(yàn)機(jī)航電系統(tǒng)以及飛行試驗(yàn)測試系統(tǒng)部署的一項(xiàng)重要的鑒定技術(shù)手段，對航電子系統(tǒng)之間通信的消息經(jīng)過核心交換機(jī)之后是否存在丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定航電系統(tǒng)之間通信的可靠性。

2.3AFDX總線檢測分析過程

AFDX總線檢測分析的過程一般包含：

1)讀取飛行試驗(yàn)測試記錄的AFDX總線數(shù)據(jù)；

2)按照記錄的協(xié)議開始進(jìn)行AFDX總線的解析分析；

3)分析并找到完整的UPD數(shù)據(jù)包；

4)對完整的UPD數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；

5)按照AFDX協(xié)議進(jìn)行AFDX總線的識別分析，確定記錄的AFDX消息幀；

6)分析并找到AFDX消息幀；

7)對AFDX消息幀進(jìn)行完整性分析；

8)對完整的AFDX消息幀進(jìn)行丟包分析檢測；

9)循環(huán)這一過程，直到檢測分析完成。

3AFDX數(shù)據(jù)檢測的關(guān)鍵技術(shù)

3.1AFDX總線消息識別分析技術(shù)

因?yàn)轱w行試驗(yàn)我們最后分析的AFDX總線飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)就是一個(gè)包含了多種數(shù)據(jù)的原始文件。在對飛行試驗(yàn)海量AFDX總線數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析時(shí)，需進(jìn)行關(guān)鍵字段地判斷。

按照AFDX標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定，AFDX幀的MAC源地址必須是MAC 單播地址，以用來確認(rèn)物理層以太網(wǎng)接口。MAC的源地址是唯一的，并且是符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的本地管理地址，其地址結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　飛行試驗(yàn)AFDX的MAC源地址格式

這樣在我們分析海量復(fù)雜原始AFDX總線數(shù)據(jù)時(shí)，對AFDX總線消息進(jìn)行識別分析：

1)按照以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，找到一個(gè)完整的UDP數(shù)據(jù)包；

2)我們判斷在記錄包頭MAC的源地址中的Constant field 是否為 “0000 0010 0000 0000 0000 0000”；

3)如果不是則表示不是我們需要的AFDX幀，接著分析下一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包；

4)如果是則繼續(xù)判斷MAC的源地址中的Network _ID 高四位是否為0；

5)如果不是則表示不是我們需要的AFDX幀，接著分析下一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包；

6)如果是表示該數(shù)據(jù)包為我們所需要的AFDX總線數(shù)據(jù)幀。

通過關(guān)鍵字的判斷，我們實(shí)現(xiàn)了AFDX總線消息的識別判斷，確定測試系統(tǒng)記錄了哪些AFDX消息幀。

3.2完整AFDX幀檢測技術(shù)

在獲得一個(gè)AFDX消息幀后，按照飛行試驗(yàn)的需求，我們需要對AFDX總線消息幀進(jìn)行完整性檢測，以鑒定FTI接收到的AFDX總線幀的完整性。從交換機(jī)FTI監(jiān)控口出來的數(shù)據(jù)幀的格式為實(shí)際有效的數(shù)據(jù)為AFDX Payload，為了獲得更多的信息，支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和故障排除，要求在監(jiān)控到的原始幀中插入附加信息，附加信息包括錯(cuò)誤類別ETO信息、FCS信息。為了不影響原始數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)，附加信息插入在原始幀的末尾，如圖5所示。

圖5　飛行試驗(yàn)AFDX的監(jiān)控信息格式

對照AFDX總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對關(guān)鍵字段信息進(jìn)行檢測，包括一個(gè)FCS定界符、一個(gè)EOF定界符和ETO字段：

1)首先我們對EOF界定符進(jìn)行檢測 ；

2)如果EOF界定符的值不符合約定，則該數(shù)據(jù)幀就不是我們需要的消息幀；

3)其次對FCS字段進(jìn)行檢測；

4)如果FCS界定符的值不符合約定，則該數(shù)據(jù)幀就不是我們需要的消息幀；

5)最后對ETO定界符進(jìn)行檢測分析；

6)如果ETO界定符的值不符合約定，則該數(shù)據(jù)幀就不是我們需要的消息幀；

通過ETO定界符、EOF定界符和FCS字段的判斷，我們實(shí)現(xiàn)了AFDX總線消息的完整性檢測。

3.3AFDX幀丟包檢測技術(shù)

AFDX總線為網(wǎng)絡(luò)化總線技術(shù)，同時(shí)測試系統(tǒng)對AFDX總線的采集也運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)，理論上網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的運(yùn)用就會(huì)存在丟包現(xiàn)象，所以對采集記錄的AFDX總線數(shù)據(jù)進(jìn)行丟包檢測就非常有必要。

如圖3所示AFDX總線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，描述了AFDX負(fù)載AFDX Payload和序列號AFDX SeqNo，序列號的起始值為0，每次加1遞增，然后在1~255之間循環(huán)，以此對AFDX消息進(jìn)行丟包檢測分析：

1)打開飛行試驗(yàn)測試記錄的AFDX原始數(shù)據(jù)并讀?。?/p>

2)對記錄的AFDX試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行AFDX總線消息識別分析即AFDX幀完整性檢測分析；

3)對需要檢測分析的AFDX消息，讀取ICD數(shù)據(jù)庫中相關(guān)信息；

4)對AFDX消息幀進(jìn)行AFDX SeqNo檢測，如果AFDX SeqNo不為255，則比對每個(gè)消息幀出現(xiàn)的SeqNo數(shù)值是否連續(xù)，如果存在不連續(xù)數(shù)值的則表示丟包；

5)對AFDX消息幀進(jìn)行AFDX SeqNo檢測，如果AFDX SeqNo為255，則下一個(gè)消息幀的SeqNo數(shù)值0，如果不是則表示丟包；

6)對檢測分析的AFDX總線數(shù)據(jù)幀進(jìn)行丟包統(tǒng)計(jì)并給出結(jié)果。

通過周期信息序列號AFDX SeqNo的判斷，我們實(shí)現(xiàn)了AFDX總線消息的丟包檢測分析。

4設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與測試

基于飛行試驗(yàn)實(shí)際總線數(shù)據(jù)分析需求，使用C++語言，采用AFDX總線消息識別分析技術(shù)、完整AFDX幀檢測技術(shù)、AFDX幀丟包檢測等技術(shù)開發(fā)了AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件[5-6]。采用了SQL server數(shù)據(jù)庫技術(shù)對總線試驗(yàn)信息進(jìn)行管理和快速查詢，運(yùn)用以上相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)了該分析軟件。

在某試驗(yàn)機(jī)上，航電系統(tǒng)采用了AFDX總線技術(shù)構(gòu)架，使用AFDX通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)了機(jī)上航空電子設(shè)備及子系統(tǒng)之間的消息通訊。該試驗(yàn)機(jī)在飛行試驗(yàn)中采集記錄了試驗(yàn)航電總線AFDX數(shù)據(jù)。

應(yīng)用AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件對該試驗(yàn)機(jī)測試的AFDX數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析：

1)確定測試系統(tǒng)采集記錄了哪些AFDX總線消息幀，將分析結(jié)果和配置消息表進(jìn)行比對，找出哪些消息是交換機(jī)沒有轉(zhuǎn)發(fā)的，從而完善交換機(jī)消息配置；

2)對這些消息幀進(jìn)行了完整性和丟包分析，并將軟件分析結(jié)果和實(shí)際飛行試驗(yàn)航電系統(tǒng)設(shè)定，以及機(jī)上屏顯系統(tǒng)信息進(jìn)行比對分析，檢測測試環(huán)境，對測試方案重點(diǎn)環(huán)節(jié)采集、傳輸?shù)冗M(jìn)行完善。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用以上分析算法的軟件數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確，滿足了試飛工程師對海量AFDX試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測分析的需求。

基于以上算法開發(fā)的飛行試驗(yàn)AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件已在多個(gè)試驗(yàn)機(jī)試飛中推廣使用。

5結(jié)束語

本文介紹了飛行試驗(yàn)對AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析的要求,

設(shè)計(jì)了在現(xiàn)代飛行試驗(yàn)中海量AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析的關(guān)鍵技術(shù)，采用這些算法設(shè)計(jì)了AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件，解決了AFDX總線數(shù)據(jù)檢測分析的關(guān)鍵問題。經(jīng)某試驗(yàn)機(jī)試飛實(shí)際驗(yàn)證，該軟件滿足了試飛工程師的AFDX總線檢測分析需求，分析的結(jié)果數(shù)據(jù)滿足對航空設(shè)備航電系統(tǒng)進(jìn)行科研鑒定的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] ARINC 664, Aircraft Data Network, Part7: Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX) Network[S]. 2005.

[2] AFDX: The Next-Generation Interconnect for Avionics Subsystems[J]. Avionics Magazine, 2005.

[3] 宋東，曾星星，等. AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模與仿真實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù),2012(2)：76-80.

[4] 趙永庫等. AFDX網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2012，20(4).

[5] 彭國金. 基于類PCM結(jié)構(gòu)過程的試飛多科目iNet數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015(10).

[6] 彭國金等. 非結(jié)構(gòu)化海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(14).

Research on the Detection and Analysis Technology of the Flight Test Acquisition AFDX Bus Data

Peng Guojin,Liu Manting, Zhang Juan

(Chinese Flight Establishment of AVIC, Xi’an710089, China)

Abstract:In cross-generation upgrade of the avionics system of aviation products, the detection and analysis of the AFDX bus data is an important technology medium for scientific research appraisal to the avionics system of aviation products in the flight test, in view of the characteristics of the AFDX bus data acquisition and recording of complex airborne electronic environment, the bus data is random and so on, designed the detection and analysis technology of AFDX bus message recognized, frame analysis, lost packet analysis, and the AFDX bus cycle detection algorithm is used in combination, design the detection and analysis technology of the AFDX bus, realize the detection and analysis of the flight test AFDX bus. In the end, the technology is carried out in the flight test of a test aircraft, which meets the detection and analysis requirements of flight test AFDX bus data.

Keywords:detection analysis; avionics system; AFDX bus; test acquisition

文章編號：1671-4598(2016)02-0311-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.086

中圖分類號：TN911-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：彭國金(1978-)，男，江西人，碩士，高工，主要從事試飛測試與數(shù)據(jù)分析技術(shù)方向的研究。

基金項(xiàng)目：國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0520132031)。

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2015-12-21。