異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

郭曉燕

(上海飛機設(shè)計研究院 國家重點實驗室，上海 201210)

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異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

郭曉燕

(上海飛機設(shè)計研究院 國家重點實驗室，上海 201210)

摘要文中以民用飛機電子系統(tǒng)的試驗互聯(lián)體系為例，介紹了一種試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)。針對在大型復(fù)雜電子系統(tǒng)研發(fā)過程中，分布式試驗設(shè)施之間測試信號傳輸需滿足傳輸時延和品質(zhì)保真的要求，采用基于光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的多電信號適配技術(shù)，通過核心部件光纖交換機和信號中繼轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)建了可級聯(lián)擴展的試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系。根據(jù)對原型系統(tǒng)的測試分析表明，在確保信號傳輸品質(zhì)的情況下，在500 m傳輸范圍內(nèi)試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對典型信號的延時一般不超過60 μs。

關(guān)鍵詞試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；光纖交換機；A/D；D/A

在大中型復(fù)雜電子系統(tǒng)研發(fā)過程中，會搭建各子系統(tǒng)/組件專用的測試平臺或試驗室，且不可避免地會在自底向上的增量集成過程中，需要將各類可獨立運行的試驗設(shè)施互聯(lián)互通，以配合全系統(tǒng)集成驗證工作的開展。在互聯(lián)設(shè)備距離較短、被測系統(tǒng)對信號實時性以及穩(wěn)定性要求不高的情況下可以采用線纜直連或無線GPRS的方式實現(xiàn)測試設(shè)備的交聯(lián)[7]，但這種方法不適用于信號傳輸距離較遠、互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜且試驗系統(tǒng)對信號傳輸實時性、可靠性要求高的分布式互聯(lián)測試環(huán)境，這種情況下試驗體系的互聯(lián)通常通過高品質(zhì)的遠程信號交換機制來完成。

民用飛機機載電子系統(tǒng)的試驗體系是非常有代表性的大型復(fù)雜電子系統(tǒng)測試調(diào)試環(huán)境，在這個系統(tǒng)中跨試驗室的系統(tǒng)交聯(lián)試驗是飛機系統(tǒng)自底向上集成驗證過程的重要環(huán)節(jié)，因此試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計對民機型號的適航取證具有重要意義。本文以遠程信號交換機制在民用飛機系統(tǒng)集成試驗環(huán)境中的應(yīng)用為例，介紹了一種異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原理，并對該技術(shù)的應(yīng)用情況進行了測試分析。

1總體設(shè)計要求

在民用飛機級系統(tǒng)集成驗證階段普遍存在以下幾個獨立試驗體系之間的交聯(lián)試驗需求：航電綜合試驗體系(包括通信、指示記錄、導(dǎo)航、核心處理等系統(tǒng)集成測試平臺以及其他非航電系統(tǒng)的小型試驗臺)、鐵鳥(包括飛控、高升力、起落架、剎車、液壓試驗系統(tǒng))、動力裝置試驗體系等?；窘宦?lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1　民用飛機典型試驗體系交聯(lián)架構(gòu)

如圖1所示，試驗設(shè)施之間的交聯(lián)信號分為兩類：機載設(shè)備接口信號和仿真控制信號。在民用飛機系統(tǒng)集成驗證試驗中，若試驗場景對參試設(shè)備之間的仿真控制信號的實時性、可靠性要求較高，仿真控制信號一般采用反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)進行傳輸[8]；如試驗場景對仿真控制信號實時性、可靠性要求不高，則采用成本較低的以太網(wǎng)進行仿真控制信號的交聯(lián)。由于這類互聯(lián)技術(shù)較為成熟，也易于實現(xiàn)遠距離傳輸，本文重點研究機載設(shè)備接口信號的異地互聯(lián)技術(shù)。

表1　主要民用飛機機載系統(tǒng)信號

分布式試驗環(huán)境對試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性能要求一般包含以下幾點：(1)接口信號傳輸過程中不能失真，需要“全息”傳輸，即系統(tǒng)必須如實傳送包括誤碼、丟幀等錯誤在內(nèi)的所有內(nèi)容；(2)信號傳輸延時要求≤100μs，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對接口信號的調(diào)制和解調(diào)造成的延時也應(yīng)包含在整個互聯(lián)平臺傳輸延時中；(3)試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對信號傳輸?shù)恼`碼率要<10-12；(4)互聯(lián)平臺應(yīng)保證500m以內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和穩(wěn)定性。

2架構(gòu)設(shè)計

本文所研究的異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用基于光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的多電信號適配技術(shù)，來實現(xiàn)在遠距離分布式試驗環(huán)境之間可靠的傳輸機載設(shè)備接口信號，通信主干網(wǎng)絡(luò)為2.5Gbit·s-1高速互聯(lián)單模光纖網(wǎng)絡(luò)。試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心架構(gòu)，如圖2所示。

圖2　異地試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心架構(gòu)

根據(jù)民機試驗互聯(lián)信號的類型、電氣特性和互聯(lián)規(guī)模，開發(fā)了民機試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的各主要功能模塊，包括：

(1)光纖交換機。承擔(dān)整個試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。光纖交換機處理器選用高性能大容量FPGA，內(nèi)置PowerPC處理器，外置高精度PLL與時鐘Buffer，實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一時鐘。光纖交換機采用時隙交換機制實現(xiàn)不同光纖通道之間的數(shù)據(jù)交換。單路光纖連續(xù)1 000bit為一幀數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)分為125時隙，每個時隙的有效傳輸帶寬為16Mbit·s-1，其中，有效數(shù)據(jù)為120個時隙，另外5個時隙用于幀標(biāo)識和校驗。光纖交換機輸出端口120個有效時隙中的每一個時隙均可以接受輸入端口的任意有效時隙內(nèi)容。通過時隙交換模式可以確保信號延時的穩(wěn)定性[1-2]。光纖交換機之間可通過光纖級聯(lián)，級聯(lián)光纖有兩個作用：一個是可傳遞整個信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的路由配置信息，另一個作用就是實現(xiàn)交換機之間的數(shù)據(jù)復(fù)合共享[5]；

(2)中繼器。負責(zé)實現(xiàn)試驗互聯(lián)信號的電光和光電轉(zhuǎn)換功能。中繼器的核心部件是各類電信號的電氣適配模塊[9]。電氣適配模塊將各類離散量、模擬量以及總線數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光電處理模塊能接受的32位內(nèi)部總線信號。光電處理模塊負責(zé)按照既定協(xié)議將內(nèi)部數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號。表2說明了常用試驗信號占用時隙的情況，各類信號時隙占用參數(shù)是設(shè)計光傳網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)依據(jù)。為了信號處理的穩(wěn)定性，試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)確定每個中繼器最大承載時隙為240個時隙，即根據(jù)每個中繼器所處理信號類型及數(shù)量的實際情況，每個中繼器對外輸出1～2路光纖[11-15]；

表2　信號類型與占用時隙對照表

(3)管理控制終端。提供試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型控制、時鐘同步、狀態(tài)監(jiān)控、自檢測及故障定位的功能。試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的管理控制功能根據(jù)測試領(lǐng)域的不同有具體的設(shè)計需求，本文暫不討論。

在工程實現(xiàn)中，可根據(jù)互聯(lián)試驗設(shè)備之間信號傳輸?shù)念愋秃鸵?guī)模，具體定義光纖交換機的級聯(lián)關(guān)系及中繼器與信號適配卡匹配關(guān)系與數(shù)量。

3關(guān)鍵技術(shù)

對離散量、模擬量、數(shù)字總線信號的快速采樣與轉(zhuǎn)換技術(shù)是異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對離散量開關(guān)信號的采樣轉(zhuǎn)換策略如下：信號采樣端電氣適配模塊采用比較電路轉(zhuǎn)將比較結(jié)果通過接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，F(xiàn)PGA采集處理數(shù)字量，并通過內(nèi)部接口總線將表示離散量狀態(tài)的數(shù)字信號發(fā)送至光電處理模塊轉(zhuǎn)換為光纖時隙信號。離散量輸出端光電處理模塊將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，電氣適配模塊中FPGA讀取數(shù)字信號，然后通過接口芯片轉(zhuǎn)換為模擬電路驅(qū)動MOS管開關(guān)電路輸出離散信號[6]。以28V/Open信號為例，信號采樣端電氣適配模塊的設(shè)計原理如圖3所示。

圖3　28V/Open信號采樣端電氣適配模塊設(shè)計原理

模擬信號受傳輸距離和電磁環(huán)境的影響很大，在進行遠距離傳輸時需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換可能用到兩種技術(shù)，分別是：模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)(A/D、D/A轉(zhuǎn)換)以及晶體管-晶體管邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)(TTL電平)。TTL轉(zhuǎn)換技術(shù)適用的信號電平范圍較窄，只能還原固定的高低電平信息，因此試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選用A/D、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)進行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換。具體到不同的模擬信號其采樣端及輸出端的轉(zhuǎn)換策略差異較大,以RVDT和LVDT信號為例，采樣及輸出端電氣適配模塊的設(shè)計原理如圖4和圖5所示。

圖4　RVDT/LVDT信號采樣端電氣適配模塊設(shè)計原理

圖5　RVDT/LVDT信號采樣端電氣適配模塊設(shè)計原理

目前市場上有成熟的板卡/芯片用于ARINC429、ARINC664信號的采集和傳輸，但采用這種技術(shù)不能滿足傳輸時延<100μs的應(yīng)用需求。以32位高速ARINC429信號為例，貨架板卡如：PXI-C429AIT的數(shù)據(jù)處理時間約為320μs，整個傳輸鏈路的時延會在650μs以上。因此，試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字信號的傳輸主要需解決時延問題。針對ARINC429和ARINC664信號的電氣適配模塊，試驗網(wǎng)絡(luò)分別基于HOLTA429芯片HI-8582和PHY芯片設(shè)計實現(xiàn)，采樣物理電平信號，將物理電平進行中繼傳輸，不對協(xié)議信號進行任何處理。電氣適配模塊將信號轉(zhuǎn)換為32位內(nèi)部總線數(shù)據(jù)，發(fā)給光電處理模塊轉(zhuǎn)換為光纖信號。反之，光信號通過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成32位并行數(shù)據(jù)，通過電氣適配模塊的HOLT芯片和PHY芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字總線信號輸出[10]。

4測試分析

設(shè)計人員根據(jù)異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)架構(gòu)設(shè)計了原型系統(tǒng)，重點關(guān)注了A429、A664、RVDT、Resolver信號的互聯(lián)傳輸，并開展了針對主要信號類型傳輸性能的測試。測試情況如下:

(1)ARINC429信號。選用機載ARINC429設(shè)備輸出ARINC429總線信號，通過直連和試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分別接收同一ARINC429源信號，用示波器在接收端采樣兩路信號，檢測信號品質(zhì)并比對延時數(shù)據(jù)。測試得出結(jié)論，試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對信號帶來的延遲約為50μs，所傳輸信號電氣特性滿足A429規(guī)范的要求[3]；

(2)RVDT信號。通過RVDT模擬設(shè)備模擬發(fā)送激勵信號，激勵信號為SIN差分信號，信號頻率為1.8kHz。RVDT信號的測試分析分為上電階段和上電穩(wěn)定階段兩種情況。用示波器在激勵信號發(fā)出端和試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出端對RVDT信號進行采集比對。測試得出結(jié)論，試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對信號帶來的延遲約為18.2μs，所傳輸信號波形滿足要求;

(3)ARINC664信號。通過ARINC664信號仿真設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)ARINC664信號，用數(shù)采設(shè)備在信號發(fā)出端和試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出端對ARINC664信號進行采集比對。試驗網(wǎng)絡(luò)對信號的延時約為58μs，所傳輸信號電氣特性滿足A664規(guī)范的要求[4];

(4)Resolver信號。經(jīng)比對測試，試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對Resolver信號的延時約為22.4μs，信號傳輸品質(zhì)滿足要求；

(5)Ground/Open信號。經(jīng)比對測試試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對Ground/Open信號的延時約為20μs。信號傳輸品質(zhì)滿足要求。

5結(jié)束語

本文介紹的異地綜合試驗互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)，在確保信號傳輸品質(zhì)的情況下，在500m傳輸范圍內(nèi)對典型信號的延時一般不超過50μs。高性能的試驗設(shè)施互聯(lián)技術(shù)對拓展民用飛機系統(tǒng)集成驗證試驗的深度和廣度有重要的應(yīng)用價值，有利于最大化發(fā)揮測試設(shè)施的使用效果，提高系統(tǒng)集成驗證的效率。

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Research on Distributed Test Interconnection Netwark Techonlogy

GUOXiaoyan

(StateKeyLaboratory,ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute,Shanghai201210,China)

AbstractThis paper takes the test interconnection system of the civil avionics system as an example to introduce a design technique of the test interconnection network. In the process of large and complex electronic system development, it is always a necessary step to implement interconnection project among distributed test facility to meet transmission quality and delay requirement of the test signals. The extensible test interconnection network showed in this paper adopts multi electrical signal adaptation technology based on optical fiber network, and the network is constructed by the core equipment: fiber switch and signal conversion device. Finally the test analysis of the prototype system shows that in the case of ensuring the quality of the signal, the transmission delay is no more than 60μs.

Keywordsinterconnect network of test facilities; fiber switch; A/D; D/A

收稿日期:2016- 05- 03

作者簡介:郭曉燕(1976-)，女，碩士研究生。研究方向：航電系統(tǒng)集成驗證。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.042

中圖分類號TN915.05；TP393

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)07-147-05