飛參系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)研究

付　磊，何　敏，呂當(dāng)俠，朱明晨，嚴(yán)　杰

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都　610091）

飛參系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)研究

付磊，何敏，呂當(dāng)俠，朱明晨，嚴(yán)杰

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610091）

針對(duì)飛機(jī)研制階段各系統(tǒng)交聯(lián)試驗(yàn)時(shí)故障定位慢、檢查測(cè)試手段匱乏的問題，設(shè)計(jì)了飛參系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能；飛參系統(tǒng)中的機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視；分析了實(shí)時(shí)監(jiān)視功能的作用與優(yōu)勢(shì)，并從某型飛參系統(tǒng)功能需求出發(fā)，闡述了機(jī)載設(shè)備的硬件配置及軟件架構(gòu)；基于UDP通信協(xié)議，提出了一種機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備交互的數(shù)據(jù)收發(fā)策略；該策略通過地面設(shè)備控制數(shù)據(jù)通信周期，機(jī)載設(shè)備采集的數(shù)據(jù)按周期發(fā)送給地面設(shè)備還原顯示，實(shí)現(xiàn)了飛行數(shù)據(jù)的一邊記錄一邊監(jiān)視；實(shí)際應(yīng)用表明，飛參系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能豐富了試驗(yàn)測(cè)試手段，提高了各個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，為航前快速檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

飛參系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)視；機(jī)載軟件

0　引言

飛行參數(shù)采集記錄系統(tǒng) （簡(jiǎn)稱飛參系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄，數(shù)據(jù)下載后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原處理供技術(shù)人員分析，是現(xiàn)代飛機(jī)航電系統(tǒng)中必不可少的部分。

我國(guó)從20世紀(jì)七十年代開始研制飛參系統(tǒng)，雖然起步晚，但發(fā)展迅速、技術(shù)日臻成熟。李映穎等通過對(duì)國(guó)內(nèi)外飛參數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀的分析，提出飛參數(shù)據(jù)信息將會(huì)從簡(jiǎn)單的記錄、人工分析逐漸向智能方向發(fā)展，不僅能監(jiān)控、判斷和隔離故障，還能監(jiān)控飛機(jī)健康狀況以及開展故障預(yù)測(cè)［1］。黎小玉等研究了基于光纖通道的數(shù)據(jù)采集記錄器的軟件的功能與架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，所研究軟件協(xié)同系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)了不低于100 MB/S的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和200 MB/S的數(shù)據(jù)記錄與卸載，滿足了高帶寬光纖通道數(shù)據(jù)的采集、記錄與卸載要求［2］。焦新泉等應(yīng)用硬件協(xié)議棧芯片W5300實(shí)現(xiàn)了具有高速網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的大容量固態(tài)數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)［3］。李紅剛等以FPGA作為多通道數(shù)據(jù)采集控制的核心，設(shè)計(jì)了一種高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與采用單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)相比具有性能穩(wěn)定、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［4］。史玉健等針對(duì)數(shù)據(jù)記錄器存儲(chǔ)速度問題，采用雙片選、交替雙平面編程技術(shù)，提高了存儲(chǔ)速度，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)記錄器能夠以66 MB/s的速度存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，并且可靠性高［5］。

飛行平臺(tái)的研制階段，必須對(duì)飛參系統(tǒng)記錄的參數(shù)正確性進(jìn)行檢查，當(dāng)前飛行平臺(tái)大多采用總線體制，飛參記錄的參數(shù)信息非常龐大（某型機(jī)上飛參記錄上萬個(gè)參數(shù)信息），面對(duì)飛參記錄的海量參數(shù)，在時(shí)間緊迫的情況下一一檢查其正確性就成為飛參系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題。另外，飛行參數(shù)采集記錄器在1553B總線體制中常扮演總線監(jiān)視器角色，進(jìn)行系統(tǒng)交聯(lián)試驗(yàn)時(shí)如何快速定位故障點(diǎn)也是飛行平臺(tái)總體設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注的問題。本文針對(duì)上述問題，對(duì)飛參系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了研究。

1　飛參系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能

飛機(jī)上的飛參系統(tǒng)由機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備組成，機(jī)載設(shè)備為飛行參數(shù)采集記錄器，地面設(shè)備包含飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)和飛參地面數(shù)據(jù)處理站。飛行參數(shù)采集記錄器實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的采集、記錄，具有防墜毀功能；飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)用于對(duì)飛行參數(shù)采集記錄器進(jìn)行日常維護(hù)檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)正確性預(yù)判定，下載記錄的數(shù)據(jù)；飛參地面數(shù)據(jù)處理站完成數(shù)據(jù)的還原、回放、報(bào)表顯示，以供地勤人員使用與分析。

飛參系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，即飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)（注：一線檢測(cè)設(shè)備）可以通過以太網(wǎng)與飛行參數(shù)采集記錄器進(jìn)行通訊，將飛行參數(shù)采集記錄器采集到的參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)還原顯示。該功能為系統(tǒng)試驗(yàn)與檢測(cè)時(shí)提供了一個(gè)人機(jī)對(duì)話實(shí)時(shí)窗口，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀察機(jī)上參數(shù)物理值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集的數(shù)據(jù)邊記邊看的功能（即實(shí)時(shí)觀察飛行平臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)的工作情況，不影響記錄功能），省去了試驗(yàn)后通過分析飛參還原的數(shù)據(jù)來判定飛機(jī)上各個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的流程，實(shí)現(xiàn)機(jī)上系統(tǒng)狀態(tài)的快速感知，改變了以往飛參系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)只有下載后才可查看的使用方式。

2　基于實(shí)時(shí)監(jiān)視功能的機(jī)載設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能需求

為了描述的清晰具體，本文以某型機(jī)的飛參系統(tǒng)為例闡述實(shí)時(shí)監(jiān)視功能的設(shè)計(jì)。根據(jù)總體需求該飛參系統(tǒng)需采集1路1553B總線數(shù)據(jù)和2路RS422總線數(shù)據(jù)；具有1路以太網(wǎng)接口，飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)可以通過以太網(wǎng)對(duì)飛行參數(shù)采集記錄器進(jìn)行維護(hù)檢測(cè)、飛行數(shù)據(jù)下載和實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2.2硬件配置

為了滿足同時(shí)記錄與實(shí)時(shí)監(jiān)視的性能需求，在硬件方面，該飛參系統(tǒng)的飛行參數(shù)采集記錄器采用PowerPC 8280處理器，主頻為450 M Hz；以太網(wǎng)接口速率為100 Mbps。飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)也需要具有以太網(wǎng)通訊接口，速率為100 Mbps。

2.3機(jī)載軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

飛行參數(shù)采集記錄器的機(jī)載軟件包含初始化模塊、通訊控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

初始化模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的引導(dǎo)及環(huán)境初始化，包括外部設(shè)備接口初始化及應(yīng)用層軟件的初始化，完成機(jī)內(nèi)自檢測(cè)功能并保存檢測(cè)結(jié)果。

存儲(chǔ)管理模塊為存儲(chǔ)任務(wù)執(zhí)行模塊，通過消息隊(duì)列，接收來自通訊控制模塊的任務(wù)，執(zhí)行創(chuàng)建文件目錄、記錄數(shù)據(jù)、下載文件目錄、下載數(shù)據(jù)，讀寫配置代碼等操作，回響任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果給通訊控制模塊。

通訊控制模塊是機(jī)載軟件的控制核心模塊，通訊控制模塊主要包含4個(gè)任務(wù)，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1　通訊控制模塊組成

RS-422總線采集任務(wù)對(duì)相關(guān)RS-422數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到高速緩存雙口RAM中，POWERPC從雙口RAM中得到的RS-422信息通過內(nèi)總線存儲(chǔ)到存儲(chǔ)管理模塊中。

1553B總線采集任務(wù)對(duì)相關(guān)1553B總線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到高速緩存雙口RAM中，POWERPC雙口RAM中得到的1553B總線信息通過內(nèi)總線存儲(chǔ)到存儲(chǔ)管理模塊中。

以太網(wǎng)維護(hù)任務(wù)通過以太網(wǎng)總線接口接收來自飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)的命令，按照協(xié)議進(jìn)行協(xié)議解析生成相應(yīng)的任務(wù)，執(zhí)行完成任務(wù)后，回響任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)終端復(fù)位、終端自檢、輸出故障模式、建立數(shù)據(jù)索引、寫飛行數(shù)據(jù)、下載飛行數(shù)據(jù)目錄、下載飛行數(shù)據(jù)、擦除記錄器、讀配置代碼和寫配置代碼等操作。

以太網(wǎng)通訊任務(wù)通過以太網(wǎng)接口接收來自飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視命令，周期性的從實(shí)時(shí)監(jiān)視專用的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的緩存中提取數(shù)據(jù)，將提取的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)，由飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)完成數(shù)據(jù)的還原并顯示，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

3　軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視功能設(shè)計(jì)

3.1實(shí)時(shí)監(jiān)視通訊協(xié)議選擇

為了滿足實(shí)時(shí)監(jiān)視功能實(shí)時(shí)性的要求，飛行參數(shù)采集記錄器與飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)的通信采用UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。UDP與TCP協(xié)議的不同點(diǎn)如表1所示。

表1　UDP與TCP協(xié)議的不同點(diǎn)

3.2機(jī)載軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視功能設(shè)計(jì)

由于UDP通信協(xié)議可靠性不高，提出了一種實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)收發(fā)策略，解決了基于該協(xié)議的漏數(shù)據(jù)包問題。

機(jī)載軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能的數(shù)據(jù)寫入緩存策略和發(fā)送數(shù)據(jù)策略如圖2～3所示。假設(shè)為實(shí)時(shí)監(jiān)視服務(wù)的緩存區(qū)能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度為lengthmax個(gè)字節(jié)，當(dāng)前存儲(chǔ)的有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為length個(gè)字節(jié)，需要寫入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為a個(gè)字節(jié)。

宏觀上看，數(shù)據(jù)不斷寫入緩存，通過中斷的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。微觀上看，機(jī)載軟件通過圖2所示的流程將數(shù)據(jù)寫入實(shí)時(shí)監(jiān)視專用的緩存，收到地面軟件的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求后，將流程中的終止標(biāo)志置為終止，然后執(zhí)行圖3的流程，完畢后繼續(xù)從頭開始執(zhí)行圖2的流程。

從流程圖中可以看出，實(shí)時(shí)監(jiān)視過程中，機(jī)載軟件與地面軟件的數(shù)據(jù)通信周期由地面控制，地面的請(qǐng)求到達(dá)，機(jī)載軟件就把緩存區(qū)的有效數(shù)據(jù)發(fā)送，通過合理的選擇請(qǐng)求的周期，能夠保證緩存區(qū)尚未寫滿就被發(fā)送出去，保證地面接收到的數(shù)據(jù)沒有漏包現(xiàn)象。

實(shí)際研制中，在調(diào)試模式下，在判斷出緩存區(qū)寫滿的地方增加打印語句，不斷縮小地面軟件請(qǐng)求的周期，直至打印語句不出現(xiàn)為止，得到的周期能夠保證接收數(shù)據(jù)不漏包。

3.3地面軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視功能設(shè)計(jì)

圖2　機(jī)載軟件數(shù)據(jù)寫入緩存策略

在實(shí)時(shí)監(jiān)視過程中，機(jī)載軟件在保證記錄功能的前提下完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，飛參地面維護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、解析還原以及界面顯示，二者缺一不可。為了完成實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，還需要對(duì)飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)的軟件進(jìn)行配套性的設(shè)計(jì)。飛參外場(chǎng)檢測(cè)處理機(jī)的軟件采用圖4所示的邏輯實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能的數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)接收后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示。

圖3　機(jī)載軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視發(fā)送數(shù)據(jù)策略

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

飛機(jī)研制過程中的航電系統(tǒng)聯(lián)試用于驗(yàn)證系統(tǒng)各設(shè)備功能以及交聯(lián)信號(hào)接口的正確性，采用所設(shè)計(jì)的飛參系統(tǒng)參與航電系統(tǒng)聯(lián)試，飛參作為總線監(jiān)視器（BM）接入1553B總線，交聯(lián)關(guān)系如圖5所示。

試驗(yàn)中，選定實(shí)時(shí)監(jiān)視的參數(shù)后，觀察各設(shè)備間信號(hào)接口交聯(lián)關(guān)系是否正確。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的功能方便實(shí)用，無須下載數(shù)據(jù)就能夠?qū)崿F(xiàn)總線數(shù)據(jù)的查看，提高了試驗(yàn)的效率，加快了研制進(jìn)度。

圖4　飛參地面維護(hù)軟件接收數(shù)據(jù)邏輯

圖5　試驗(yàn)交聯(lián)關(guān)系

5　結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了某型飛參系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能的實(shí)現(xiàn)方法，提出的軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視策略能夠高效地完成以太網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視飛行數(shù)據(jù)的任務(wù)，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。實(shí)時(shí)監(jiān)視功能為飛機(jī)各系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試、系統(tǒng)交聯(lián)試驗(yàn)故障快速定位開辟了技術(shù)途徑，未來飛參系統(tǒng)將不僅僅局限于數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析，而會(huì)滲透進(jìn)飛機(jī)使用的全過程中，如航前檢測(cè)、航時(shí)智能故障診斷、航后健康狀態(tài)管理等。

［1］李映穎，張德全，朱立貴，等.飛參數(shù)據(jù)的應(yīng)用與發(fā)展前景［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36-（1）：10-11.

［2］黎小玉，田澤，劉娟，等.FC數(shù)據(jù)采集記錄器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014，24（3）：19-21.

［3］焦新泉，孫英良，焦亞濤.以太網(wǎng)大容量固態(tài)數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2010，47（12）：77-80.

［4］李紅剛，楊林楠，張麗蓮，等.基于FPGA的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（10）：1407-1409.

［5］史玉健，任勇峰，李輝景，等.基于Flash的高速數(shù)據(jù)記錄器的研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（12）：3158-3160.

Research on Real-time Monitoring Technique of Flight Data Recording System

Fu Lei，He Min，LüDangxia，Zhu Mingchen，Yan Jie
（AVIC Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.，Ltd.，Chengdu610091，China）

Real-time monitoring function of flight data recording system is designed to focus on the problem that being slow to locate the fault and lack of ways for detection in integration tests during flight platform development.Airborne equipment and ground equipment of flight data recording system exchange data through Ethernet，which realize real-time monitoring of aircraft condition.The effect and advantage of real-time monitoring function is analyzed.The hardware configuration and software architecture of airborne equipment is expounded which is based on the need of real-time monitoring function.A communication strategy between airborne equipment and ground equipment is proposed using UDP communication protocol.The period of data communication is controlled by ground equipment in the strategy and the flight data collected by airborne equipment is sent to ground equipment periodically，which can make flight data record and observe at the same time.The application of the strategy indicated that the function of flight data recording system enrich methods to test，improve the efficiency of each system test and realize real-time monitoring of aircraft condition.The method lay the foundation for rapid detection technology before flying and have the actual application value.

flight data recording system；real-time monitoring；airborne software

1671-4598（2016）05-0251-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.070

TP277

A

2015-10-23；

2015-12-18。

付磊（1989-），男，四川武勝人，助理工程師，主要從事飛機(jī)健康與飛行數(shù)據(jù)管理方向的研究。

何敏（1964-），男，陜西岐山人，副總工程師，主要從事飛機(jī)總體設(shè)計(jì)方向的研究。