大型民用飛機航電系統(tǒng)總線激勵技術的研究

馬騰達+樊智勇+王凱

摘 要： 在對航電系統(tǒng)進行仿真驗證時，需要按照接口控制文檔（ICD）的要求發(fā)送和接收航電總線信號，通常都是根據(jù)具體型號飛機開發(fā)對應的航電總線激勵系統(tǒng)，通用性和擴展性較差、開發(fā)周期長、成本較高。針對該問題，對大型民用飛機的主要航電總線如AFDX，ARINC429等航電總線的激勵技術進行了研究，建立了航電總線激勵系統(tǒng)的層次抽象模型和組織結構模型，設計了一套具有良好通用性和擴展性的航電總線激勵系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行了測試，并給出了應用實例。結果表明，該系統(tǒng)具有良好的通用性和擴展性，為大型民用飛機航電系統(tǒng)的設計開發(fā)與集成驗證提供了有力支撐。

關鍵詞： 航電系統(tǒng)； 總線激勵； 接口控制文檔； AFDX； ARINC429

中圖分類號： TN911?34； V271.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0125?04

Research on bus excitation technology for avionics system in large?scale civil aircraft

MA Tengda1， FAN Zhiyong2， WANG Kai1

（1. College of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China；

2. Training Center of Engineering Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： The simulation verification for the avionics system needs to transmit and receive the avionics bus signal according to the requirement of the interface control document （ICD）. The avionics bus excitation system is developed for the specific type aircraft usually， and has the disadvantages of poor universality and expansibility， long development cycle and high cost. Aiming at the above problems， the excitation technology of the main avionics buses （such as AFDX， ARINC429） used in the large?scale civil aircraft is studied. The multilayer abstract model and organizational structure model of the avionics bus excitation system were established. An avionics bus excitation system with good universality and expansibility was designed. This system was tested. Its application examples are given. The results show that the system has perfect universality and expansibility， and has provided a powerful support for design development and integrated verification of large civil aircraft avionics system.

Keywords： avionics system； bus excitation； interface control document； AFDX； ARINC429

航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代民用飛機的重要組成部分[1]。組成航電系統(tǒng)的各個機載設備間通過航空總線進行數(shù)據(jù)傳輸。常見的大型民用飛機航空總線有AFDX，ARINC429等類型[2?3]。航電系統(tǒng)的仿真驗證是飛機航電系統(tǒng)開發(fā)與設計過程中十分重要的一個環(huán)節(jié)[4]。在對多個航電組件進行集成驗證時，需要對各個航電組件提供激勵信號并接收其響應信號；各個激勵信號以及響應信號之間存在著復雜的關聯(lián)關系[5]。對于具體型號的飛機，通常是開發(fā)其專用的航電總線激勵系統(tǒng)，通用性和擴展性較差[6?8]。本文對大型民用飛機的航電總線激勵技術進行了研究，提出了一種具有通用性和擴展性的航電總線激勵系統(tǒng)設計方法；設計的航電總線激勵系統(tǒng)，能夠對航電系統(tǒng)各項功能進行驗證和測試，構建出一個航電系統(tǒng)集成驗證的總線激勵環(huán)境，能夠滿足航電系統(tǒng)在交聯(lián)試驗、接口功能驗證以及相關仿真測試工作中的需要。

1 功能需求

航電總線激勵系統(tǒng)能夠與各個航電組件之間進行信號和數(shù)據(jù)交互：為各個航電組件提供必要的激勵信號，并通過物理接口輸出到各個航電組件；通過物理接口接收各個航電組件輸出的響應信號，并對這些信號進行處理和顯示。如為甚高頻收發(fā)機提供調諧頻率信號，接收儀表著陸接收機的航向道/下滑道偏差信號。

其總體功能框圖如圖1所示。圖1中，以大型民用飛機的通信導航監(jiān)視系統(tǒng)（Communication Navigation and Surveillance System，CNS）為例，列出了部分航電組件，如VHF（甚高頻收發(fā)機）、STACOM（衛(wèi)星通信收發(fā)機）、VOR/MB（甚高頻全向信標/指點信標接收機）、ILS（儀表著陸接收機）、DME（測距機）、GPS（全球定位系統(tǒng)接收機）、ATC（空中交通管制應答機）、TAWS（地形提示和警告系統(tǒng)收發(fā)機）等。

航電總線激勵系統(tǒng)的物理接口符合航空總線標準所要求的電氣特性，因此既能夠連接真實的航電組件，如圖1中的ILS等，也能接入符合相關電氣規(guī)范要求的航電半實物仿真組件，如圖1中的DME等仿真航電組件。采用這種方式，不必等待所有真實航電組件都交付后，就能夠以仿真組件進行替代，開展集成驗證工作。

本文以大型民用飛機的CNS系統(tǒng)為例展開研究。從總線類型的角度，主要包括AFDX總線、ARINC429總線和離散量信號等；從功能應用的角度，發(fā)送的參數(shù)主要是CNS組件的工作頻率、狀態(tài)參數(shù)等，如VOR調諧頻率、ILS調諧頻率、空地信號等，接收的參數(shù)主要是CNS組件的指示參數(shù)，如VOR方位角、LOC偏差、GS偏差、GPS位置等[9]。

2 體系結構與建模

航電系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要不斷地進行驗證和修改；而不同型號飛機的航電系統(tǒng)也各不相同。因此，良好的通用性和擴展性是航電總線系統(tǒng)必須具備的特性。為了達到該目的，采用分層模型方法對系統(tǒng)進行描述，建立層次抽象模型和組織結構模型。

如圖2所示，將航電總線激勵系統(tǒng)分為4層，即功能應用層、參數(shù)變換層、通道映射層和物理資源層。功能應用層包含多個功能模塊，功能模塊之間存在關聯(lián)關系，當激勵與響應的航電邏輯關系發(fā)生變化時，只需要對該層進行修改即可。參數(shù)變換層主要實現(xiàn)航電總線數(shù)據(jù)的編碼和解碼功能。該層將功能應用層的各個參數(shù)按照接口控制文檔（Interface Control Document，ICD）的要求[10]，編碼為航電總線數(shù)據(jù)；將接收到的航電總線數(shù)據(jù)解碼為各個參數(shù)，供功能應用層進行處理。當航電總線數(shù)據(jù)的編解碼方式發(fā)生變化時，只需要對該層進行修改即可。

通道映射層為上層提供統(tǒng)一的接口服務；并將總線通道映射到物理資源層中。當航電組件的連接關系發(fā)生變化時，可以通過對映射通道的修改，來適配連接關系的變化。物理資源層主要是指計算機平臺和航電總線板卡，其電氣特性與真實航電組件一致。物理資源層可以采用COTS產品（Commercial?off?the?shelf，商用貨架產品）實現(xiàn)。

通過組織結構模型對航電總線激勵系統(tǒng)進行縱向建模。如圖3所示，將航電總線激勵系統(tǒng)分為激勵控制、響應顯示、系統(tǒng)配置、總線監(jiān)視4個模塊。

激勵控制模塊主要實現(xiàn)激勵參數(shù)向航電總線數(shù)據(jù)的變換控制；響應顯示模塊主要實現(xiàn)對航電組件發(fā)送的航電總線數(shù)據(jù)進行分析解碼，將響應參數(shù)進行詳細顯示；在系統(tǒng)配置模塊中，能夠對系統(tǒng)的主要功能進行設置；總線監(jiān)視模塊對所有接收和發(fā)送的航電總線數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計顯示。

通過層次抽象模型和組織結構模型對航電總線激勵系統(tǒng)進行橫向和縱向建模，能夠將系統(tǒng)的功能進行解耦，使系統(tǒng)具有良好的通用性和擴展性。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 功能應用層

功能應用層主要實現(xiàn)激勵參數(shù)與響應參數(shù)的航電邏輯處理功能。激勵控制模塊主要包括3組參數(shù)設置，即AFDX激勵參數(shù)設置、ARINC429激勵參數(shù)設置和離散量激勵參數(shù)設置；響應顯示模塊主要包含3組參數(shù)顯示，即AFDX響應參數(shù)顯示、ARINC429響應參數(shù)顯示和離散量響應參數(shù)顯示。對于激勵控制模塊，其主要工作流程如圖4所示。首先獲取用戶輸入的參數(shù)以及航電組件發(fā)送的響應參數(shù)，根據(jù)具體航電邏輯，經(jīng)處理后得到激勵參量，傳遞到參數(shù)變換層將激勵參量編碼為航電總線數(shù)據(jù)，并經(jīng)通道映射層將總線通道映射為物理通道后，通過物理資源層將航電總線數(shù)據(jù)發(fā)送到航電總線上。對于響應顯示模塊，其主要工作流程如圖5所示。在接收到總線數(shù)據(jù)后，將物理通道變換為邏輯通道，根據(jù)總線類型，調用不同的解碼方法對總線數(shù)據(jù)進行解碼，并傳輸?shù)焦δ軕脤?，結合激勵參數(shù)的值，進行航電邏輯處理，最后在人機交互界面中將參數(shù)進行顯示。

總線監(jiān)視模塊對所有的航電總線數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，既包括接收到的總線數(shù)據(jù)，也包括系統(tǒng)自身發(fā)送的總線數(shù)據(jù)；并形成原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息。

對于離散量信號，監(jiān)視其電平狀態(tài)以及狀態(tài)改變的時間等信息；對于ARINC429總線信號，監(jiān)視ARINC429數(shù)據(jù)字的周期、時間標簽、原始數(shù)據(jù)字等信息；對于AFDX總線信號，監(jiān)視其虛鏈路號、IP地址、端口號、原始數(shù)據(jù)幀、時間標簽等信息。

3.2 參數(shù)變換層

參數(shù)變換層主要完成航電總線數(shù)據(jù)的編碼和解碼操作。對于離散量信號的編碼和解碼，情況較為簡單，不同的狀態(tài)代表不同的含義。對于ARINC429總線數(shù)據(jù)的編碼和解碼，主要的依據(jù)文件是ARINC429規(guī)范[2]；對于AFDX總線數(shù)據(jù)的編碼和解碼，主要的依據(jù)文件是ARINC664規(guī)范[3]。除相關規(guī)范外，還需依據(jù)具體型號飛機航電系統(tǒng)的ICD文件。通常，在制訂ICD文件時，都必須遵循相關ARINC規(guī)范，對于ARINC規(guī)范中未作規(guī)定的，或具有特殊性的，需要在ICD中做出詳細說明。

對于ARINC429總線數(shù)據(jù)而言，主要的內容包括參數(shù)名稱、參數(shù)值、參數(shù)單位、參數(shù)范圍、參數(shù)精度的解析等。根據(jù)其標號（Label）的不同，代表不同的含義。ARINC429數(shù)據(jù)字的類型主要有BNR數(shù)據(jù)、BCD數(shù)據(jù)、離散數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)等，對于不同類型的數(shù)據(jù)，采用不同的編碼和解碼方法進行處理。對于AFDX總線數(shù)據(jù)而言，主要是對有效載荷（Payload）部分進行數(shù)據(jù)處理，可依據(jù)ICD文件按照具體協(xié)議進行編碼和解碼處理。設計實現(xiàn)的ARINC429數(shù)據(jù)字編碼解碼類的UML類圖如圖6所示。

3.3 邏輯映射層

邏輯映射層將航電總線激勵系統(tǒng)的業(yè)務邏輯與物理資源進行了隔離，提供統(tǒng)一的收發(fā)接口，使得上層功能的實現(xiàn)，不必對總線信號的具體發(fā)送細節(jié)進行了解。該層將采集物理資源層接收到的數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一的標準接口提供給上層；接收上層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過物理資源層進行傳輸。邏輯映射層還實現(xiàn)邏輯通道與物理通道的映射功能。如圖7所示，如功能應用層希望通過Tuning Prot A通道對VOR接收機發(fā)送調諧頻率時，Tuning Prot A通道是邏輯通道1，該通道可映射至物理通道H進行發(fā)送。通過一個映射表來記錄邏輯通道與物理通道的映射關系，在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，查找該映射表，將相應的通道進行對應。通過這種映射機制，在進行功能應用層開發(fā)時，便無需考慮具體的物理通道號，與硬件的具體連接進行了解耦。

在系統(tǒng)配置模塊中，主要包括通道映射表的配置，通道設置以及其他一些設置。用戶通過配置通道映射表，來實現(xiàn)通道的具體對應關系；通過通道設置來改變航電總線通道的基本參數(shù)，如ARINC429總線通道的速率、校驗方式等參數(shù)的配置，對AFDX總線的虛鏈路號、端口號、BAG等參數(shù)的配置[11]。

3.4 物理資源層

在層次抽象模型的最底層，是物理資源層。該層的模塊主要是指實現(xiàn)航電總線數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的硬件平臺。航電總線激勵系統(tǒng)選擇工業(yè)控制計算機作為計算資源，在工控機上插入PCI或PCIe等接口的航電總線通信板卡，接入到配線架后，與航電組件相連接，如圖8所示。

航電總線激勵系統(tǒng)的硬件平臺，也可以選用PXI機箱，在PXI機箱內插入各種PXI接口的航電總線通信板卡，利用PXI機箱的控制器為航電總線激勵系統(tǒng)提供計算資源。其結構與圖8所示的結構類似。

4 集成測試與應用

在航電總線激勵系統(tǒng)開發(fā)完畢后，要對系統(tǒng)本身進行測試。測試主要包含兩方面的內容，一方面是航電總線信號的電氣特性是否符合相關規(guī)范的要求，即電氣特性符合性測試；另一方面是航電總線信號的數(shù)據(jù)是否符合預期，即數(shù)據(jù)符合性測試。電氣特性符合性測試，主要采用示波器等標準設備對系統(tǒng)輸出的信號波形進行測試，驗證波形的幅值、頻率、上升時間、下降時間等是否符合相關規(guī)范的要求，如ARINC429總線信號的電氣特性，應當符合ARINC429規(guī)范；AFDX總線信號的電氣特性，應當符合ARINC664規(guī)范。數(shù)據(jù)符合性測試，主要驗證參數(shù)的編碼和解碼是否滿足ICD要求，可使用相應的航空總線分析儀對數(shù)據(jù)符合性進行驗證。以ARINC429總線信號為例，可采用航空總線分析儀T1200B進行測試，該分析儀能夠實現(xiàn)對ARINC429數(shù)據(jù)字的編碼和解碼功能。依據(jù)ICD文件，分別對每條通道的ARINC429數(shù)據(jù)字進行測試即可。采用本文提出的方法，設計了一套對飛機CNS系統(tǒng)的航電總線激勵系統(tǒng)，并通過了電氣特性符合性測試以及數(shù)據(jù)符合性測試，具有較強的通用性和擴展性。測試過程中的部分波形和數(shù)據(jù)如圖9和表1所示。

針對具體機型的ICD，將設計的航電總線激勵系統(tǒng)進行客戶化后，先后應用于國產某型飛機和另一國產某型飛機的航電系統(tǒng)集成驗證項目當中，為飛機的航電系統(tǒng)仿真驗證提供了有力支持。如圖10所示。

5 結 論

本文對大型民用飛機航電系統(tǒng)的總線激勵技術進行了研究，建立了航電總線激勵系統(tǒng)的層次抽象模型和組織結構模型，提出了一種行之有效的設計方法，并以大型民用飛機的CNS系統(tǒng)為例，設計開發(fā)了一套完整的航電總線激勵系統(tǒng)，具有良好的通用性和擴展性，為大型民用飛機航電系統(tǒng)的設計開發(fā)與集成驗證提供了有力支撐。

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