非航空電子系統(tǒng)監(jiān)控處理機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

周前柏 王建生 王劍博

摘 要：為解決非航空電子系統(tǒng)本身沒有計(jì)算機(jī)，無法對(duì)自身的故障進(jìn)行檢測(cè)、診斷和隔離。通過采用非航空電子監(jiān)控設(shè)計(jì)技術(shù)，利用非航空電子監(jiān)控處理機(jī)（NAMP）構(gòu)建非航空電子監(jiān)控系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)航空電子與非航空電子的系統(tǒng)綜合，改善全機(jī)的可測(cè)試性和可維修性，減少飛機(jī)維護(hù)的工作時(shí)間和工作難度。以某型飛機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)航空電子系統(tǒng)所要完成的多種飛行任務(wù)，非航空電子監(jiān)控處理機(jī)的功能和性能，進(jìn)行了NAMP處理機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵技術(shù)、動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)進(jìn)行了研究，為機(jī)載計(jì)算機(jī)軟硬件的模塊化和層次化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：非航空電子監(jiān)控技術(shù)；NAMP；層次化模塊化設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)仿真

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To solve the Non-Avionics system of provincial without computer，not on his own，fault detection，diagnosis，and isolation.Through the adoption of the non-aviation electronic monitoring techniques，using NAMP build non-aviation monitoring system，preliminary implementation avionics and non-avionics integrated system，to improve the testability of the whole machine and maintainability，reduces the cast time of aircraft maintenance work and work difficulty.Based on a certain type of aircraft，according to the avionics system to complete a variety flight tasks，as well as on the functions and performances of NAMP，the NAMP processor system is designed，and the design method of the system，key technology，dynamic simulation test are studied，all of which provides a design base for the modular hierarchy design of airborne computer software and hardware.

Key words：non-avionics monitoring technology；NAMP；Hierarchical modular design；dynamic simulation

傳統(tǒng)的對(duì)機(jī)載非航空電子系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控方法，是將所有設(shè)備的信號(hào)、狀態(tài)通過座艙內(nèi)的儀表或燈光信號(hào)報(bào)告給飛行員，造成座艙布局緊張、飛行員負(fù)擔(dān)重、信息共享差、故障分析困難等問題。隨著綜合化航空電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)的功能不斷增強(qiáng)[ 1-2 ]，越來越多的利用非航空電子系統(tǒng)監(jiān)控處理機(jī)（NAMP）構(gòu)建非航空電子監(jiān)控系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)航空電子與非航空電子的系統(tǒng)綜合，改善全機(jī)的可測(cè)試性和可維修性，減少飛機(jī)維護(hù)的工作時(shí)間和工作難度。通過NAMP計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)非航電系統(tǒng)的綜合控制管理與調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控、檢測(cè)、信息上報(bào)、告警輸出控制以及負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)飛機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行記錄等工作，構(gòu)成了一個(gè)具有三層結(jié)構(gòu)的信息綜合傳遞網(wǎng)絡(luò)[ 3 ]。一種NAMP與航空電子系統(tǒng)和非航電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

NAMP主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）狀態(tài)綜合顯示：NAMP將監(jiān)控到的非航電子系統(tǒng)狀態(tài)通過GJB289A總線上報(bào)顯示，給飛行員或操作員提供飛機(jī)狀態(tài)參考；

2）故障告警：NAMP將監(jiān)控到的非航電子系統(tǒng)的異?；蚬收闲畔⑼ㄟ^GJB289A總線上報(bào)飛行員或操作員，并對(duì)關(guān)鍵故障給出應(yīng)急處置表，提示飛行員或操作員進(jìn)行應(yīng)急處理，最大化的保障飛行安全；

3）非航電子系統(tǒng)的維護(hù)：NAMP通過GJB289A總線接收維護(hù)命令，啟動(dòng)非航電子系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)檢查，并進(jìn)行結(jié)果顯示，大大的減輕了操作員進(jìn)行非航電子系統(tǒng)維護(hù)的負(fù)擔(dān)；

4）數(shù)據(jù)記錄：NAMP將監(jiān)控到的非航電子系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和飛機(jī)參數(shù)記錄儀系統(tǒng)進(jìn)行記錄；

5）自身維護(hù)：進(jìn)行NAMP計(jì)算機(jī)自身的加電自檢和啟動(dòng)自檢。

1 軟件功能及系統(tǒng)工作模式要求

根據(jù)系統(tǒng)頂層需求分解，NAMP軟件需完成的主要功能是：

1）周期性（周期大小根據(jù)飛機(jī)總體系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求確定）采集航電系統(tǒng)和非航電系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)：數(shù)字量、離散量、模擬量、角度信號(hào)；

2）根據(jù)輸入的航電系統(tǒng)輸入的指令信息，按照指令要求完成相應(yīng)工作方式下工作和指令的正確響應(yīng)；根據(jù)航電系統(tǒng)和非航電系統(tǒng)輸入的狀態(tài)參數(shù)信息進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)共享及故障綜合處理告警；

3）告警分級(jí)處理，根據(jù)告警信息按照告警級(jí)別的不同，需要采取不同的處理方式。

2 層次化模塊化設(shè)計(jì)方法

隨著綜合化航電技術(shù)的發(fā)展，非航空電子系統(tǒng)監(jiān)控處理機(jī)的功能日益強(qiáng)大、系統(tǒng)接口也越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的緊耦合設(shè)計(jì)方法已很難適應(yīng)未來的復(fù)雜系統(tǒng)的軟件硬件維護(hù)、修改及系統(tǒng)升級(jí)。換而言之，層次化模塊化概念在NAMP設(shè)計(jì)中得到進(jìn)一步強(qiáng)化。層次化模塊化設(shè)計(jì)是將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)劃分為若干個(gè)便于實(shí)現(xiàn)的功能層或模塊，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并使系統(tǒng)軟件、硬件模塊可以并行開發(fā)[ 4-6 ]。模塊包括硬件模塊和軟件模塊，既是相對(duì)獨(dú)立的功能劃分，也是一種先進(jìn)的封裝及安裝形式，是航空電子系統(tǒng)綜合化實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)特性不可缺少的物理基礎(chǔ)。

2.1 硬件層次化模塊化設(shè)計(jì)

按系統(tǒng)功能需求分解及層次化模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，將NAMP計(jì)算機(jī)劃分為9個(gè)物理模塊，分別為數(shù)據(jù)處理模塊（DPM）、GJB289A總線接口模塊（MBI）、離散量處理模塊（DIM1/DIM2）、離散量輸出模塊（GPI）、RS422通信接口模塊（SIM）、ARINC429通信接口模塊（SPM）、模擬量處理模塊（APM）及電源模塊（PS）。NAMP計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 軟件層次化模塊化設(shè)計(jì)

按層次化、模塊化設(shè)計(jì)方法，NAMP軟件的層次化體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1）應(yīng)用層。應(yīng)用層是軟件的最高層，負(fù)責(zé)控制任務(wù)的啟動(dòng)、停止、測(cè)試及維護(hù)，并進(jìn)行系統(tǒng)信息提取、組織及系統(tǒng)的故障管理，駐留在DPM模塊上。

2）驅(qū)動(dòng)層。是應(yīng)用層與底層之間的一個(gè)功能軟件包（含函數(shù)庫(kù)），實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)各模塊的控制功能（如模塊的讀、寫操作等），并對(duì)模塊中斷進(jìn)行處理，它駐留在DPM模塊上。

3）硬件模塊。是系統(tǒng)的底層，實(shí)現(xiàn)全部硬件處理功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

NAMP實(shí)時(shí)監(jiān)控燃油、電源、燈光、液壓、環(huán)控、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)、電傳等17個(gè)非航電子系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)，需及時(shí)完成信息采集并進(jìn)行故障狀態(tài)的綜合判定。其中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確故障檢測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)技術(shù)，計(jì)算機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的小型化技術(shù)，模塊智能化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真綜合試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)成為研制前期的關(guān)鍵問題。

3.1 實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確故障檢測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)

NAMP要求能適時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控并報(bào)告非航電子系統(tǒng)的狀態(tài)和故障。

采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks作為NAMP的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，同時(shí)采用多任務(wù)搶占和優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式的周期任務(wù)管理[ 7-8 ]。在系統(tǒng)中將實(shí)時(shí)性高的任務(wù)放在優(yōu)先級(jí)較高的50ms、100ms的周期任務(wù)中運(yùn)行，保證了故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。慢速率變化的系統(tǒng)在200ms、400ms、500ms、1000ms的周期任務(wù)中執(zhí)行。同時(shí)還采用軟件瞬態(tài)故障濾波、硬件紋波抑制[ 9-10 ]等故障處理技術(shù)和故障判斷邏輯，減少了虛警的次數(shù)，保證故障檢測(cè)準(zhǔn)確性。

3.2 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)要求NAMP自身故障不能影響非航空電子系統(tǒng)的正常工作，對(duì)NAMP的安全性設(shè)計(jì)提出了很高的要求，主要從從軟硬件兩方面給出了NAMP安全性的設(shè)計(jì)方法。

在硬件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)有抗尖峰浪涌電路、靜電保護(hù)電路、電壓箝位電路、防反向電路、系統(tǒng)共地等保護(hù)性電路。離散量輸出接口設(shè)計(jì)有聯(lián)鎖保護(hù)電路，保證NAMP的故障不會(huì)導(dǎo)致誤輸出；還設(shè)置了限流保護(hù)機(jī)制，保證外部短路不會(huì)損壞NAMP的功能輸出；同時(shí)也設(shè)置了抗尖峰浪涌電路和共地保護(hù)電路。在硬件設(shè)計(jì)上最大限度的保護(hù)系統(tǒng)的安全。

在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用軟件模塊執(zhí)行過程中均設(shè)有“看門狗”機(jī)制，可以防止軟件跑飛而造成的系統(tǒng)癱瘓[ 11 ]；同時(shí)在系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)了超時(shí)處理和異常處理[ 12 ]，保證系統(tǒng)在發(fā)生異常時(shí)可以及時(shí)的做出應(yīng)急處理，并將故障進(jìn)行記錄以備后期維護(hù)；系統(tǒng)軟件中還設(shè)計(jì)了資源沖突管理，保證多任務(wù)訪問時(shí)對(duì)共享資源的保護(hù)。

3.3 小型化技術(shù)

由于機(jī)上體積和重量的限制，確定NAMP計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)僅能采取1/2ATR結(jié)構(gòu)的機(jī)箱設(shè)計(jì)，同時(shí)NAMP系統(tǒng)監(jiān)控管理的非航電子系統(tǒng)較多，接口復(fù)雜，綜合功能較多，在此情況下，我們采取相應(yīng)措施，選用了部分新型封裝器件和中、大規(guī)模的可編程芯片[ 13 ]，同時(shí)在計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)上采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，使計(jì)算機(jī)體積和重量大大降低，為小型化技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

3.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

在動(dòng)態(tài)仿真的研究中，按照飛機(jī)的頂層設(shè)計(jì)文件的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)一套NAMP動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試驗(yàn)證設(shè)備，將NAMP所監(jiān)管的非航電子系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)功能和接口性能的模擬，為NAMP提供模擬信號(hào)源；同時(shí)仿真NAMP所在的航電總線的管理功能，對(duì)NAMP進(jìn)行綜合管理，可實(shí)現(xiàn)非航電系統(tǒng)和航電系統(tǒng)的半物理仿真綜合[ 14 ]，快速、全面地進(jìn)行充分的需求驗(yàn)證并檢查出NAMP頂層設(shè)計(jì)和所開發(fā)軟件上的功能邏輯錯(cuò)誤，提高飛機(jī)級(jí)系統(tǒng)綜合測(cè)試的功能檢查覆蓋率和測(cè)試效率并完成NAMP產(chǎn)品自身的功能動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試驗(yàn)收，保證系統(tǒng)綜合試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3.5 智能化模塊設(shè)計(jì)技術(shù)

在NAMP的設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)系統(tǒng)需求的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)ARNIC429和RS422通信的信息需求量較大，在多周期的任務(wù)條件下，ARINC429和RS422通信產(chǎn)生的中斷數(shù)量多，對(duì)NAMP系統(tǒng)的中斷響應(yīng)、任務(wù)管理和周期調(diào)度產(chǎn)生了很大的壓力，設(shè)計(jì)了智能模塊對(duì)兩類通訊進(jìn)行智能化管理，它可以實(shí)時(shí)處理串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送而不用主處理器的干預(yù)，與主處理模塊間通過雙口存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[ 15 ]，提高了NAMP系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

在國(guó)內(nèi)，多數(shù)3代和3代半飛機(jī)都采用了NAMP進(jìn)行集中式監(jiān)控管理，由于采用層次化模塊化設(shè)計(jì)方法并對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品硬件和軟件的調(diào)試、調(diào)度、管理更加方便，設(shè)計(jì)更加合理可靠。

飛機(jī)上安裝了非航空電子系統(tǒng)監(jiān)控處理機(jī)后，實(shí)現(xiàn)了非航空電子系統(tǒng)的集中顯示和集中監(jiān)控，方便飛行員操縱及維護(hù)人員對(duì)飛機(jī)的維護(hù)，縮短維修時(shí)間；提高飛機(jī)的出勤率和戰(zhàn)備完好率，大大提高非航空電子系統(tǒng)的維護(hù)性，與原俄制機(jī)內(nèi)監(jiān)測(cè)和告警綜合系統(tǒng)的比較對(duì)比結(jié)果見表1。

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基金項(xiàng)目：中航工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（2014D63129R）

作者簡(jiǎn)介：

周前柏（1984-），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，機(jī)電管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)；

王建生（1966-），男，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)椴⑿杏?jì)算及并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

王劍博（1988-），男，助工，研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。