航空Ethernet嵌入式測試平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王海斌 王永虎 丁發(fā)軍 錢偉

摘 要：為實(shí)現(xiàn)對航電系統(tǒng)Ethernet總線數(shù)據(jù)進(jìn)行地面在線測試，通過Ethernet總線通信方式，并采用嵌入式技術(shù)，對航電系統(tǒng)一系列飛行參數(shù)進(jìn)行采集并處理，最終實(shí)現(xiàn)嵌入式航電系統(tǒng)Ethernet數(shù)據(jù)測試平臺。硬件設(shè)計(jì)以ARM處理器為核心，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊、適配單元模塊、電源管理模塊和外設(shè)模塊。軟件設(shè)計(jì)在硬件平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)Android操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動及應(yīng)用程序。工程應(yīng)用結(jié)果表明：該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對航電系統(tǒng)Ethernet總線檢測和測試，滿足測試需求。

關(guān)鍵詞：Ethernet總線；數(shù)據(jù)檢測；嵌入式技術(shù)；ARM處理器；Android系統(tǒng)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0075-04

Abstract： To realize online ground test for Ethernet bus data of avionics system， a series of flight data of avionics system is collected and processed with the Ethernet bus communication method and embedded technology and finally an Ethernet data test platform of embedded avionics system is realized. With regard to the hardware design， ARM microprocessor is taken as the core and data processing module， adaptive unit module， power management module and peripheral module are designed. With regard to software design， device driver and application program under the Android operating system are developed based on the hardware platform. Results of engineering application show that the platform is able to check and test the Ethernet bus of avionics system and meet the testing requirement.

Keywords： Ethernet bus； data monitoring； embedded technology； ARM microprocessor； Android system

0 引 言

通用航空廣泛使用的綜合航空電子系統(tǒng)，由多個子部件構(gòu)成，主要包括顯示部件、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、發(fā)動機(jī)參數(shù)處理計(jì)算機(jī)、航姿系統(tǒng)、音頻控制系統(tǒng)和導(dǎo)航部件。其中，顯示部件又分為主顯示器（PFD）和多功能顯示器（MFD）[1-2]。綜合航電系統(tǒng)的基本工作流程是各子部件負(fù)責(zé)采集、處理對應(yīng)的飛行參數(shù)，傳輸給數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理，轉(zhuǎn)換為Ethernet數(shù)據(jù)格式并傳輸給兩部顯示器，為飛行員提供飛行信息[3-4]。對于整個航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程而言，Ethernet數(shù)據(jù)傳輸作用至關(guān)重要，若此數(shù)據(jù)傳輸過程出現(xiàn)故障，將對飛行安全造成嚴(yán)重的影響。

為保證航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠，應(yīng)對航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)定期進(jìn)行必要的檢測。由于Ethernet總線在整個航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中的重要性，本文構(gòu)建了基于嵌入式系統(tǒng)的航電Ethernet總線數(shù)據(jù)測試平臺，下面將結(jié)合Ethernet測試平臺的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，詳細(xì)闡述其系統(tǒng)組成及軟硬件關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)通過Ethernet總線將系統(tǒng)飛行參數(shù)分別傳輸給PFD和MFD，航空Ethernet總線遵循IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，通信速率為10 Mb/s[5-7]。Ethernet總線的傳輸信號為差分式結(jié)構(gòu)，傳輸線路由TX+/-和RX+/-4組構(gòu)成。航電Ethernet總線數(shù)據(jù)測試平臺作為節(jié)點(diǎn)嵌入到綜合航電系統(tǒng)中，通過平臺Ethernet接口與航電系統(tǒng)進(jìn)行交叉連接，實(shí)時接收和處理Ethernet數(shù)據(jù)。測試平臺與航電系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在總線數(shù)據(jù)測試的硬件平臺開發(fā)中選用TI AM335X系列芯片作為核心處理器，該款芯片是TI公司定位于工業(yè)控制MCU的產(chǎn)品，可同時支持Linux、Android和WinCE 3個操作系統(tǒng)的工業(yè)級控制芯片[8-10]。

系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)主要包括以ARM處理器為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)匹配連接的適配單元模塊，以及電源管理模塊和外設(shè)模塊。平臺硬件組成如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理模塊完成對被測航電系統(tǒng)以太數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)的接收和處理。CPU處理器型號選擇TI AM3358型芯片，該芯片基于ARM Cortex-A8內(nèi)核，主頻可支持1 GHz，數(shù)據(jù)處理速率方面可輕松實(shí)現(xiàn)航電總線數(shù)據(jù)的處理。

系統(tǒng)適配單元模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊與被測系統(tǒng)的硬件匹配，包括傳輸?shù)囊蕴珨?shù)據(jù)、選址數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)以及模擬信號硬件線路匹配。以太數(shù)據(jù)傳輸匹配通過Ethernet數(shù)據(jù)收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)，其型號采用RTL8211E芯片，支持1000Base-T的數(shù)據(jù)傳輸。選址數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)分別采用CAN總線和串口總線格式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其中，CAN總線傳輸采用ISO1050隔離式收發(fā)器，此CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)器符合CAN2.0技術(shù)規(guī)范。模擬信號主要傳輸?shù)氖请妷盒盘?，包括系統(tǒng)工作狀態(tài)、工作模式等，采用ADC10040模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。

電源管理模塊實(shí)現(xiàn)對測試平臺以及被測航電系統(tǒng)的電源供給。被測航電系統(tǒng)直流28.0VDS供給，有專門程控電源來實(shí)現(xiàn)。測試平臺電源供給由電源管理芯片TPS65910來實(shí)現(xiàn)，該芯片是TI推出的針對CPU供電的電源管理IC，內(nèi)部集成了降壓、升壓以及差分電壓，滿足了平臺所有特定的電源需求。

外設(shè)模塊包括按鍵控制、顯示模塊、警告模塊和外部存儲。顯示模塊采用三菱GT1275-VB 10.4寸觸摸屏，功耗較低且操作便捷。平臺的采集數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果可自動傳輸至外部存儲模塊，該模塊是由SD卡存儲模式實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 平臺軟件開發(fā)流程

目前嵌入式操作系統(tǒng)主流是采用Linux和Android操作系統(tǒng)，Android是在Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上更加完善的開源系統(tǒng)平臺，擁有更智能的操作以及更優(yōu)化的系統(tǒng)性能[11]；因此，采用Android系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。

測試平臺軟件開發(fā)主要包括驅(qū)動程序和應(yīng)用程序開發(fā)。驅(qū)動程序開發(fā)基于Linux內(nèi)核進(jìn)行，主要編程工具使用C/C++程序，應(yīng)用程序使用Java開發(fā)。應(yīng)用程序在底層調(diào)用設(shè)備驅(qū)動時并不能直接調(diào)用，必須通過Java虛擬機(jī)的本地調(diào)用方法（JNI）實(shí)現(xiàn)。為增強(qiáng)驅(qū)動程序可移植性，在Android架構(gòu)添加一個硬件抽象層（HAL），將硬件設(shè)備封裝成為接口形式[12-13]。平臺軟件開發(fā)流程如圖3所示。

3.2 底層驅(qū)動設(shè)計(jì)

驅(qū)動程序?qū)⒂布O(shè)備抽象成文件，應(yīng)用程序?qū)@些文件進(jìn)行調(diào)用處理[14]。對于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序可直接調(diào)用，但需針對具體設(shè)備參數(shù)將內(nèi)核驅(qū)動程序進(jìn)行修改，然后再進(jìn)行配置及編譯，底層驅(qū)動設(shè)計(jì)流程如圖4所示。本文涉及到的Ethernet總線驅(qū)動、觸摸顯示驅(qū)動以及存儲驅(qū)動均屬于此類驅(qū)動程序。

內(nèi)核配置完畢，保存并編譯出鏡像，按此方式依次完成平臺所需其余驅(qū)動模塊的開發(fā)。將修改后內(nèi)核驅(qū)動進(jìn)行重新編譯生成zImage.bin文件，移植到嵌入式系統(tǒng)并運(yùn)行，以便上層程序進(jìn)行調(diào)用。

3.3 驅(qū)動調(diào)用設(shè)計(jì)

設(shè)備底層驅(qū)動依次由上層硬件抽象層（HAL）和JAVA本地調(diào)用層（JNI）進(jìn)行調(diào)用，最終為頂層應(yīng)用程序服務(wù)。

硬件抽象層（HAL）是通過HAL Stub方法實(shí)現(xiàn)對設(shè)備底層驅(qū)動調(diào)研，HAL Stub是一種代理方法，通過回調(diào)函數(shù)訪問底層驅(qū)動。JAVA本地調(diào)用層（JNI）訪問HAL層時，通過函數(shù)hw_get_module（）獲取設(shè)備模塊ID，并向HAL層申請?jiān)O(shè)備Stub，JNI層獲得Stub對象后，即可把Stub作為一個抽象硬件進(jìn)行操作。

JAVA本地調(diào)用層（JNI）與硬件抽象層（HAL）建立JNI函數(shù)表，應(yīng)用程序構(gòu)架層通過調(diào)用System.load（）函數(shù)使JAVA本地調(diào)用層（JNI）虛擬機(jī)加載本地庫函數(shù)和JNI函數(shù)表，最終建立了硬件抽象層（HAL）、JAVA本地調(diào)用層（JNI）和應(yīng)用程序構(gòu)架層之間的聯(lián)系。平臺驅(qū)動調(diào)用實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

4 測試結(jié)果及討論

利用測試平臺針對被測航電系統(tǒng)Ethernet總線飛行參數(shù)進(jìn)行自動測試，將測試結(jié)果進(jìn)行提取和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證測試平臺準(zhǔn)確性和可用性?？紤]到被測飛行參數(shù)較多，本文列舉部分重要參數(shù)進(jìn)行說明，如表1所示。

表中數(shù)據(jù)較為直觀地反映了測試平臺測試精度，被測飛行參數(shù)中頻率參數(shù)，如導(dǎo)航頻率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等，誤差為零。經(jīng)模擬信號AD轉(zhuǎn)換的飛行參數(shù)出現(xiàn)誤差，如飛行高度、航向及排氣溫度等。對比行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)誤差均在測試范圍內(nèi)，較好地完成了預(yù)期的檢測目標(biāo)。

5 結(jié)束語

基于ARM的航電Ethernet總線數(shù)據(jù)嵌入式測試平臺，通過對航電系統(tǒng)的Ethernet總線進(jìn)行采集和處理，最終實(shí)現(xiàn)了對通航綜合航電系統(tǒng)飛行參數(shù)的地面測試。目前，該測試平臺已通過民航局維修項(xiàng)目認(rèn)證，投入到實(shí)際生產(chǎn)中使用。經(jīng)實(shí)踐證明，平臺能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，在工程應(yīng)用上取得了良好的效果。

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（編輯：莫婕）