新型飛機(jī)的機(jī)載CMCF通訊模型實(shí)現(xiàn)

樊智勇　閆小謙

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)新型飛機(jī)通訊模型研究的狀況，本文在研究波音787和空客380通訊模型基礎(chǔ)上，按照ARINC624規(guī)范，建立了一種中央維護(hù)計(jì)算功能（CMCF）系統(tǒng)的通訊模型，并經(jīng)過搭建硬件測(cè)試平臺(tái)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試，驗(yàn)證模型符合ARINC規(guī)范，這對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)的研究和對(duì)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的的研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：ARINC624規(guī)范；CMCF；AFDX；通訊模型

中圖分類號(hào)：R730.58文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Aiming at the lack of research on the communication model of aircraft，The anthor of this paper studyed the communication models of the new aircrafts such as the Boeing 787 and Airbus 380，established a central maintenance calculation function （CMCF） communication system model based on the ARINC624 standard；and then built a hardware test platform to verify the model conforms to the ARINC standard.the reserch has certain practical significance on the research of domestic onboard maintenance system and China made aircraft C919.

Key words：CMCF；AFDX；arinc624；communication model

1引言

隨著航空電子系統(tǒng)朝著綜合模塊化的發(fā)展，新型飛機(jī)對(duì)航電系統(tǒng)的通訊容量和傳輸速度都有了更高的要求，最新系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)基于AFDX，相較于上一代航空總線ARINC429，其傳輸速度由最高100Kbs增至最高100Mbs。國(guó)外基于對(duì)此的研究已有相對(duì)前沿的新一代OMS系統(tǒng)研究成果，并應(yīng)用于B787和A380飛機(jī)。隨著大飛機(jī)項(xiàng)目成為國(guó)家“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目，目前我國(guó)各科研單位對(duì)此研究越來(lái)越重視，但還處于技術(shù)跟蹤和理論研究狀態(tài)，尚未有獨(dú)立成熟的理論應(yīng)用成果。本文基于ARINC624規(guī)范和AFDX網(wǎng)絡(luò)，建立CMCF的通訊模型，對(duì)通訊模型各個(gè)層次的協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性、高效性和可靠性。

機(jī)載CMCF是飛機(jī)的重要系統(tǒng)，其功能是收集所有和它相連的所有子系統(tǒng)BITE故障數(shù)據(jù)，并能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，得到準(zhǔn)確的故障報(bào)告和故障隔離，提出維修計(jì)劃建議，提高飛機(jī)維護(hù)效率。此外，就是機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)最也可以進(jìn)行發(fā)送用戶初始測(cè)試指令，主動(dòng)獲取飛機(jī)相應(yīng)成員系統(tǒng)的狀況，CMCF與成員系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖如圖1。CMCF與成員系統(tǒng)之間可以通過以太網(wǎng)或者AFDX進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，成員系統(tǒng)與CMCF通訊采取多冗余設(shè)計(jì)，這樣對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多份備份，防止了某一條虛擬鏈路失效引起的數(shù)據(jù)丟失，提高了可靠性。

2CMCF通訊模型

ARINC624規(guī)范對(duì)CMCF通訊模型做了以下規(guī)定：

（1）靈活性。滿足當(dāng)前和以后發(fā)展的需求。

（2）兼容性。成員LRU中的BITE報(bào)告功能的變化不需要強(qiáng)制改變CMC。然而，為了保持與成員LRU改變的兼容性進(jìn)行的CMC改變需要盡可能的實(shí)現(xiàn)最大性能。

（3）數(shù)據(jù)量最小化?？偩€上的數(shù)據(jù)總量應(yīng)該最小化。

（4）處理器高效性。在LRU和CMC中的處理器的要求數(shù)量應(yīng)該最小化。

（5）協(xié)議簡(jiǎn)潔性。為了保證系統(tǒng)第一次就開始運(yùn)作，基本協(xié)議應(yīng)盡可能的完善且清楚的描述出來(lái)。

（6）一致性。協(xié)議應(yīng)與飛機(jī)上其它目的的通信協(xié)議保持一致。

（7）適應(yīng)性。沒有要求完全重寫協(xié)議時(shí)，某種總線（例如，ARINC 629）的協(xié)議改進(jìn)應(yīng)與其它總線相適應(yīng)，例如ARINC 429、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）或以太網(wǎng)LAN。

21傳輸協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

協(xié)議各層，可以用構(gòu)成系統(tǒng)的層與層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的集合進(jìn)行描述。在數(shù)學(xué)上，對(duì)于分層后的系統(tǒng)S可描述為：

S={Li，Rs}（2-1）

S={L1，L2，L3，…，Li}（2-2）

RS={RS，1，2，RS，2，3…，RS，3，i}（2-3）

式中：S表示系統(tǒng)的分層集合；Li表示第i層；RS表示層與層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合；Rs，（i-1），i表示第（i-1）層和第i層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合。

數(shù)據(jù)傳輸層應(yīng)接收來(lái)自各個(gè)端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)CMCF與成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。這里采用UDP協(xié)議，UDP是一種無(wú)連接傳輸協(xié)議，從而這樣一臺(tái)主機(jī)可同時(shí)與多臺(tái)客戶機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)UDP協(xié)議通過端口號(hào)識(shí)別不同程序的數(shù)據(jù)傳輸通道，采用UDP協(xié)議編寫傳輸層的數(shù)據(jù)格式既符合CMCF的數(shù)據(jù)交互需求，又簡(jiǎn)化消息響應(yīng)機(jī)制。當(dāng)CMCF接收到成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)UDP數(shù)據(jù)報(bào)頭進(jìn)行解析，得到數(shù)據(jù)包的源端口、目的端口、報(bào)文長(zhǎng)度及校驗(yàn)值。在進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，將得到的有效數(shù)據(jù)通過端口號(hào)識(shí)別成員系統(tǒng)，并將UDP數(shù)據(jù)包送入對(duì)應(yīng)的編解碼層進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。當(dāng)CMCF需要向成員系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)送入緩存區(qū)，等待編解碼區(qū)完成對(duì)UDP數(shù)據(jù)的打包后送入傳輸層，由傳輸層再封裝并送往對(duì)應(yīng)的成員系統(tǒng)端口。在建立CMCF模型時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)傳輸層的數(shù)據(jù)流進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)到通信數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)對(duì)CMCF模型進(jìn)行分析調(diào)試。通信數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)內(nèi)容主要包括：接收（發(fā)送）數(shù)據(jù)時(shí)間、源地址IP、源端口號(hào)、目標(biāo)地址IP、目標(biāo)端口號(hào)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、UDP數(shù)據(jù)內(nèi)容。endprint

IP網(wǎng)絡(luò)層接收用戶數(shù)據(jù)電報(bào)協(xié)議數(shù)據(jù)包，通過與最大虛擬鏈路標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包Lmax比對(duì)，確定此數(shù)據(jù)包是否需要分段。接著添加IP報(bào)頭、消息等，以太網(wǎng)頭，并且在子虛擬鏈路隊(duì)列里，為以太網(wǎng)幀創(chuàng)建隊(duì)列。鏈路級(jí)負(fù)責(zé)調(diào)度用于傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀，添加虛擬鏈路序列號(hào)碼，并越過幀寫入到冗余管理單元，同時(shí)以太網(wǎng)源地址在傳輸幀的物理端口上進(jìn)行編號(hào)更新。AFDX數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議棧如圖2所示。數(shù)據(jù)存取，通過PushToBuffer（）函數(shù)將解碼信息存儲(chǔ)到采樣緩沖區(qū)，緩沖區(qū)存儲(chǔ)功能提供互斥訪問數(shù)據(jù)；通過PopFromBuffer （）函數(shù)將采樣緩沖區(qū)中的信息取出，緩沖區(qū)取出功能同樣提供互斥訪問數(shù)據(jù)。

AFDX數(shù)據(jù)接受協(xié)議棧如圖3所示。接收是發(fā)送的反過程。這一過程開始于一個(gè)以太網(wǎng)幀的接收，首先幀校驗(yàn)序列對(duì)它做正確性檢查。如果沒有錯(cuò)誤，幀校驗(yàn)序列退出檢查，AFDX幀進(jìn)行完整性檢查和冗余管理。最后數(shù)據(jù)包傳遞給IP網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)IP檢查值區(qū)域校驗(yàn)和用戶數(shù)據(jù)電報(bào)協(xié)議數(shù)據(jù)包重組。用戶數(shù)據(jù)電報(bào)協(xié)議數(shù)據(jù)包被傳遞給用戶數(shù)據(jù)電報(bào)傳輸層。

22通訊交互過程

以CMCF與成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互為例。按照通訊協(xié)議，CMCF與MS（MEMBER SYSTEM，成員系統(tǒng)）之間通訊，首先輸入測(cè)試ID，并確認(rèn)執(zhí)行測(cè)試，開始CMCF與成員系統(tǒng)之間的通信握手。CMCF先以廣播的方式發(fā)送HMPTT命令字，經(jīng)過一定時(shí)間響應(yīng)，開始進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)即Run Test狀態(tài)。相應(yīng)的成員系統(tǒng)收到廣播信息并與相應(yīng)編碼匹配，向CMCF發(fā)送請(qǐng)求信息，并自動(dòng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)即InTest狀態(tài)。接著CMCF向成員系統(tǒng)發(fā)送ACK確認(rèn)信息。

3測(cè)試

31網(wǎng)絡(luò)配置

按照以上的設(shè)計(jì)，在已裝好AFDX板卡的Techsat設(shè)備上對(duì)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行配置。設(shè)定機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)（CMCF）的IP地址為10.1.2.1，UDP端口號(hào)為61159，成員系統(tǒng)模擬組件IP地址為10.1.1.1，錯(cuò)誤檢查編碼ID為61159，虛擬鏈路物理地址為03：00：00：00：03：E8，通過CMCF對(duì)成員系統(tǒng)模擬組件發(fā)送飛機(jī)信息命令進(jìn)行測(cè)試。飛機(jī)信息發(fā)送周期為1000ms，飛行階段默認(rèn)靜態(tài)。

32測(cè)試過程

從以下三個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、高效性和可靠性。

CMCF的功能實(shí)現(xiàn)建立在與飛機(jī)成員系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)基礎(chǔ)之上，機(jī)載CMCF對(duì)成員系統(tǒng)模擬組件的變量設(shè)置最終經(jīng)數(shù)據(jù)編解碼生成AFDX數(shù)據(jù)幀，通過配置好的AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送。通過對(duì)監(jiān)控計(jì)算機(jī)抓取的AFDX數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行拆解分析，與CMCF發(fā)送的底層編碼進(jìn)行對(duì)比，可以判斷仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。

通過仿真系統(tǒng)對(duì)成員系統(tǒng)模擬組件發(fā)送飛機(jī)信息命令進(jìn)行發(fā)送測(cè)試。表1為發(fā)送的飛機(jī)信息，飛機(jī)信息發(fā)送周期為1000ms，飛行階段默認(rèn)靜態(tài)。對(duì)CMCF的AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，將監(jiān)控計(jì)算機(jī)和成員系統(tǒng)模擬組件通過AFDX交換機(jī)接入AFDX網(wǎng)絡(luò)，并通過專業(yè)的WFDX軟件計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)機(jī)載CMCF仿真系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取并分析，與原發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如表2為抓取的系統(tǒng)發(fā)送的部分AFDX數(shù)據(jù)包及解析結(jié)果，以及傳送時(shí)間有效性。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)狀態(tài)信息傳輸正常。

接著對(duì)飛機(jī)構(gòu)型信息進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3。對(duì)監(jiān)控計(jì)算機(jī)抓取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，其源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)、設(shè)備號(hào)、序列號(hào)以及解析出的有效載荷與CMCF發(fā)送數(shù)據(jù)一致，滿足測(cè)試要求，因此CMCF發(fā)送功能正常，能夠正常對(duì)AFDX數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行編碼和發(fā)送。

4結(jié)論

通過測(cè)試，對(duì)監(jiān)控計(jì)算機(jī)抓取的AFDX數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼后得到的絕對(duì)時(shí)間、相對(duì)時(shí)間、端口號(hào)、消息狀態(tài)、時(shí)間狀態(tài)、設(shè)備號(hào)、硬件號(hào)以及軟件狀態(tài)號(hào)等有效信息一致，滿足測(cè)試要求，因此模型有效并且符合符合ARINC624規(guī)范。

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