一種基于AFDX 網(wǎng)絡(luò)與MATLAB 的系統(tǒng)仿真平臺(tái)

杜文亮 張彬 航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

航空電子系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱航電系統(tǒng)，它的仿真驗(yàn)證是飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過航電系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證可大大縮短研制周期并降低整個(gè)航電系統(tǒng)集成的風(fēng)險(xiǎn)和成本。AFDX 網(wǎng)絡(luò)以其高實(shí)時(shí)、高安全、高可靠和低延時(shí)的特點(diǎn)，滿足航電系統(tǒng)對(duì)健壯性、兼容性和可擴(kuò)展性的要求，成為目前機(jī)載領(lǐng)域較先進(jìn)的航空電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)。

AFDX 網(wǎng)絡(luò)由端系統(tǒng)(End System，ES)、交換機(jī)(Switch)、鏈路(Link) 組成，采用雙冗余星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端之間通過虛鏈路交換數(shù)據(jù)，虛鏈路(Virtual Link ，VL) 定義了一條消息的源地址和目的地址，其中源地址只有一個(gè)，每一個(gè)虛鏈路都有自己的帶寬。虛鏈路是AFDX 網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)，在系統(tǒng)中端系統(tǒng)通過虛鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的交換。AFDX 網(wǎng)絡(luò)采用全雙工交換機(jī)、異步傳輸模式等方法來減少總線競(jìng)爭(zhēng)，通過靜態(tài)配置以達(dá)到確定性要求。

AFDX 作為新型航空總線技術(shù)，已經(jīng)在空客A380 和400M、波音787 等飛機(jī)上得到成功應(yīng)用，是國(guó)際公認(rèn)的新一代飛機(jī)首選通信網(wǎng)絡(luò)。AFDX 網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著飛機(jī)航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)航電系統(tǒng)的功能，因此，必須在對(duì)AFDX 網(wǎng)絡(luò)功能和性能進(jìn)行全面的驗(yàn)證測(cè)試后才能將其投入工程應(yīng)用。

為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)需求，新一代戰(zhàn)機(jī)航空電子系統(tǒng)中具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器是必需配備的。多接口、高速率、移動(dòng)化的遠(yuǎn)距離戰(zhàn)斗通信系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)帶來大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，而后臺(tái)服務(wù)器常常需要對(duì)這些收集到的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)值化、圖形化仿真分析。實(shí)際工程中，通常通過純軟件的靜態(tài)方式來實(shí)現(xiàn)控制子系統(tǒng)中被控對(duì)象的模擬仿真，但這種仿真方法實(shí)時(shí)性較差，并沒有與實(shí)際控制子系統(tǒng)相連接，即沒有實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地通過實(shí)際交互接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程有一定的差距，其仿真分析結(jié)果也存的較大差異。為了解決這一問題，本文提出了一種基于AFDX 網(wǎng)絡(luò)與MATLAB 的系仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)，以UDP 通信協(xié)議為基礎(chǔ)，通過AFDX 技術(shù)和MATLAB 仿真接口平臺(tái)，模型見圖1，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器（被控對(duì)象）與后臺(tái)服務(wù)器之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的交互、處理、和圖形化仿真平臺(tái)，從而有效地完成了遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)的研究分析，為前后方戰(zhàn)略決策提供及時(shí)有效的數(shù)據(jù)化支撐。

圖1 基于AFDX 網(wǎng)絡(luò)與MATLAB 的上行數(shù)據(jù)分析平臺(tái)模型

1 組建AFDX 網(wǎng)絡(luò)通信端系統(tǒng)

AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)是AFDX網(wǎng)絡(luò)與航電系統(tǒng)之間的接口部件，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，可以進(jìn)行虛鏈路（VL）隔離、發(fā)送端流量整形、接收端冗余數(shù)據(jù)管理、接收端VL 標(biāo)號(hào)識(shí)別、完整性檢測(cè)等操作。AFDX 網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)通過AFDX 交換機(jī)進(jìn)行連接，為各宿主機(jī)提供高速、可靠的數(shù)據(jù)通信。

端系統(tǒng)是AFDX 中非常重要的一部分， 它在航空子系統(tǒng)和交換網(wǎng)絡(luò)之間起到橋梁的作用。負(fù)責(zé)將航空子系統(tǒng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行整形， 然后按照一定的端系統(tǒng)調(diào)度算法將整形完的數(shù)據(jù)幀經(jīng)相應(yīng)的VL 發(fā)往目的終端，它還有一個(gè)重要的功能：冗余管理，它的作用是保證傳輸?shù)目煽啃浴FDX 端系統(tǒng)從上至下由應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層和媒體訪問控制層組成。

根據(jù)ARINC653 航空電子應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)接口, 本文中AFDX通信端系統(tǒng)選用采樣端口。上位PC 機(jī)安裝AFDX 端系統(tǒng)板卡、VC++及Matlab/ Simulink 環(huán)境后。在服務(wù)端VC++開發(fā)環(huán)境中，使用本文平臺(tái)中上層應(yīng)用程序，加載配置、創(chuàng)建端口和端口發(fā)送/接收，實(shí)現(xiàn)上位PC 機(jī)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器之間AFDX 通訊鏈路，然后上層應(yīng)用程序調(diào)用socket()建立網(wǎng)絡(luò)套接字，并將Socket 和本地IP 和UDP 端口進(jìn)行綁定，完成服務(wù)端UDP 發(fā)送/接收操作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)AFDX 網(wǎng)絡(luò)與Matlab/ Simulink 仿真平臺(tái)之間的通信。

2 建立MATLAB 仿真平臺(tái)

在客戶端Matlab/ Simulink 開發(fā)環(huán)境中，創(chuàng)建客戶端UDP發(fā)送/接收模塊，終端地址、端口的設(shè)置要與AFDX 網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)的IP 地址、端口的設(shè)置一致，這就為客戶端UDP 發(fā)送/接收模塊指定了要通信的地址，即完成了發(fā)送/接收模塊客戶端UDP 的相關(guān)配置，也就完成了AFDX 網(wǎng)絡(luò)與Matlab 之間通信任務(wù)的搭建。MATLB 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)見圖2。

圖2 基于AFDX 網(wǎng)絡(luò)與MATLAB 的下行激勵(lì)控制平臺(tái)

3 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)及擴(kuò)展

用戶根接客戶端UDP 所接收到遠(yuǎn)程被控對(duì)象數(shù)據(jù)的類型，在Matlab/ Simulink 中建立相應(yīng)的可視化數(shù)學(xué)模型，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的仿真分析研究，同時(shí)也可通過本文提出的仿真平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程被控對(duì)象進(jìn)行指令控制,使得遠(yuǎn)程被控對(duì)象按照預(yù)定的程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)下行激勵(lì)控制平臺(tái)智能化控制和上行數(shù)據(jù)分析平臺(tái)實(shí)時(shí)連續(xù)的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)仿真。

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同應(yīng)用系統(tǒng)及地面測(cè)試設(shè)備等對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)需求，可對(duì)本文提出的仿真平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)充或裁剪，便于研究工作的延續(xù)。