復雜構型無人機機載總線網(wǎng)絡仿真、監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

蔣渝 張娟 鄢強/航空工業(yè)成都飛機設計研究所

0 引言

近年來，在世界范圍內軍用無人機快速發(fā)展并大量投入使用，無人機在各種偵察、攻擊等軍事活動領域發(fā)揮了巨大的作用。

航空總線是航空器機載系統(tǒng)航電設備之間信息傳輸及信息共享的通道[1-2]，航電系統(tǒng)通過總線數(shù)據(jù)驅動[3]，各型無人機廣泛采用RS422 總線協(xié)議標準作為主要的航電系統(tǒng)機載航空總線數(shù)據(jù)通信協(xié)議。RS422 總線在地面試驗條件下的仿真、測試、數(shù)據(jù)監(jiān)控分析等成為了無人機領域的新的重要課題。

機載RS422 總線通信網(wǎng)絡構型復雜，通信節(jié)點眾多，其點對點的通信方式導致總線通道數(shù)目龐大，有時甚至達到100 路以上，網(wǎng)絡拓撲結構的復雜程度遠遠超過普通RS422 通信網(wǎng)絡。同時，機載設備的狀態(tài)更新往往導致總線網(wǎng)絡拓撲結構的頻繁變化，數(shù)據(jù)處理的實時性要求較高（最高周期10ms），且事件數(shù)據(jù)、周期數(shù)據(jù)混合使用，這些都給機載RS422 總線通信網(wǎng)絡的仿真和監(jiān)控帶來巨大的困難。

為此，設計和開發(fā)了一套基于復雜構型的無人機RS422 機載總線網(wǎng)絡仿真、監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計了一套開放的分布式總線仿真架構體系和柔性的軟件部署策略，解決了大規(guī)模點對點RS422 總線拓撲結構仿真的可實現(xiàn)性和系統(tǒng)靈活性之間的矛盾；該系統(tǒng)采用綜合的一體化設計，設計了一套完整的配套工具軟件，同時兼顧了成本較低、通用性強、設計新穎的特 點。

1 RS422 仿真、監(jiān)控系統(tǒng)介紹

1.1 試驗平臺簡介

圖1 所示為某型無人機航電系統(tǒng)地面試驗平臺結構圖。這是一個集機載設備地面支持、仿真、監(jiān)控、綜合、調試于一體的復雜的試驗系統(tǒng)?；赗S422的機載總線通信網(wǎng)絡構型復雜，通信節(jié)點眾多。

對于航電設備的仿真，目前通用的做法是直接用軟件代碼描述被仿真對象的行為和屬性等信息，再配合一些底層硬件實現(xiàn)對設備的仿真[4-5]。在本試驗平臺中，該功能是通過主仿真系統(tǒng)和RS422 總線仿真系統(tǒng)共同實現(xiàn) 的。

主仿真系統(tǒng)作為試驗平臺的仿真控制中心，對整個設施的仿真運行進行控制，各子系統(tǒng)設備的邏輯仿真模擬器也駐留于此；RS422 總線仿真系統(tǒng)用于對子系統(tǒng)的RS422 總線通信接口進行仿真，將邏輯仿真轉換為對子系統(tǒng)的物理仿真；RS422 總線接口控制文件 （ICD）[6-8]監(jiān)控系統(tǒng)對所有RS422 總線數(shù)據(jù)流進行監(jiān)控，以RS422 ICD 的格式對總線數(shù)據(jù)進行解析、顯示；前端采集/控制系統(tǒng)實時采集離散信號和模擬信號，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到主仿真系統(tǒng)進行處理，并能輸出控制信號，對相關設備進行控制；各激勵器為相應的子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)激勵。

1.2 仿真、監(jiān)控系統(tǒng)功能介紹

1）網(wǎng)絡拓撲結構

RS422 標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”[9]，收發(fā)各有兩根差分信號線，加上一根信號地線共5根線。由于接收器采用了高輸入阻抗，且發(fā)送驅動器比RS232 具有更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10 個節(jié)點，即一個主設備（Master），其余為從設備（Slave），從設備間不能通信，所以RS422 支持點對多的雙向通信。

根據(jù)RS422 信號的電氣特性，結合無人機航電系統(tǒng)自身特點，可將一條RS422 仿真、監(jiān)控線路設計成如圖2 所示的網(wǎng)絡拓撲結構。

圖1 某型無人機航電系統(tǒng)地面試驗平臺結構簡圖

由于一條RS422 傳輸線上只能有一個主設備，真實機載設備和總線仿真器不能同時掛在線路上，因此需使用信號切換設備對其進行切換，保證在同一時刻一條線路上只有一個主設備。而從設備可以連接多個，總線監(jiān)控器是被動的接收設備，因此將其直接連接在傳輸線路上不會對RS422 通信構成影響。

同時，根據(jù)協(xié)議，RS422 需要連接終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。但在短距離傳輸時可不需要終接電阻，即一般在300 米以下不需要終接電阻。而在無人機航電系統(tǒng)地面試驗平臺中，RS422 電纜的長度一般不超過20 米，因此不需要終接電阻。

圖2 只表示了一條RS422 線路的網(wǎng)絡拓撲結構，可以將無人機航電系統(tǒng)地面試驗平臺的總線仿真、監(jiān)控系統(tǒng)看成多個這種網(wǎng)絡拓撲結構的集合。由于每一條RS422 線路都相對獨立，因此可以方便地增加或減少節(jié)點的數(shù)量，而不會影響整個網(wǎng)絡的結構，從而在硬件上實現(xiàn)了開放式的結構和網(wǎng)絡的柔性部署，即適應了機載設備狀態(tài)更新導致的總線網(wǎng)絡拓撲結構的頻繁變化。

2）仿真系統(tǒng)

RS422 總線仿真軟件包是一個實時運行的專用軟件包，駐留在RS422 總線仿真系統(tǒng)的工控機中，運行于Windows操作系統(tǒng)，其主要功能模塊如圖3 所示。

a.節(jié)點配置：總線仿真軟件根據(jù)主仿真發(fā)布的仿真配置文件（節(jié)點號、子系統(tǒng)號）來配置節(jié)點，確認要仿真的子系統(tǒng)。

b.串口配置：總線仿真軟件根據(jù)主仿真發(fā)布的仿真配置文件（串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位）來自動配置串口。

c.多線程數(shù)據(jù)接收、發(fā)送：總線仿真軟件接收主仿真子系統(tǒng)模擬器和各個RS422 串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后按照給定的頻率上傳或下發(fā)到反射內存或RS422 總線。

d.數(shù)據(jù)處理：總線仿真軟件根據(jù)主仿真發(fā)布的仿真配置文件（幀頭、幀長、幀標志、校驗和）對數(shù)據(jù)進行斷幀處理，獲取完整幀信息，并進行完整性和重復性校驗，然后交由接收、發(fā)送模塊。

e.數(shù)據(jù)顯示、刷新：根據(jù)用戶選擇，總線仿真軟件將對應系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)幀動態(tài)顯示到界面相應位置并周期刷新。

3）監(jiān)控系統(tǒng)

RS422 總線ICD 監(jiān)控系統(tǒng)包括專用的RS422 總線ICD 監(jiān)控軟件包，運行于Windows 操作系統(tǒng)中，以及基于PC機的硬件系統(tǒng)，其主要功能模塊如圖4所示。

a. ICD 及配置文件載入：ICD 文件是由ICD 數(shù)據(jù)管理軟件生成的，該軟件將所有的ICD 信息自動生成為_S.dat（子系統(tǒng)）、_B.dat（塊）、_F.dat（域）三個文件，供主仿真軟件和監(jiān)控軟件載入；同時，監(jiān)控軟件還需要載入由節(jié)點配置工具生成的HardwareOption.ini 文件，該文件含有節(jié)點及各串口的配置信息。

b. 串口配置：讀取串口配置信息，初始化串口信息，并且初始化各個ICD_BLOCK 中的串口配置信息索引，用于靈活配置各個塊的串口信息，并且依照配置信息在各個串口斷幀線程中進行斷幀處理。

c.監(jiān)控消息選擇：監(jiān)控軟件在子界面中顯示所有可監(jiān)控的信號（從ICD 文件中載入），用戶可完成需要監(jiān)控的系統(tǒng)、塊以及信號的三級選擇。

d.多線程數(shù)據(jù)接收：監(jiān)控軟件可同時接收航電系統(tǒng)各個RS422 串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并將用戶選擇的監(jiān)控消息的串口通道的數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)處理與解析模塊。

圖2 RS422仿真、監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結構

圖3 RS422接口仿真軟件功能模塊

圖4 RS422監(jiān)控軟件功能模塊

e.數(shù)據(jù)處理與解析：監(jiān)控軟件根據(jù)HardwareOption.ini 文件對數(shù)據(jù)進行斷幀處理，獲取完整幀信息，進行完整性、重復性的校驗，并根據(jù)ICD 文件中的信息進行解析，將數(shù)據(jù)翻譯成具有實際意義的可讀信息。

f.界面顯示與刷新：監(jiān)控軟件根據(jù)用戶的選擇，對各個通道進行監(jiān)控后，篩選出每個串口中用于解析的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)數(shù)據(jù)處理與解析，在主界面中的指定位置定時刷新與顯示對應的幀數(shù)據(jù)。

g.數(shù)據(jù)文件記錄：監(jiān)控軟件根據(jù)用戶的選擇，對指定通道的指定信息進行記錄，生成文檔文件，并存儲在指定的文件夾中。

h.記錄文件讀取與回放：監(jiān)控軟件可以對記錄后生成的記錄文件進行讀取，提取其中的信息，并回放當前文件記錄的對應塊的數(shù)據(jù)幀，對該塊的任意三個信號或離散域進行數(shù)據(jù)分析曲線與動態(tài)曲線的繪制。

1.3 仿真、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

圖5 所示為RS422 總線仿真、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流。

航電主仿真軟件在初始化過程中載入由節(jié)點配置工具生成的含整個總線仿真系統(tǒng)所有節(jié)點及各串口配置信息的HardwareOption.ini 文件和由ICD 數(shù)據(jù)管理軟件生成的含所有ICD 信息的ICD文件，并在用戶選定任務配置后自動將當前系統(tǒng)運行的RS422 總線配置ICD數(shù)據(jù)發(fā)送給總線仿真系統(tǒng)。

在完成操作系統(tǒng)的啟動后，RS422總線仿真軟件自動開始運行，并進入等待主仿真計算機通信和控制狀態(tài)，當收到主仿真的配置信息和控制命令后，根據(jù)該配置自動選擇總線仿真卡的工作模式。

在收到主仿真的啟動命令后，RS422 總線仿真軟件開始工作，通過總線仿真卡對各真實子系統(tǒng)輸出的RS422總線信號進行實時采集和數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)實時網(wǎng)絡發(fā)送給主仿真計算機中的相關子系統(tǒng)軟件模擬器；通過實時網(wǎng)絡接收主仿真計算機中相關子系統(tǒng)軟件模擬器輸出的仿真數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，并經(jīng)過總線仿真卡轉換為RS422 信號，發(fā)送給其他子系統(tǒng)[10]。

RS422 總線ICD 監(jiān)控軟件包是一個不依賴于試驗設施而獨立運行的專用軟件包，在完成操作系統(tǒng)的啟動后，RS422 總線ICD 監(jiān)控軟件載入ICD 文件及配置文件并自動開始運行，用戶通過菜單操作，選擇某條RS422 總線數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，或同時對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行實時文件的記錄。

2 關鍵技術及創(chuàng)新點

在滿足航電數(shù)據(jù)仿真的實時性和可靠性的基礎上，復雜構型的無人機RS422 機載總線網(wǎng)絡仿真、監(jiān)控系統(tǒng)還具有以下關鍵技術和創(chuàng)新點。

1）設計了一套開放的分布式總線仿真架構體系和柔性的軟件部署策略，如圖6 所示。RS422 機載總線網(wǎng)絡仿真、監(jiān)控系統(tǒng)可支持總線仿真模塊節(jié)點的動態(tài)部署；支持航電子系統(tǒng)數(shù)目的動態(tài)調整；支持通信ICD 數(shù)據(jù)格式和內容的版本自動升級；支持仿真網(wǎng)絡拓撲結構的改進和重構。該架構具有模塊化、可擴展性強、組態(tài)靈活、可靠性高等優(yōu)點，解決了大規(guī)模點對點RS422 總線網(wǎng)絡通信仿真的可實現(xiàn)性和系統(tǒng)靈活性之間的矛盾。

圖5 RS422仿真、監(jiān)控數(shù)據(jù)流

圖6 仿真模塊節(jié)點配置

2）采用綜合的一體化設計，集成了ICD 數(shù)據(jù)管理、總線仿真網(wǎng)絡拓撲構型設計、仿真數(shù)據(jù)鏈路層拓撲構型設計管理、總線數(shù)據(jù)仿真/監(jiān)控通道管理、仿真配置數(shù)據(jù)發(fā)布等技術和方法，設計了一套完整的配套工具軟件，為任意的大規(guī)模RS422 網(wǎng)絡仿真、監(jiān)控提供了一套完整的解決方案。

3）設計了一套鏈路層數(shù)據(jù)發(fā)布、更新和管理機制。通過自研的鏈路層數(shù)據(jù)通信管理軟件，設計了一套基于高速光纖網(wǎng)絡或高速以太網(wǎng)的虛擬通信鏈路，實現(xiàn)了鏈路層數(shù)據(jù)流的重定向，從而支持了仿真節(jié)點和仿真拓撲結構的柔性部署。

4）多線程的結構。如圖7 所示，為每個RS422 通道創(chuàng)建一個接收線程，統(tǒng)一的發(fā)送線程以及獨立的界面刷新線程，當有大量數(shù)據(jù)收發(fā)時，解決了系統(tǒng)反應遲鈍、實時性低的問題。

5）事件通知的機制。在運行時態(tài)，程序實時自動修改各串口接收數(shù)據(jù)事件通知的閾值，提高了對不定長、多邏輯塊、事件/周期總線數(shù)據(jù)的響應實時性。

圖7 總線仿真軟件的多線程結構

6）在充分總結和吸收以往各版本ICD 監(jiān)控、仿真軟件優(yōu)缺點的基礎上，改進/增加了數(shù)據(jù)分析、篩選功能和方法；優(yōu)化了人機交互界面，采用界面、配置分離的軟件設計思想，對任意的ICD 庫和總線拓撲結構都能夠提供一套完整、統(tǒng)一的操作使用方法和較為完善的數(shù)據(jù)分析手段。

3 工程實施效果及推廣應用情況

無人機機載總線網(wǎng)絡仿真與總線網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)模擬無人機機載總線網(wǎng)絡，在地面試驗環(huán)境下提供航電系統(tǒng)機載設備的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)的監(jiān)控、分析功能，是航電系統(tǒng)設計、作戰(zhàn)飛行程序軟件開發(fā)、航電系統(tǒng)綜合及航電系統(tǒng)各設備后期升級/維護的重要試驗設施，是航電系統(tǒng)仿真與綜合試驗室的核心部分，支撐著航電系統(tǒng)及其相關子系統(tǒng)的地面仿真實現(xiàn)。

該總線仿真、監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在多個無人機航電系統(tǒng)地面綜合試驗中得到應用，使用結果表明：

1）系統(tǒng)實時性指標完全滿足航電系統(tǒng)綜合試驗的要求。

2）系統(tǒng)完全實現(xiàn)了要求具備的各項仿真與監(jiān)控功能。

3）系統(tǒng)適應了航電系統(tǒng)狀態(tài)不斷迭代、系統(tǒng)經(jīng)常更新的特點，具有良好的開放性和快速升級能力。

4）系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、可維護性強。

同時，該系統(tǒng)還具有成本低、通用性強、設計新穎的特點，具有良好的推廣應用價值和軍事、經(jīng)濟效益。

4 結束語

復雜構型的無人機RS422 機載總線網(wǎng)絡仿真、監(jiān)控系統(tǒng)是國內同類平臺中綜合化程度較高、功能較全、成本比較低的RS422 總線仿真試驗平臺，已成功應用于多個無人機，在地面試驗環(huán)境下為航電系統(tǒng)綜合試驗及航電系統(tǒng)的升 級/維護/排故提供了可靠的總線仿真、監(jiān)控和分析手段。基于該系統(tǒng)相關開發(fā)方法申請的國防專利“一種航電系統(tǒng)改進RS422 總線協(xié)議仿真的自適應方法”已獲得授權，該平臺可推廣應用到其他無人機及有人機的航電系統(tǒng)仿真與綜合試驗室中，對類似的仿真、監(jiān)控系統(tǒng)的設計開發(fā)也具有一定的借鑒意義。