基于PXI 總線和反射內(nèi)存網(wǎng)的接口測試系統(tǒng)設(shè)計

文/劉賢敏 周章勇（國營蕪湖機(jī)械廠）

某飛控仿真系統(tǒng)主要完成飛控系統(tǒng)相關(guān)部件的總裝前檢測，并支持操作員訓(xùn)練或試飛過程中系統(tǒng)故障的再現(xiàn)及排故驗(yàn)證。該飛控仿真系統(tǒng)包含兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑喝珨?shù)字仿真實(shí)驗(yàn)和半物理閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)這兩種模式，需設(shè)計接口測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛控仿真系統(tǒng)信號在不同設(shè)備之間的切換、通斷和轉(zhuǎn)接。

飛控系統(tǒng)為強(qiáng)實(shí)時系統(tǒng)，反射內(nèi)存網(wǎng)具有傳輸確定性、傳輸延遲穩(wěn)定性、可靠性、支持跨平臺的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)時系統(tǒng)中運(yùn)用較多。PXI 總線檢測系統(tǒng)由于其開放的架構(gòu)和成熟的體系，使測試系統(tǒng)的構(gòu)建能采用最先進(jìn)商業(yè)化的硬件和軟件技術(shù)，成為目前一種主流的測量和自動化系統(tǒng)運(yùn)載平臺。PXI 總線檢測系統(tǒng)和反射內(nèi)存網(wǎng)組合可滿足飛控仿真系統(tǒng)可擴(kuò)展性和實(shí)時性。

本文提出了基于PXI 總線和反射內(nèi)存網(wǎng)構(gòu)建接口測試系統(tǒng)的方法，以解決在實(shí)時狀態(tài)下的信號管理問題。接口測試系統(tǒng)采用PXI 總線架構(gòu)，上下位機(jī)布置，并用Lab-ViewRT 作為下位機(jī)的實(shí)時操作系統(tǒng)，通過GE-5565 反射內(nèi)存卡構(gòu)建的實(shí)時網(wǎng)與仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

一、系統(tǒng)整體方案設(shè)計

某型機(jī)飛控仿真系統(tǒng)包含駕駛員操作裝置（PCU 傳感器、開關(guān)信號）、飛控系統(tǒng)成品、飛控仿真系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、電傳試驗(yàn)器（電傳計算機(jī)）、伺服作動器等。飛控仿真系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)交聯(lián)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 飛控仿真系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)交聯(lián)關(guān)系

該系統(tǒng)包含兩種模式，全數(shù)字仿真試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，接口測試系統(tǒng)采集駕駛員操作裝置（模擬量和離散量）轉(zhuǎn)化成反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)，供給飛控仿真系統(tǒng)（飛控控制律）和飛行仿真系統(tǒng)（飛機(jī)仿真）使用。

半物理仿真下，駕駛桿等人機(jī)交互信息可通過真實(shí)機(jī)載設(shè)備發(fā)出，經(jīng)電傳試驗(yàn)器（電傳計算機(jī)）到伺服系統(tǒng)；或經(jīng)反射內(nèi)存網(wǎng)軟件數(shù)據(jù)注入方式，經(jīng)接口測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模擬量、總線數(shù)據(jù)供電傳試驗(yàn)器（電傳計算機(jī)）、伺服系統(tǒng)使用。

接口測試系統(tǒng)功能需求如下：

傳感器信號的采集功能。傳感器主要包含駕駛桿傳感器、油門、角位置傳感器等，該類信號一般為模擬量。

仿真信號的生成和注入功能。飛控系統(tǒng)與航電系統(tǒng)有大量的信號交聯(lián)，本實(shí)驗(yàn)臺針對航電系統(tǒng)的各類信號進(jìn)行仿真，該類信號一般為總線數(shù)據(jù)。

仿真機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間的切換功能。系統(tǒng)具有全數(shù)字仿真模式和半物理仿真模式，兩個模式切換，信號源也隨之改變，需同步切換。

各類信號數(shù)據(jù)的并發(fā)控制和通信。接口測試系統(tǒng)處理的信號有總線數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)、離散量數(shù)據(jù)等，涉及的設(shè)備有激勵器設(shè)備、傳感器、電傳試驗(yàn)器等。各類設(shè)備的通信方式不一樣，因此需要對各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和通信。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，接口測試系統(tǒng)將信號分為總線數(shù)據(jù)和非總線數(shù)據(jù)。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信號的配置、監(jiān)控和注入。兩個下位機(jī)，一個負(fù)責(zé)非總線數(shù)據(jù)的處理，一個負(fù)責(zé)總線數(shù)據(jù)的處理。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時性，通過GE-5565 反射內(nèi)存卡構(gòu)建的實(shí)時網(wǎng)與仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

接口測試系統(tǒng)由一臺上位機(jī)和兩臺下位機(jī)（NI 工控機(jī)）組成，上、下位機(jī)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)分為總線數(shù)據(jù)下位機(jī)和非總線數(shù)據(jù)下位機(jī)。

接口測試系統(tǒng)核心為信號的處理，該系統(tǒng)信號具體可分為傳感器檢測模塊、伺服系統(tǒng)模塊、顯示控制模塊和綜合檢測模塊四個模塊。進(jìn)一步分析各個模塊，發(fā)現(xiàn)各個模塊中主要含直流、交流、離散量和總線量。具體見表1。

表1 接口測試系統(tǒng)信號一覽表（單位：個）

數(shù)據(jù)分析、接口測試系統(tǒng)需要處理的信號有離散量、直流量、總線量。電傳系統(tǒng)部分傳感器為4 余度，根據(jù)信號的數(shù)量可以梳理硬件的需求。

非總線下位機(jī)，主要由PIORC5565 反射內(nèi)存卡、PXI-6251 多功能卡、PXI-1044 控制器、PXI-6733 高速模擬輸出卡、PXI-4462 交流采集卡和PXI-8110 控制器構(gòu)成，主要完成PCU信號的采集、飛機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)時網(wǎng)（反射內(nèi)存網(wǎng)）之間的交互，并將實(shí)時網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為模擬量輸出給電傳試驗(yàn)器?？偩€下位機(jī)主要有PXI-8431 串口通信板卡、PXI-8110 控制器、PIORC5565 反射內(nèi)存卡、PXI-ARINC 429（429 板卡）和PXI-MIL-STD-1553 多功能1553 板卡，主要完成飛控系統(tǒng)與外系統(tǒng)交聯(lián)數(shù)據(jù)的仿真、實(shí)時網(wǎng)數(shù)據(jù)與飛控仿真數(shù)據(jù)交互。硬件框圖如圖2 所示。

圖2 接口測試系統(tǒng)硬件圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本接口測試系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)運(yùn)用軟件、總線下位機(jī)應(yīng)用軟件和非總線下位機(jī)應(yīng)用軟件。為方便各類信號的格式通信轉(zhuǎn)化，上位機(jī)將ICD通過XML文件描述。上下位機(jī)軟件均基于LabView平臺開發(fā)，運(yùn)行在Windows 操作系統(tǒng)中，下位機(jī)運(yùn)行在LabViewRT實(shí)時操作系統(tǒng)中。當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時，由試驗(yàn)人員將執(zhí)行程序裝至下位機(jī)，執(zhí)行程序在LabViewRT實(shí)時操作系統(tǒng)中實(shí)時運(yùn)行。

1.非總線數(shù)據(jù)

非總線數(shù)據(jù)主要包含直流信號、交流信號和離散量信號，主要有三個功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)與反射內(nèi)存網(wǎng)交互和反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量發(fā)送給電傳試驗(yàn)器。

上位機(jī)完成與下位機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)相關(guān)的配置、控制信息的設(shè)置，信息通過XML 文件傳遞給下位機(jī)、同時獲取監(jiān)控和顯示所需的數(shù)據(jù)信息。下位機(jī)啟動PXI 類的接口控制程序，完成數(shù)據(jù)收發(fā)工作。并在時序的控制下，將收發(fā)數(shù)據(jù)寫入指定的監(jiān)控數(shù)組。軟件流程如圖3 所示。

圖3 非總線數(shù)據(jù)流程

2.總線數(shù)據(jù)

總線數(shù)據(jù)接口處理主要包含數(shù)據(jù)仿真和數(shù)據(jù)以429、1553B協(xié)議發(fā)送給電傳試驗(yàn)器兩個功能。上位機(jī)完成總線仿真數(shù)據(jù)的配置，并將配置傳遞到下位機(jī)，總線下位機(jī)利用獲取的配置文件和控制數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的總線卡控制程序，啟動相應(yīng)總線數(shù)據(jù)收發(fā)控制；在時序控制等下位機(jī)公共程序的協(xié)同下，總線和非總線下位機(jī)完成數(shù)據(jù)同實(shí)時網(wǎng)的交互，完成數(shù)據(jù)通過板卡與外部設(shè)備的交互，并利用監(jiān)控模塊生成監(jiān)控數(shù)據(jù)，軟件流程如圖4 所示。

圖4 實(shí)時操作系統(tǒng)流程

3.反射內(nèi)存網(wǎng)

本接口測試系統(tǒng)作為飛控仿真系統(tǒng)的一個重要組成部分，是整個網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用GE 公司的VMIC-5565 搭建反射內(nèi)存網(wǎng)。該板卡的特點(diǎn)為2.12 G串行波特率、更佳的可編程IO(PIO)讀取性能。反射內(nèi)存網(wǎng)可擴(kuò)展到256 個節(jié)點(diǎn)，有兩個獨(dú)立直接內(nèi)存存?。―irect Memory Access，DMA）通道，通過簡單的命令，網(wǎng)上任何節(jié)點(diǎn)可以對其他或所有網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生中斷。

軟件使用LabView，接口測試系統(tǒng)中包含上位機(jī)和兩個下位機(jī)。反射內(nèi)存通信載體PIORC5565 提供了完整的底層驅(qū)動程序，包含GE5565 OPEN、GE5565 PEAK、GE5565 POKE、GE5565 READ、GE5565 WRITE 等。為保證接口測試系統(tǒng)的實(shí)時性，本系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一的時序管理和時間分配，實(shí)現(xiàn)了以1 ms 為基本單位的多周期協(xié)同控制。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本接口測試系統(tǒng)完成了模擬數(shù)據(jù)、開關(guān)數(shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間的切換、通斷和轉(zhuǎn)換。為滿足仿真系統(tǒng)的實(shí)時性，系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)采集周期為1 ms，429 總線傳輸周期選擇5 ms，1553B總線傳輸周期為50 ms。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能較好地滿足飛控系統(tǒng)全物理仿真和半物理仿真實(shí)驗(yàn)需求，同時支持傳感器等飛行參數(shù)的軟件注入，相比傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)真實(shí)傳感器輸入，提高了實(shí)驗(yàn)的效率。

五、結(jié)語

本接口測試系統(tǒng)涉及大量信號采集、切換、通斷和控制。數(shù)據(jù)信號來源有PCU傳感器、飛控系統(tǒng)的成品、飛行仿真系統(tǒng)仿真和飛控試驗(yàn)器。數(shù)據(jù)的類型有模擬、數(shù)字、總線等。為實(shí)現(xiàn)眾多信號的管理，系統(tǒng)硬件設(shè)計采用PXI 總線架構(gòu)和上下位機(jī)設(shè)置，而基于LabViewRT實(shí)時操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計和反射內(nèi)存卡構(gòu)建的實(shí)時網(wǎng)也最大限度地保證了飛控仿真系統(tǒng)的實(shí)時性。