機(jī)載數(shù)據(jù)總線分布式測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚鋒剛

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 人工智能學(xué)院， 陜西， 西安 710089)

0 引言

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)上各類機(jī)載設(shè)備逐漸多樣化且更加復(fù)雜，大量數(shù)據(jù)需要在設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及運(yùn)算，對(duì)設(shè)備的可靠性、通信的穩(wěn)定性以及分布式控制都提出了新的挑戰(zhàn)。機(jī)載設(shè)備間存在多種數(shù)據(jù)總線共存的情況，多總線融合技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了多平臺(tái)的統(tǒng)一應(yīng)用，在這種背景下，研究分布式測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)及性能指標(biāo)勢(shì)在必行。

1 核心技術(shù)

1.1 航空總線技術(shù)

航空系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的普及使得總線技術(shù)得到了推廣?？偩€技術(shù)是從工程的角度在整體上對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過多路數(shù)據(jù)傳輸總線構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與共享。目前總線技術(shù)已成為飛機(jī)的一大特色，其中應(yīng)用最為廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾類。

(1)CAN：CAN(Controller Area Network)總線已經(jīng)被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，在國際上應(yīng)用最為廣泛，具有高可靠性以及高錯(cuò)誤檢測(cè)能力。

(2)RS232/RS422：RS232標(biāo)準(zhǔn)由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定，相對(duì)來說傳輸距離不高，演進(jìn)出來的RS422采用單獨(dú)收發(fā)信道，降低噪聲干擾，傳輸速率較高，傳輸距離更遠(yuǎn)。

(3)MIL-STD-1553B：該總線為美國軍用標(biāo)準(zhǔn)，利用曼徹斯特碼通過雙絞線進(jìn)行傳輸，可以掛接控制器、監(jiān)視器、遠(yuǎn)程終端。具有速度快、通信效率高、擴(kuò)展及維護(hù)方便的特點(diǎn)，冗余容錯(cuò)能力使系統(tǒng)可靠性大幅提高[1]。

(4)ARINC429:該總線由美國航空電子工程委員會(huì)提出，在各類民用飛機(jī)應(yīng)用廣泛，由于非集中控制，可靠性較高，且性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的抗干擾能力。

1.2 以太網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)是目前局域網(wǎng)中通用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，屬于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它將所有計(jì)算機(jī)相連，通過廣播在無源介質(zhì)實(shí)現(xiàn)消息傳遞，主要包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、萬兆以太網(wǎng)，具有可移植、低成本、易維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)、傳輸效率高的特性。實(shí)時(shí)性與可靠性不僅可以滿足各類控制要求，還為系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能，因此選擇以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)場總線。

2 基于以太網(wǎng)的多總線融合器

由于飛機(jī)上存在不同的機(jī)載設(shè)備，使用的數(shù)據(jù)總線、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及接口各不相同，不同總線技術(shù)的功能和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)也不相同，為了適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，將多種總線融合起來，實(shí)現(xiàn)信息共享。

2.1 數(shù)據(jù)幀格式

以太網(wǎng)包括4種不同的格式幀，每一種格式都存在8個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)字符，其中,前7個(gè)為前同步碼，后1個(gè)為起始標(biāo)識(shí)符[2]。在多總線融合器的設(shè)計(jì)過程中采用EthernetⅡ格式，利用幀頭和幀尾中的字段實(shí)現(xiàn)總線類型標(biāo)記。將不同的總線協(xié)議映射到幀之中的數(shù)據(jù)域，如表1所示。根據(jù)幀頭判斷總線類型，根據(jù)幀尾判斷該數(shù)據(jù)幀是否結(jié)束。

表1 多種總線幀頭幀尾映射關(guān)系

2.2 多總線融合器

曼徹斯特編碼是以太網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的信道編碼，具有自動(dòng)同步能力，其實(shí)現(xiàn)原理為在信號(hào)流中加入時(shí)鐘，將時(shí)鐘信號(hào)一并進(jìn)行傳輸，具有極強(qiáng)的抗干擾性，因此選用曼徹斯特編碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼與解碼后，加上幀頭、幀尾組成完整的總線數(shù)據(jù)格式，傳輸至相應(yīng)系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)多總線的融合。過程如圖1所示。

圖1 基于以太網(wǎng)的多總線融合

3 機(jī)載數(shù)據(jù)總線分布式測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 整體架構(gòu)

機(jī)載數(shù)據(jù)總線分布式測(cè)試系統(tǒng)在整體架構(gòu)上包括多總線融合器、分布式控制中心、分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)。整體架構(gòu)如圖2所示。

(1)多總線融合器：由各類總線通信標(biāo)準(zhǔn)的接口組成，實(shí)現(xiàn)多總線融合。

(2)分布式控制中心：利用工業(yè)用計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)板卡實(shí)現(xiàn)。可連接單個(gè)或多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式控制[3]。

(3)分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)：控制節(jié)點(diǎn)下可連接單個(gè)或多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)執(zhí)行具體控制命令。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)接口包括MAC層、物理層。由于分布式測(cè)試系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性有較高要求，鑒于以下優(yōu)點(diǎn)MAC層采用C6472控制器，物理層采用DP83865芯片。

(1)MAC層：C6472集成了EMAC(以太網(wǎng)控制器)、MDIO(輸入輸出管理器)2個(gè)部分。EMAC負(fù)責(zé)處理器到物理層的數(shù)據(jù)包，全雙供千兆操作，支持RMⅡ、RGMⅡ、S3MⅡ三種芯片接口。

(2)物理層：DP83865芯片集成了PMD子層，功耗低，利用發(fā)送器與雙絞線直接接觸。兼容性高、可編程GMⅡ管腳，支持自動(dòng)協(xié)商及檢測(cè)。

3.2.2 IO輸入輸出模塊

IO量采集主要由FPGA芯片和電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，通過電平轉(zhuǎn)換電路將地/空信號(hào)或28 V/地信號(hào)等轉(zhuǎn)換為FPGA可識(shí)別的電平信號(hào)。IO量輸出主要由繼電器、FPGA芯片和電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，繼電器將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為地/空信號(hào)或28 V/地信號(hào)[4]。

3.2.3 雙DSP測(cè)試模塊

雙DSP測(cè)試模塊由2個(gè)DSP芯片和FPGA芯片組成，其中，DSP芯片采用C6714，DSP1作為工作通道接收數(shù)據(jù)并輸出IO量，DSP2作為監(jiān)控通道完成輸出信號(hào)回采并監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)信息共享，利用硬線連接實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。

3.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

分布式測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分主要包括分布式測(cè)試控制中心以及分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)2部分，機(jī)載數(shù)據(jù)總線分布式測(cè)試系統(tǒng)屬于大型測(cè)試系統(tǒng)，要求系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、移植性好。因此選用Delphi開發(fā)平臺(tái)，利用其VCL應(yīng)用框架實(shí)現(xiàn)編譯及連接速度的提升。

3.3.1 分布式控制中心

分布式控制中心需同時(shí)處理多項(xiàng)事務(wù)，因此需創(chuàng)建多線程，利用Delphi總VCL線程類TThread進(jìn)行創(chuàng)建，利用線程函數(shù)Execute作為派生出來的抽象方法，利用Synchronize方法實(shí)現(xiàn)同步操作。分布式控制中心采用SQL數(shù)據(jù)庫，通過ADO組件實(shí)現(xiàn)操作，利用ADOConnection實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接，利用ADOQuery實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的增刪改查操作[5]。分布式控制中心的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)功能測(cè)試和系統(tǒng)維護(hù)，功能測(cè)試包括各類設(shè)備的測(cè)試參數(shù)配置，采集性能數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)范圍比較，解析采集到的數(shù)據(jù)判斷是否存在故障，可視化展示狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)結(jié)果；系統(tǒng)維護(hù)包括用戶管理以及操作日志記錄。

3.3.2 分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)

分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集控制節(jié)點(diǎn)輸出的信號(hào)，經(jīng)過各類測(cè)試后再將結(jié)果返回控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。工作流程如圖3所示。

圖3 分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)工作流程

(1)仿真模塊：利用實(shí)際對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)控制指令計(jì)算仿真結(jié)果并輸出結(jié)果給控制節(jié)點(diǎn)。

(2)測(cè)試模塊：根據(jù)控制中心的測(cè)試要求判斷故障信號(hào)的疊加時(shí)間及大小。

(3)同步模塊：實(shí)現(xiàn)2個(gè)DSP之間的時(shí)鐘、周期計(jì)數(shù)、任務(wù)同步。利用GPIO口輸出的高低進(jìn)行判斷是否超出同步等待時(shí)間。利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)信息寫入以及標(biāo)識(shí)位更新，與自身通道的值進(jìn)行比較，判斷是否完成周期計(jì)數(shù)及任務(wù)同步。

(4)自身監(jiān)控模塊：根據(jù)仿真模塊結(jié)果以及FPGA回采數(shù)據(jù)與自身通道數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比判斷通道運(yùn)行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)總線分布式測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際效果，以電動(dòng)舵機(jī)為例構(gòu)建仿真模型，利用MATLAB自動(dòng)生成代碼，在Simulink建立模型進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。

4.1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

設(shè)ui代表輸入信號(hào)，uf代表反饋信號(hào)，ei代表誤差信號(hào)，則伺服放大電路可記作u0=kei，誤差信號(hào)可記作ei=ui-uf，其中K為放大倍數(shù)。

4.2 仿真驗(yàn)證

綜合舵機(jī)各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型，在Simulink建立仿真模型如圖4所示。

圖4 電動(dòng)舵機(jī)仿真模型

其中，IN作為模型的輸入，OUT_CUR為仿真得出的電流，OUT_POS為仿真的位置。運(yùn)行之后得到階躍響應(yīng)如圖5所示。

圖5 階躍響應(yīng)圖

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)仿真的階躍響應(yīng)圖可知系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，振蕩2次，上升時(shí)間為0.48 s，放大倍數(shù)達(dá)到4 mm/v，超調(diào)為15.5%，說明系統(tǒng)可靠性較高且性能優(yōu)異。

5 總結(jié)

結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)多種數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了融合處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的互聯(lián)互通，設(shè)計(jì)的分布式測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過仿真分析證明運(yùn)行可靠且處理性能優(yōu)異。但也存在不足之處，機(jī)載設(shè)備的現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，受溫度及電磁影響，還應(yīng)結(jié)合其他理論實(shí)現(xiàn)降噪處理。另外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中還需進(jìn)一步鉆研通信接口，力求提升傳輸效率增加系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)性。