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(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 210016)

0 引言

隨著民用客機(jī)的迅猛發(fā)展，飛機(jī)的用電量不斷增多，電氣負(fù)載和電網(wǎng)規(guī)模不斷加大，配電系統(tǒng)通訊總線的數(shù)據(jù)吞吐量也迅速攀升，這就對(duì)大型民機(jī)配電系統(tǒng)通訊總線的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的航空通訊總線技術(shù)主要采用ARINC429/629、MIL-STD-1553B、CAN等協(xié)議，這些數(shù)據(jù)通信協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在航空電子系統(tǒng)中，但是它們均存在傳輸速率較低的缺點(diǎn)，總線帶寬均未超過(guò)2 Mbps，數(shù)據(jù)吞吐量上無(wú)法滿足今后大型民機(jī)配電系統(tǒng)對(duì)于通訊總線的要求[1]。因此，波音和空客公司開(kāi)發(fā)了高實(shí)時(shí)性、高可靠性和高帶寬的新一代航空總線——AFDX總線。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)AFDX總線做了很多的研究工作，文獻(xiàn)[2]開(kāi)展了AFDX總線協(xié)議與CAN總線協(xié)議間網(wǎng)關(guān)技術(shù)的研究；文獻(xiàn)[3]開(kāi)展了如何優(yōu)化AFDX總線端系統(tǒng)之間的傳輸延時(shí)問(wèn)題的研究；文獻(xiàn)[4]提出了插入額外幀的方法來(lái)提高AFDX總線的穩(wěn)定性。然而這些研究都是針對(duì)AFDX總線協(xié)議本身的，針對(duì)端系統(tǒng)中AFDX總線的應(yīng)用技術(shù)研究開(kāi)展的較少。

本文以AFDX總線為基礎(chǔ)，模擬了大型民機(jī)配電系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)大型民機(jī)配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量大以及AFDX端系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)不支持LabVIEW軟件的問(wèn)題，開(kāi)展了AFDX總線應(yīng)用技術(shù)研究。優(yōu)化了端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，解決了基于LabVIEW軟件的航電模擬系統(tǒng)與AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)的兼容問(wèn)題和配電系統(tǒng)雙余度控制器通訊的冗余管理問(wèn)題。

1 AFDX總線協(xié)議簡(jiǎn)介

AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)全稱為航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)，是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)(IEEE 802.3)，由ARINC664協(xié)議第7部分定義的一種確定性網(wǎng)絡(luò)。

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)組成

AFDX通訊總線由端系統(tǒng)、交換機(jī)和物理鏈路三部分構(gòu)成星形拓?fù)浼軜?gòu)。AFDX網(wǎng)絡(luò)的傳輸路徑是靜態(tài)的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置表直接加載實(shí)現(xiàn)，可靠性較高。

1)端系統(tǒng)：端系統(tǒng)是AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)中的重要元件，保證了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間安全、可靠的數(shù)據(jù)交換。除了提供硬件接口，端系統(tǒng)還向用戶提供了各種軟件程序接口，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和收發(fā)。

2)交換機(jī)：交換機(jī)在AFDX網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，負(fù)責(zé)連接各個(gè)端系統(tǒng)。交換機(jī)之間可以通過(guò)互相級(jí)聯(lián)擴(kuò)展交換端口，便于大型通訊網(wǎng)絡(luò)的組建。

1.2 虛擬鏈路技術(shù)

虛擬鏈路(Virtual Link)技術(shù)是AFDX總線的核心技術(shù)，其建立了一個(gè)源終端到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)終端的邏輯上的單向連接，并有效的分割帶寬資源，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際帶寬的分時(shí)復(fù)用。

在發(fā)送端，采用了流量整形技術(shù)對(duì)虛擬鏈路進(jìn)行資源的分配，端系統(tǒng)會(huì)預(yù)先為每條虛擬鏈路設(shè)定帶寬分配間隙(Bandwidth Allocation Gap，BAG，代表幀與幀之間發(fā)送的最小時(shí)間間隔)和最大幀長(zhǎng)度(Lmax)這兩個(gè)參數(shù)，從而限制了每條虛擬鏈路的最大可用帶寬(最大可用帶寬= Lmax/ BAG)，保證了每條虛擬鏈路按照預(yù)先設(shè)定時(shí)間間隔進(jìn)行傳輸，避免虛擬鏈路之間的互相沖突。

2 配電系統(tǒng)AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

參考B787的通訊架構(gòu)，本文構(gòu)建了大型民機(jī)配電技術(shù)研究系統(tǒng)的電網(wǎng)框圖和通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

匯流條功率控制器(BPCU：Bus Power Control Units)是配電系統(tǒng)控制單元，左右兩臺(tái)BPCU冗余管理電網(wǎng)，上傳電網(wǎng)狀態(tài)信息至航電系統(tǒng)模擬機(jī)；航電系統(tǒng)模擬機(jī)用于模擬航電系統(tǒng)中的通用計(jì)算資源柜(Common Computing Resource Cabinet)，匯總和顯示電網(wǎng)狀態(tài)信息，并發(fā)出電網(wǎng)管理指令至BPCU；RPDU(Remote Power Control Units)是遠(yuǎn)程配電控制單元，將電能分配給部分遠(yuǎn)程負(fù)載。

配置4個(gè)AFDX端系統(tǒng)和一臺(tái)AFDX交換機(jī)。每個(gè)端系統(tǒng)上均有兩個(gè)物理端口，分別為A網(wǎng)絡(luò)端口和B網(wǎng)絡(luò)端口，并根據(jù)配置表連至交換機(jī)的相應(yīng)端口上，設(shè)置AFDX通訊鏈路規(guī)劃表如表1所示。

3 數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

針對(duì)大型民機(jī)配電系統(tǒng)總線的龐大數(shù)據(jù)傳輸需求，本文采用數(shù)據(jù)壓縮的存儲(chǔ)方式減小數(shù)據(jù)傳輸量，同時(shí)以“位運(yùn)算”為核心思想編寫(xiě)通訊數(shù)據(jù)處理程序。該方法不僅節(jié)省了通訊數(shù)據(jù)空間，而且減少了數(shù)據(jù)處理程序的代碼量，提高AFDX通訊數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)效率。

表1 AFDX通訊鏈路規(guī)劃表

3.1 基于位存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

AFDX通訊每一幀中用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間為17～1472字節(jié)[3]，如果大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)數(shù)型的模擬量信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，則每一個(gè)直流電信號(hào)會(huì)占用4個(gè)字節(jié)、每一個(gè)交流電信號(hào)會(huì)占用12個(gè)字節(jié)，那么每一幀中整個(gè)電網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量極大，甚至有可能發(fā)生存儲(chǔ)溢出。因此采用了按位存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)壓縮方式來(lái)處理電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，將某一電網(wǎng)部件具體的電信號(hào)模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為反映該部件工作狀態(tài)的數(shù)字量數(shù)據(jù)，并按位對(duì)各種部件狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)軟件程序和GJB-181A標(biāo)準(zhǔn)判斷采集到的模擬量值反映了電網(wǎng)部件的哪一種工作狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)換為有電/沒(méi)電、正常/故障這4種狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。而對(duì)于部分關(guān)鍵的電網(wǎng)部件，則仍以float型的數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)其電信號(hào)模擬量。壓縮后每種部件的狀態(tài)僅占2bit的存儲(chǔ)空間，大大節(jié)省了用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

3.2 基于位操作的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，才能組成用戶數(shù)據(jù)幀發(fā)送至AFDX總線上。為了能夠有效和快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包和發(fā)送，本文采用C語(yǔ)言，以“位運(yùn)算”為核心思想編寫(xiě)了BPCU中AFDX通訊的數(shù)據(jù)處理程序。

首先，由于AFDX通訊數(shù)據(jù)為char型格式的變量，宏定義一個(gè)占用1字節(jié)的基準(zhǔn)值 “#define AFDX_State 0x01”，用于移位運(yùn)算；再定義一個(gè)指針變量指向通訊數(shù)據(jù)數(shù)組的首地址，并將通訊數(shù)據(jù)數(shù)組清零。

然后，根據(jù)通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表，BPCU對(duì)其采集到的電網(wǎng)信息進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)，并更新通訊數(shù)據(jù)：

a)對(duì)于某一數(shù)字量數(shù)據(jù)，對(duì)基準(zhǔn)值進(jìn)行移位操作，再與該數(shù)字量對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素進(jìn)行或操作，即可刷新數(shù)據(jù)。

b)對(duì)于某一模擬量數(shù)據(jù)，本文采用memcpy(void*dest, const void *src, size_t n)函數(shù)，更新通訊數(shù)據(jù)。

最后，通過(guò)通訊接口函數(shù)，將更新完數(shù)據(jù)的AFDX通訊數(shù)組SND_AFDX發(fā)送至AFDX通訊總線中，完成通訊數(shù)據(jù)的打包。由于位操作是直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作，且代碼量較小，提高了端系統(tǒng)對(duì)通訊數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度，優(yōu)化了端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

4 基于LabVIEW軟件的端系統(tǒng)與AFDX總線的兼容問(wèn)題

航電系統(tǒng)模擬機(jī)采用LabVIEW設(shè)計(jì)軟件程序，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總和電網(wǎng)狀態(tài)顯示的功能,但是AFDX的底層驅(qū)動(dòng)不支持開(kāi)發(fā)用于LabVIEW的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。因此，針對(duì)端系統(tǒng)中某些應(yīng)用軟件無(wú)法開(kāi)發(fā)相應(yīng)的AFDX總線驅(qū)動(dòng)，從而導(dǎo)致該端系統(tǒng)應(yīng)用軟件無(wú)法讀取總線信息的問(wèn)題，本文提出了設(shè)計(jì)AFDX通訊接口程序的方法。該接口程序不僅負(fù)責(zé)讀寫(xiě)AFDX通信總線上的數(shù)據(jù)，還基于套接字(socket)建立了C++程序進(jìn)程與LabVIEW程序進(jìn)程間的本地TCP通訊連接，解決LabVIEW軟件與AFDX總線的兼容問(wèn)題，通訊程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通訊程序架構(gòu)

接口程序采用雙線程的軟件架構(gòu)，從而提高軟件的運(yùn)行效率和通訊轉(zhuǎn)發(fā)的速率。主線程的任務(wù)是接收AFDX通訊數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給LabVIEW程序、完成AFDX板卡的初始化和套接字庫(kù)的初始化以及啟動(dòng)子線程，程序流程圖如圖3所示。子線程的任務(wù)是創(chuàng)建并設(shè)置套接字、接收LabVIEW發(fā)送的數(shù)據(jù)并通過(guò)AFDX通訊轉(zhuǎn)發(fā)給BPCU以及管理連接套接字鏈表，程序流程圖如圖4所示。

圖3 主線程程序流程圖

圖4 子線程程序流程圖

子線程中采用select()模型監(jiān)聽(tīng)套接字的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。先定義fd_set結(jié)構(gòu)的套接字集合，并將主線程中創(chuàng)建的監(jiān)聽(tīng)套接字加入該集合中；隨后調(diào)用select函數(shù)查詢?cè)摷系目勺x性，可寫(xiě)性和錯(cuò)誤信息；若select函數(shù)返回值大于0，代表某些集合可讀寫(xiě)或已經(jīng)出錯(cuò)，再調(diào)用FD_ISSET函數(shù)檢查可讀套接字是否在該集合中；如果該套接字為監(jiān)聽(tīng)套接字，則調(diào)用accept()函數(shù)，返回一個(gè)連接套接字，并將其加入套接字集合和連接套接字鏈表中，如果不是監(jiān)聽(tīng)套接字而是連接套接字，則調(diào)用recv()函數(shù)接收連接套接字中LabVIEW客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)。

雙線程程序的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是共享資源的同步訪問(wèn)，本程序中accept()函數(shù)返回的連接套接字就是一個(gè)共享資源，主線程需要向該socket寫(xiě)數(shù)據(jù)，而子線程需要從該socket讀數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將該連接套接字存入一個(gè)鏈表中，并通過(guò)CCriticalSection類(lèi)控制該鏈表，構(gòu)建數(shù)據(jù)臨界區(qū)，達(dá)到同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程訪問(wèn)該鏈表。同時(shí)，還需要定義一個(gè)CSingleLock型的變量，線程通過(guò)調(diào)用成員函數(shù)Lock()占用共享資源，資源訪問(wèn)完后，通過(guò)調(diào)用Unlock()釋放該共享資源，保證線程之間對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)。

5 多余度配電系統(tǒng)冗余通訊管理

大型民機(jī)配電系統(tǒng)中，左、右BPCU對(duì)重要的電網(wǎng)部分進(jìn)行冗余管理，并都上傳該部分的數(shù)據(jù)至AFDX總線，構(gòu)成雙余度控制系統(tǒng)。為了解決系統(tǒng)中冗余通訊的問(wèn)題，就需要考慮通訊數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)有效性的問(wèn)題。

AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)確定性網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)虛擬鏈路定義了端系統(tǒng)之間的單向連接。因此端系統(tǒng)能夠分辨出數(shù)據(jù)的來(lái)源，從而根據(jù)預(yù)先定義的優(yōu)先級(jí)讀取高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)。

將端系統(tǒng)的端口設(shè)置為采樣模式以解決數(shù)據(jù)有效性問(wèn)題。AFDX總線的端口采樣模式能夠與ARINC653(航空電子應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)接口)標(biāo)準(zhǔn)完美地銜接[5]，其工作機(jī)制使得采樣端口只能緩存一條信息，當(dāng)AFDX總線上有新的信息到達(dá)時(shí)，緩沖區(qū)中舊的信息將被直接覆蓋。同時(shí)，每個(gè)采樣端口都和一個(gè)刷新標(biāo)志相關(guān)聯(lián)，當(dāng)這個(gè)刷新標(biāo)志有效時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前緩沖區(qū)中的信息是最新的[6]。所以，可以通過(guò)檢測(cè)該刷新標(biāo)志，來(lái)判斷每個(gè)端系統(tǒng)發(fā)送的冗余數(shù)據(jù)是否有效。

基于采樣端口的冗余數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖5所示。首先，定義RBPCU數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)高于LBPCU，隨后程序先讀取來(lái)自RBPCU的冗余數(shù)據(jù)，并判斷其刷新標(biāo)志是否有效，若有效，直接將該部分?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入套接字并發(fā)送給LabVIEW程序，直接丟棄LBPCU的冗余數(shù)據(jù)；若無(wú)效，則讀取來(lái)自LBPCU的冗余數(shù)據(jù)，并判斷其刷新標(biāo)志是否有效，若有效，將該部分?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入套接字發(fā)送給LabVIEW程序；若無(wú)效，則仍將RBPCU的數(shù)據(jù)發(fā)送給LabVIEW程序。

圖5 通訊數(shù)據(jù)冗余管理流程圖

6 通訊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

6.1 配電系統(tǒng)AFDX模擬通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)正常情況下，進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)。

左右BPCU通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮和位運(yùn)算處理，形成AFDX通訊數(shù)組。通過(guò)BPCU宿主機(jī)中的Tornado2.2調(diào)試環(huán)境實(shí)時(shí)觀測(cè)該數(shù)組，如圖6所示。其中SND_AFDX為數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)組，以十六進(jìn)制顯示，RCV_AFDX為數(shù)據(jù)接收數(shù)組，以十進(jìn)制顯示。接口程序?qū)崿F(xiàn)了BPCU與航電系統(tǒng)模擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞，如圖7所示。圖8中顯示的“AFDX接收數(shù)據(jù)Y”為L(zhǎng)abVIEW程序接收到的數(shù)據(jù)，“AFDX發(fā)送數(shù)據(jù)X”為發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖6 左右BPCU發(fā)送、接收數(shù)據(jù) 圖7 接口程序發(fā)送、接收數(shù)據(jù)

圖8 LabVIEW程序收發(fā)數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示

有圖可得，航電系統(tǒng)模擬機(jī)接口程序轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分別為[0x12,0x 40 , 0x 1, 0x 40, 0x 21 , 0x 8 , 0x 8 , 0x 8]和[18, 16]，該組數(shù)據(jù)與通訊網(wǎng)絡(luò)中BPCU程序、和LabVIEW程序收發(fā)的數(shù)據(jù)均一致。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互相通訊實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)發(fā)送、接收正確，接口程序能夠?qū)崿F(xiàn)基于LabVIEW軟件的端系統(tǒng)與AFDX總線的兼容。

6.2 雙余度配電系統(tǒng)冗余通訊實(shí)驗(yàn)

上節(jié)的系統(tǒng)通訊實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)正常，圖8中LabVIEW程序顯示左右BPCU均工作，無(wú)報(bào)警提示。

關(guān)閉右BPCU，進(jìn)行冗余通訊實(shí)驗(yàn)，通訊數(shù)組仍如圖6所示。圖9中，接口程序只接受到左BPCU發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)提示右BPCU節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收失敗，進(jìn)行冗余管理后，將有效數(shù)據(jù)發(fā)送至航電系統(tǒng)模擬機(jī)中，“AFDX接收數(shù)據(jù)Y”為[0x12, 0x 40 , 0x 1, 0x 40, 0x 21 , 0x 8 , 0x 8 , 0x 8]，與接口程序發(fā)送有效數(shù)據(jù)一致，同時(shí)根據(jù)接口程序發(fā)送的報(bào)警信息，提示右BPCU的AFDX通訊失敗。由此驗(yàn)證了本文提出的AFDX總線中基于采樣模式的冗余管理方法能夠解決多余度配電系統(tǒng)的冗余通訊問(wèn)題。

圖9 接口程序接收數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于AFDX通訊總線的大型民機(jī)配電系統(tǒng)模擬通訊網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用了數(shù)據(jù)壓縮和基于“位運(yùn)算”的通訊數(shù)據(jù)處理方式，設(shè)計(jì)了LabVIEW軟件與AFDX總線之間的接口程序，優(yōu)化了AFDX網(wǎng)絡(luò)中端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。通過(guò)大型民機(jī)配電系統(tǒng)AFDX模擬通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所構(gòu)建的大型民機(jī)配電系統(tǒng)AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，同時(shí)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的接口程序能夠解決基于LabVIEW軟件的端系統(tǒng)與AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)的兼容問(wèn)題。為大型民機(jī)電氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)提供了通訊平臺(tái)。

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