樊智勇 魯 彥 劉 濤

1(中國民航大學工程技術(shù)訓練中心 天津 300300)2(中國民航大學電子信息與自動化學院 天津 300300)

0 引 言

民用飛機航空電子系統(tǒng)主要由通信、導航、自動飛行、綜合顯示等系統(tǒng)組成，其數(shù)據(jù)交聯(lián)關(guān)系復雜，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互量巨大[1]。近年來，民用飛機航電系統(tǒng)的升級改裝需求逐漸增加，其改裝方案評估需要在集成測試系統(tǒng)中進行大量數(shù)據(jù)交互[2-3]。為了解決集成測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互時面臨的設備連接工作量大、易出錯等問題，本文設計了一種作為中間件的航電中繼系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)定義及功能

航電中繼系統(tǒng)是指在集成測試中能將不同類型航電信號在位于不同物理空間的航電系統(tǒng)組件或半實物仿真器之間進行大數(shù)據(jù)量、低延遲相互轉(zhuǎn)發(fā)的中間件。針對集成測試數(shù)據(jù)交互需求的特點，航電中繼系統(tǒng)需具備4個功能：多并發(fā)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間在毫秒量級；不同物理空間實驗室之間的傳輸距離可達數(shù)千米；轉(zhuǎn)發(fā)過程中數(shù)據(jù)易于集中監(jiān)控。

在集成測試數(shù)據(jù)交互問題的研究方面，Pan等[4]在研究半實物仿真的實時數(shù)據(jù)傳輸問題時，提出了基于反射內(nèi)存中斷的時鐘同步方法，實現(xiàn)微秒級延遲表明反射內(nèi)存技術(shù)的低延遲和延遲確定性。Sakakura等[5]研究了基于反射分布式內(nèi)存的數(shù)據(jù)管理方案，監(jiān)控整個測試環(huán)境，并支持數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)的實時修改，表明反射內(nèi)存網(wǎng)絡易于監(jiān)控的特性。田赤軍等[6]研究了遠程實驗室協(xié)同仿真問題，實現(xiàn)了千米級跨區(qū)域?qū)崟r數(shù)據(jù)共享，表明反射內(nèi)存網(wǎng)遠程異地傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。黎凡等[7]設計了光纖反射內(nèi)存卡，應用于傳輸大規(guī)模高清圖像，表明反射內(nèi)存技術(shù)能進行大量數(shù)據(jù)傳輸。航電中繼系統(tǒng)選擇反射內(nèi)存網(wǎng)絡構(gòu)建其底層數(shù)據(jù)通信支撐實現(xiàn)4個功能。圖1為基于反射內(nèi)存網(wǎng)的航電中繼系統(tǒng)的功能示意圖。

圖1 航電中繼系統(tǒng)的功能示意

航電中繼系統(tǒng)由終端和交換機構(gòu)成，其傳輸介質(zhì)為光纖，每個終端構(gòu)型相同。不同實驗室的航電組件、半實物仿真器等只需和航電中繼系統(tǒng)的終端連接，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。終端所連設備改變時，航電中繼系統(tǒng)只需改變轉(zhuǎn)發(fā)配置軟件的設置，無須改變硬件布線。

2 系統(tǒng)設計

航電中繼系統(tǒng)需要確定硬件配置和反射內(nèi)存分配。硬件配置是選擇進行集中監(jiān)控和發(fā)布控制命令作用的計算機、運行轉(zhuǎn)發(fā)應用的終端計算機、反射內(nèi)存交換機等硬件；反射內(nèi)存分配是將硬件通道資源與反射內(nèi)存一一對應。

2.1 硬件配置

如圖2所示，航電中繼系統(tǒng)由1臺配置管理計算機、6臺終端計算機和1臺反射內(nèi)存交換機等組成。

圖2 航電中繼系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

配置管理計算機是標準工控機，包含反射內(nèi)存卡(RFM卡)，通過以太網(wǎng)向終端機發(fā)布轉(zhuǎn)發(fā)配置命令、轉(zhuǎn)發(fā)應用的執(zhí)行文件，通過本地反射內(nèi)存卡對中繼的數(shù)據(jù)進行集中監(jiān)控。終端計算機由處理器、反射內(nèi)存卡、ARINC429卡、CAN總線板卡、串行總線(SIO)卡和離散量(DIO)卡組成，實現(xiàn)8通道ARINC429數(shù)據(jù)、2通道CAN數(shù)據(jù)、4通道SIO數(shù)據(jù)和32通道DIO數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。反射內(nèi)存交換機是一個8口的256 MB光纖交換機。

2.2 反射內(nèi)存分配

根據(jù)民用飛機航電系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)的類型可知，終端需要中繼四種類型數(shù)據(jù)。在集成測試過程中數(shù)據(jù)交互量大，為了避免數(shù)據(jù)在中繼過程中碰撞、丟失，同時充分利用反射內(nèi)存，在反射內(nèi)存分配時，進行四次分配，分配細化圖如圖3所示。不同終端機、不同型號板卡、不同通道(Channel)的讀和寫都對應不同的反射內(nèi)存地址段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸互不沖突。同時，反射內(nèi)存網(wǎng)絡具有錯誤管理和檢測機制，保證數(shù)據(jù)無錯傳輸[8]。由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量大，將每個通道讀或通道寫內(nèi)存都設置一個FIFO隊列緩存，隊列長度為40個數(shù)據(jù)區(qū)大小。

圖3 反射內(nèi)存分配細化圖

離散量(DIO)的分配方式不同于其他三種數(shù)據(jù)類型，其對應航電系統(tǒng)中的開關(guān)量，取值為0或1。由圖3可知，為使反射內(nèi)存利用率最大，DIO第四次分配時按位分配。為DIO設置兩個FIFO隊列緩存，隊列長度為40×4字節(jié)。表1為DIO對應反射內(nèi)存的FIFO存儲格式，數(shù)據(jù)區(qū)4字節(jié)為32位，對應Channel 0到Channel 31共32個發(fā)送通道或接收通道內(nèi)存。

表1 DIO對應反射內(nèi)存FIFO存儲格式

以ARINC429為例詳細說明終端FIFO間數(shù)據(jù)流向，ARINC429數(shù)據(jù)對應16個FIFO緩存隊列，終端板卡與反射內(nèi)存FIFO間數(shù)據(jù)流向如圖4所示。ARINC429板卡每個通道的接收或發(fā)送FIFO均對應一個反射內(nèi)存FIFO，終端系統(tǒng)從ARINC429板卡FIFO中讀數(shù)的原則是將前一個FIFO讀空，讀到的數(shù)均寫入其對應的反射內(nèi)存FIFO，再將下一個FIFO讀空，寫入其對應反射內(nèi)存FIFO。依此循環(huán)讀寫，直到板卡FIFO中無數(shù)據(jù)為止。終端VxWorks系統(tǒng)時鐘速率高于ARINC429板卡的硬件驅(qū)動程序執(zhí)行速率，即外部組件發(fā)送數(shù)據(jù)存入ARINC429板卡FIFO的速率小于終端系統(tǒng)從中讀數(shù)速率，此設計是為了避免數(shù)據(jù)丟失。以此類推，終端系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從反射內(nèi)存FIFO寫入ARINC429板卡FIFO具有相同原理。

圖4 終端FIFO間數(shù)據(jù)流向示意

3 終端中繼轉(zhuǎn)發(fā)邏輯設計

終端計算機在VxWorks操作系統(tǒng)的控制下以系統(tǒng)時鐘速率輪詢反射內(nèi)存和4種板卡各通道內(nèi)存的數(shù)據(jù)情況，依據(jù)FIFO不同的狀態(tài)執(zhí)行讀寫操作。中繼轉(zhuǎn)發(fā)邏輯由數(shù)據(jù)采集任務和數(shù)據(jù)激勵任務實現(xiàn)，VxWorks系統(tǒng)任務占據(jù)0到50的優(yōu)先級值，驅(qū)動任務占據(jù)51到99的優(yōu)先級值[9]，這兩個應用任務的優(yōu)先級值均設為100。系統(tǒng)運行時，VxWorks按照先進先出原則調(diào)度這兩種任務。

以ARINC429為例闡述具體執(zhí)行過程，圖5為數(shù)據(jù)采集任務的流程圖，其功能是使數(shù)據(jù)從接口板卡到反射內(nèi)存。

圖5 ARINC429數(shù)據(jù)采集任務的流程圖

其執(zhí)行過程如下：

(1) 終端機系統(tǒng)創(chuàng)建ARINC429數(shù)據(jù)采集任務。

(2) 終端機系統(tǒng)檢查ARINC429板卡各通道的狀態(tài)，若通道FIFO狀態(tài)不空，則使能讀FIFO數(shù)據(jù)函數(shù)(EnableReadFIFO)開始工作，終端機系統(tǒng)獲取待接收數(shù)據(jù)的通道號。若通道FIFO狀態(tài)為空，則在100次查詢后仍空時結(jié)束運行。

(3) 接收數(shù)據(jù)函數(shù)(ReceiveData)執(zhí)行，控制終端機接收此ARINC429數(shù)據(jù)。

(4) 終端機將接收數(shù)據(jù)寫到反射內(nèi)存對應通道讀地址，同時反射內(nèi)存網(wǎng)絡在其共享內(nèi)存機制的作用下，將此數(shù)據(jù)廣播到其他終端機反射內(nèi)存卡的相同通道讀地址中。

(5) 終端機根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)配置文件判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)。若轉(zhuǎn)發(fā)，則轉(zhuǎn)發(fā)的目標終端機根據(jù)獲取的通道號等信息將此數(shù)據(jù)寫到對應通道反射內(nèi)存通道寫地址中；若不轉(zhuǎn)發(fā)，則結(jié)束運行。

圖6為數(shù)據(jù)激勵任務的流程圖，其功能是使數(shù)據(jù)從反射內(nèi)存到接口板卡。

圖6 ARINC429數(shù)據(jù)激勵任務的流程圖

其執(zhí)行過程如下：

(1) 終端機系統(tǒng)創(chuàng)建ARINC429數(shù)據(jù)激勵任務。

(2) 每個終端的每個ARINC429板卡的每個通道輪詢反射內(nèi)存通道寫地址是否有數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)，則結(jié)束執(zhí)行；若有數(shù)據(jù)，則對應終端機系統(tǒng)讀取反射內(nèi)存通道寫地址數(shù)據(jù)。

(3) 終端機系統(tǒng)輪詢ARINC429板卡各通道的狀態(tài)是否為滿。若通道FIFO狀態(tài)不滿，則調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)(SendData)，將此數(shù)據(jù)寫到ARINC429板卡對應通道輸出端口內(nèi)存中，然后板卡基于硬件操作將數(shù)據(jù)輸出給轉(zhuǎn)發(fā)對象。若通道FIFO狀態(tài)為滿，則在100次查詢后仍滿時結(jié)束運行。

(4) 采集任務和激勵任務均設定100次查詢的目的是防止沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時程序進入死循環(huán)，影響系統(tǒng)運行效率。

終端中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能是由采集任務和激勵任務協(xié)作實現(xiàn)的，將ARINC429數(shù)據(jù)存入反射內(nèi)存通道讀地址，反射內(nèi)存網(wǎng)絡依據(jù)其自動更新機制將數(shù)據(jù)廣播到其他終端的同一反射內(nèi)存通道讀地址中，所有終端系統(tǒng)依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)配置決定是否對本地反射內(nèi)存通道寫地址執(zhí)行寫數(shù)操作。

4 實 驗

4.1 延時分析

航電中繼系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間T是指從輸入端發(fā)送數(shù)據(jù)至航電中繼系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)后輸出端接收到數(shù)據(jù)這兩個時刻的間隔時間，是衡量中繼系統(tǒng)性能的重要指標。

(1)

t1=m/B

(2)

式中：t1為操作系統(tǒng)控制處理器讀取以速率B發(fā)送的各類型數(shù)據(jù)的時間；m為一幀數(shù)據(jù)的位數(shù)；t2為航電中繼系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，終端操作系統(tǒng)執(zhí)行讀操作命令要依次遍歷板卡通道的時間；t3為此過程中等待任務循環(huán)調(diào)度信號量的時間；t4為終端系統(tǒng)執(zhí)行寫操作依次檢查板卡通道狀態(tài)的時間；t5為此過程中釋放信號量的時間；t6為單級反射內(nèi)存交換機消耗的時間；t7為光纖傳輸時間。

4.2 實驗分析

系統(tǒng)驗證實驗以轉(zhuǎn)發(fā)ARINC429數(shù)據(jù)為例，測量擴展多個并發(fā)通道轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)的延遲時間，實驗結(jié)果取每個通道的延遲時間的平均值。采用長度為2 km的光纖，ARINC429信號發(fā)射器以12.5 kbit/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，進行3組不同數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)發(fā)實驗。

(1) 一對一轉(zhuǎn)發(fā)。將終端機1的ARINC429板卡8個通道輸入端口接ARINC429信號發(fā)射器，在配置管理計算機上設置轉(zhuǎn)發(fā)配置，將終端機1的8個通道輸入數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)發(fā)給終端機2至6的8個通道。利用ARINC429信號接收器測量各通道輸出數(shù)據(jù)，結(jié)果均準確。利用示波器測量源信號和各通道轉(zhuǎn)發(fā)輸出信號的延遲時間，如圖7所示，a表示系統(tǒng)只轉(zhuǎn)發(fā)到終端機2的8個通道的延時均小于3.50 ms，b對應延時均小于3.42 ms，c對應延時均小于3.29 ms，d對應延時均小于3.36 ms，e對應延時均小于3.45 ms。因此，系統(tǒng)8個并發(fā)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時小于3.50 ms。

圖7 只轉(zhuǎn)發(fā)到一個終端的延遲時間

(2) 一對多轉(zhuǎn)發(fā)。終端機1的8個通道接ARINC429信號發(fā)射器，同時轉(zhuǎn)發(fā)給終端機2至6的40個通道。利用ARINC429信號接收器測量各通道輸出數(shù)據(jù)，結(jié)果均準確。利用示波器測量源信號和各通道轉(zhuǎn)發(fā)輸出信號的延遲時間，如圖8所示。圖中40個點對應時間均小于3.40 ms，即系統(tǒng)40個并發(fā)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時小于3.40 ms。

圖8 轉(zhuǎn)發(fā)到5個終端機40個并發(fā)通道延遲時間

(3) 多對多轉(zhuǎn)發(fā)。終端機1至6的48個通道接ARINC429信號發(fā)射器，同時轉(zhuǎn)發(fā)給終端機1至6的48個通道，6個終端相互轉(zhuǎn)發(fā)，任意一個目標通道只設置一個源通道對其轉(zhuǎn)發(fā)。利用ARINC429信號接收器測量目標通道輸出數(shù)據(jù)，結(jié)果均準確。利用示波器測量源信號和目標通道輸出信號的延遲時間，如圖9所示。圖中48個點對應時間均小于3.48 ms，即系統(tǒng)48個并發(fā)通道相互轉(zhuǎn)發(fā)的延時小于3.48 ms。

圖9 6個終端48個并發(fā)通道相互轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間

實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)中繼的并發(fā)通道數(shù)從8增加到48，轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)的延時T均小于3.50 ms。其中t1為2.56 ms，t6為2.00 μs，與反射內(nèi)存技術(shù)有關(guān)[10]，t7為13.30 μs，t2至t5與終端系統(tǒng)效率有關(guān)，大小為微秒級。因此，固定延遲時間為2.58 ms，系統(tǒng)實際延時小于920.00 μs。

5 結(jié) 語

本文設計的航電中繼系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程異地進行ARINC429數(shù)據(jù)的40個(不包含本地終端)并發(fā)通道轉(zhuǎn)發(fā)、串行數(shù)據(jù)(SIO)的20個并發(fā)通道轉(zhuǎn)發(fā)、CAN數(shù)據(jù)的10個并發(fā)通道轉(zhuǎn)發(fā)、離散量(DIO)數(shù)據(jù)的160個并發(fā)通道轉(zhuǎn)發(fā)功能。該系統(tǒng)對4種類型數(shù)據(jù)均能夠以反射內(nèi)存交換機級聯(lián)的方式擴展更多并發(fā)通道進行轉(zhuǎn)發(fā)，并且系統(tǒng)穩(wěn)定運行的實際延遲時間為微秒級。航電中繼系統(tǒng)已應用于大型民用飛機航電系統(tǒng)升級改裝項目，項目研發(fā)效率顯著提高。