蔣渝 張娟 鄢強(qiáng)/航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所

0 引言

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

航空總線是航空器機(jī)載系統(tǒng)航電設(shè)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(qū)動(dòng)[3]，各型無人機(jī)廣泛采用RS422 總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為主要的航電系統(tǒng)機(jī)載航空總線數(shù)據(jù)通信協(xié)議。RS422 總線在地面試驗(yàn)條件下的仿真、測試、數(shù)據(jù)監(jiān)控分析等成為了無人機(jī)領(lǐng)域的新的重要課題。

機(jī)載RS422 總線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型復(fù)雜，通信節(jié)點(diǎn)眾多，其點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式導(dǎo)致總線通道數(shù)目龐大，有時(shí)甚至達(dá)到100 路以上，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通RS422 通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，機(jī)載設(shè)備的狀態(tài)更新往往導(dǎo)致總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化，數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)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(jī)載RS422 總線通信網(wǎng)絡(luò)的仿真和監(jiān)控帶來巨大的困難。

為此，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套基于復(fù)雜構(gòu)型的無人機(jī)RS422 機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套開放的分布式總線仿真架構(gòu)體系和柔性的軟件部署策略，解決了大規(guī)模點(diǎn)對點(diǎn)RS422 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真的可實(shí)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一套完整的配套工具軟件，同時(shí)兼顧了成本較低、通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)新穎的特 點(diǎn)。

1 RS422 仿真、監(jiān)控系統(tǒng)介紹

1.1 試驗(yàn)平臺簡介

圖1 所示為某型無人機(jī)航電系統(tǒng)地面試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)圖。這是一個(gè)集機(jī)載設(shè)備地面支持、仿真、監(jiān)控、綜合、調(diào)試于一體的復(fù)雜的試驗(yàn)系統(tǒng)。基于RS422的機(jī)載總線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型復(fù)雜，通信節(jié)點(diǎn)眾多。

對于航電設(shè)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(shí)現(xiàn)對設(shè)備的仿真[4-5]。在本試驗(yàn)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(shí)現(xiàn) 的。

主仿真系統(tǒng)作為試驗(yàn)平臺的仿真控制中心，對整個(gè)設(shè)施的仿真運(yùn)行進(jìn)行控制，各子系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行仿真，將邏輯仿真轉(zhuǎn)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(jìn)行監(jiān)控，以RS422 ICD 的格式對總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示；前端采集/控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jìn)行處理，并能輸出控制信號，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制；各激勵(lì)器為相應(yīng)的子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)激勵(lì)。

1.2 仿真、監(jiān)控系統(tǒng)功能介紹

1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RS422 標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動(dòng)器比RS232 具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Slave），從設(shè)備間不能通信，所以RS422 支持點(diǎn)對多的雙向通信。

根據(jù)RS422 信號的電氣特性，結(jié)合無人機(jī)航電系統(tǒng)自身特點(diǎn)，可將一條RS422 仿真、監(jiān)控線路設(shè)計(jì)成如圖2 所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 某型無人機(jī)航電系統(tǒng)地面試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)簡圖

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

同時(shí)，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(shí)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(jī)航電系統(tǒng)地面試驗(yàn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將無人機(jī)航電系統(tǒng)地面試驗(yàn)平臺的總線仿真、監(jiān)控系統(tǒng)看成多個(gè)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集合。由于每一條RS422 線路都相對獨(dú)立，因此可以方便地增加或減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，而不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，從而在硬件上實(shí)現(xiàn)了開放式的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的柔性部署，即適應(yīng)了機(jī)載設(shè)備狀態(tài)更新導(dǎo)致的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化。

2）仿真系統(tǒng)

RS422 總線仿真軟件包是一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的專用軟件包，駐留在RS422 總線仿真系統(tǒng)的工控機(jī)中，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，其主要功能模塊如圖3 所示。

a.節(jié)點(diǎn)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(diǎn)號、子系統(tǒng)號）來配置節(jié)點(diǎn)，確認(rèn)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(yàn)位）來自動(dòng)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(gè)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(nèi)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(biāo)志、校驗(yàn)和）對數(shù)據(jù)進(jìn)行斷幀處理，獲取完整幀信息，并進(jìn)行完整性和重復(fù)性校驗(yàn)，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(yīng)系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)幀動(dòng)態(tài)顯示到界面相應(yīng)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(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)中，以及基于PC機(jī)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(dòng)生成為_S.dat（子系統(tǒng)）、_B.dat（塊）、_F.dat（域）三個(gè)文件，供主仿真軟件和監(jiān)控軟件載入；同時(shí)，監(jiān)控軟件還需要載入由節(jié)點(diǎn)配置工具生成的HardwareOption.ini 文件，該文件含有節(jié)點(diǎn)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(gè)ICD_BLOCK 中的串口配置信息索引，用于靈活配置各個(gè)塊的串口信息，并且依照配置信息在各個(gè)串口斷幀線程中進(jìn)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(shí)接收航電系統(tǒng)各個(gè)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(jìn)行斷幀處理，獲取完整幀信息，進(jìn)行完整性、重復(fù)性的校驗(yàn)，并根據(jù)ICD 文件中的信息進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)翻譯成具有實(shí)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(gè)通道進(jìn)行監(jiān)控后，篩選出每個(gè)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(shí)刷新與顯示對應(yīng)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(jìn)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(jìn)行讀取，提取其中的信息，并回放當(dāng)前文件記錄的對應(yīng)塊的數(shù)據(jù)幀，對該塊的任意三個(gè)信號或離散域進(jìn)行數(shù)據(jù)分析曲線與動(dòng)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(diǎn)配置工具生成的含整個(gè)總線仿真系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)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(wù)配置后自動(dòng)將當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)后，RS422總線仿真軟件自動(dòng)開始運(yùn)行，并進(jìn)入等待主仿真計(jì)算機(jī)通信和控制狀態(tài)，當(dāng)收到主仿真的配置信息和控制命令后，根據(jù)該配置自動(dòng)選擇總線仿真卡的工作模式。

在收到主仿真的啟動(dòng)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(shí)子系統(tǒng)輸出的RS422總線信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主仿真計(jì)算機(jī)中的相關(guān)子系統(tǒng)軟件模擬器；通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接收主仿真計(jì)算機(jī)中相關(guān)子系統(tǒng)軟件模擬器輸出的仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并經(jīng)過總線仿真卡轉(zhuǎn)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(gè)不依賴于試驗(yàn)設(shè)施而獨(dú)立運(yùn)行的專用軟件包，在完成操作系統(tǒng)的啟動(dòng)后，RS422 總線ICD 監(jiān)控軟件載入ICD 文件及配置文件并自動(dòng)開始運(yùn)行，用戶通過菜單操作，選擇某條RS422 總線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，或同時(shí)對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)文件的記錄。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

在滿足航電數(shù)據(jù)仿真的實(shí)時(shí)性和可靠性的基礎(chǔ)上，復(fù)雜構(gòu)型的無人機(jī)RS422 機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)控系統(tǒng)還具有以下關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。

1）設(shè)計(jì)了一套開放的分布式總線仿真架構(gòu)體系和柔性的軟件部署策略，如圖6 所示。RS422 機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)控系統(tǒng)可支持總線仿真模塊節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)部署；支持航電子系統(tǒng)數(shù)目的動(dòng)態(tài)調(diào)整；支持通信ICD 數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的版本自動(dòng)升級；支持仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)和重構(gòu)。該架構(gòu)具有模塊化、可擴(kuò)展性強(qiáng)、組態(tài)靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，解決了大規(guī)模點(diǎn)對點(diǎn)RS422 總線網(wǎng)絡(luò)通信仿真的可實(shí)現(xiàn)性和系統(tǒng)靈活性之間的矛盾。

圖5 RS422仿真、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流

圖6 仿真模塊節(jié)點(diǎn)配置

2）采用綜合的一體化設(shè)計(jì)，集成了ICD 數(shù)據(jù)管理、總線仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)、仿真數(shù)據(jù)鏈路層拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)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(shù)和方法，設(shè)計(jì)了一套完整的配套工具軟件，為任意的大規(guī)模RS422 網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)控提供了一套完整的解決方案。

3）設(shè)計(jì)了一套鏈路層數(shù)據(jù)發(fā)布、更新和管理機(jī)制。通過自研的鏈路層數(shù)據(jù)通信管理軟件，設(shè)計(jì)了一套基于高速光纖網(wǎng)絡(luò)或高速以太網(wǎng)的虛擬通信鏈路，實(shí)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(diǎn)和仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性部署。

4）多線程的結(jié)構(gòu)。如圖7 所示，為每個(gè)RS422 通道創(chuàng)建一個(gè)接收線程，統(tǒng)一的發(fā)送線程以及獨(dú)立的界面刷新線程，當(dāng)有大量數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，解決了系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍、實(shí)時(shí)性低的問題。

5）事件通知的機(jī)制。在運(yùn)行時(shí)態(tài)，程序?qū)崟r(shí)自動(dòng)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(yīng)實(shí)時(shí)性。

圖7 總線仿真軟件的多線程結(jié)構(gòu)

6）在充分總結(jié)和吸收以往各版本ICD 監(jiān)控、仿真軟件優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)/增加了數(shù)據(jù)分析、篩選功能和方法；優(yōu)化了人機(jī)交互界面，采用界面、配置分離的軟件設(shè)計(jì)思想，對任意的ICD 庫和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)施效果及推廣應(yīng)用情況

無人機(jī)機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)仿真與總線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)模擬無人機(jī)機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)，在地面試驗(yàn)環(huán)境下提供航電系統(tǒng)機(jī)載設(shè)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(shè)計(jì)、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(shè)備后期升級/維護(hù)的重要試驗(yàn)設(shè)施，是航電系統(tǒng)仿真與綜合試驗(yàn)室的核心部分，支撐著航電系統(tǒng)及其相關(guān)子系統(tǒng)的地面仿真實(shí)現(xiàn)。

該總線仿真、監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)無人機(jī)航電系統(tǒng)地面綜合試驗(yàn)中得到應(yīng)用，使用結(jié)果表明：

1）系統(tǒng)實(shí)時(shí)性指標(biāo)完全滿足航電系統(tǒng)綜合試驗(yàn)的要求。

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

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

4）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、可維護(hù)性強(qiáng)。

同時(shí)，該系統(tǒng)還具有成本低、通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)新穎的特點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值和軍事、經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

復(fù)雜構(gòu)型的無人機(jī)RS422 機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)控系統(tǒng)是國內(nèi)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(yàn)平臺，已成功應(yīng)用于多個(gè)無人機(jī)，在地面試驗(yàn)環(huán)境下為航電系統(tǒng)綜合試驗(yàn)及航電系統(tǒng)的升 級/維護(hù)/排故提供了可靠的總線仿真、監(jiān)控和分析手段?；谠撓到y(tǒng)相關(guān)開發(fā)方法申請的國防專利“一種航電系統(tǒng)改進(jìn)RS422 總線協(xié)議仿真的自適應(yīng)方法”已獲得授權(quán)，該平臺可推廣應(yīng)用到其他無人機(jī)及有人機(jī)的航電系統(tǒng)仿真與綜合試驗(yàn)室中，對類似的仿真、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)也具有一定的借鑒意義。