《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種集成化多接口航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
劉智武,, 王紅春,, 陳長(zhǎng)勝
中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,, 陜西 西安 710119
摘要: 針對(duì)目前先進(jìn)飛機(jī)的航電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),分析其測(cè)試平臺(tái)的特點(diǎn)和應(yīng)具有的基本功能,,設(shè)計(jì)了一種集成化、多接口,、可動(dòng)態(tài)配置的航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái),支持對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)各種類型數(shù)據(jù)接口的通信測(cè)試,、航電系統(tǒng)的模擬仿真及系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證,通過零活的管腳編程實(shí)現(xiàn)了測(cè)試用例和測(cè)試配置的動(dòng)態(tài)選擇,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)硬件及上位機(jī)測(cè)試軟件,并在航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工程實(shí)踐中取得良好應(yīng)用。
中圖分類號(hào): TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)07-0079-03
Design and implementation on an integrated multi-interfaces test platform for avionics network
Liu Zhiwu, Wang Hongchun, Chen Changsheng
AVIC Computing Technique Research Instiute, Xi’an 710119, China
Abstract: Based on the avionics network structure of most advanced airplane, analysis the characteristics and basic function for avionics networks test platform. Design an integrated,multi-interfaces and dynamic configured avionics networks test platform,which can support communication test for multi-type data interfaces, avionics system simulation and avionics system validation. The platform uses the pin program method to chose the test configurations and test cases. Implement hardware and test software of the designed test platform, which acquire good test results in the avionics network test engineering projects.
Key words : avionics network,; test platform,; multi-interfaces; AFDX network

       機(jī)載航電網(wǎng)絡(luò)完成航電各個(gè)子系統(tǒng)之間的互聯(lián),、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)交換及傳輸功能,其主要部件包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī),、交換機(jī)及外圍的數(shù)據(jù)總線,、I/O接口等設(shè)備,,是構(gòu)成航電系統(tǒng)的重要部分。航電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的正確性是航電系統(tǒng)正確運(yùn)行的基礎(chǔ),,隨著航電系統(tǒng)集成化程度及復(fù)雜程度越來越高,,航電網(wǎng)絡(luò)也向著集成化、統(tǒng)一化發(fā)展,,對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的集成化測(cè)試成為保證航電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正確性的必要手段,。

        本文設(shè)計(jì)一種集成化、多接口,、可配置的航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái),支持對(duì)以AFDX網(wǎng)絡(luò)為主干的航電網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試,同時(shí)集成了多接口功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路ARINC825總線,、ARINC429總線等二級(jí)總線及航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳感器,、作動(dòng)器I/O接口進(jìn)行測(cè)試。通過靈活的配置和測(cè)試用例設(shè)計(jì),,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)不同場(chǎng)景,、不同傳輸路徑及數(shù)據(jù)流量的測(cè)試驗(yàn)證,能夠有效地完成對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試,保證航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性,。

1 航電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其測(cè)試分析

  機(jī)載航空電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了分立式,、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式4個(gè)階段[1],,其系統(tǒng)綜合化程度不斷提高,,因而作為航空電子系統(tǒng)互聯(lián)基礎(chǔ)的總線網(wǎng)絡(luò)也向著集中式、統(tǒng)一化發(fā)展,。在國內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)航電系統(tǒng)中,,均采用了綜合模塊化航電技術(shù)作為其航電系統(tǒng)的主要架構(gòu),提高了航電系統(tǒng)的綜合化水平,。綜合模塊化航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示,。

        圖1中,航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成主要包括IMA核心處理平臺(tái),、主干網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備,、航電子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備,通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián),。一般航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用雙冗余的架構(gòu),,IMA核心處理平臺(tái)、主干網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備及子系統(tǒng)均采用多臺(tái)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)雙冗余的架構(gòu),。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)二級(jí)總線及航電系統(tǒng)中其他的傳感器,、作動(dòng)器數(shù)據(jù)向主干網(wǎng)絡(luò)的接入及傳輸,通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)二級(jí)總線,、傳感器數(shù)據(jù)向核心處理機(jī)的采集和傳輸,實(shí)現(xiàn)核心處理機(jī)對(duì)外部作動(dòng)器的輸出控制[2],。

        按照?qǐng)D1所示綜合模塊化航電的架構(gòu),,對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試,測(cè)試平臺(tái)必需要作為航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,,接入到航電主干交換網(wǎng)絡(luò)中,,能夠通過交換機(jī)同網(wǎng)絡(luò)中所有的子系統(tǒng)及其他設(shè)備進(jìn)行通信,同時(shí),,測(cè)試平臺(tái)需要具備航電網(wǎng)絡(luò)中二級(jí)總線,、I/O接口功能,一方面,,能夠作為測(cè)試接口對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的接口進(jìn)行測(cè)試,,另一方面,可以模擬航電子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)多種類型數(shù)據(jù)的注入測(cè)試,。在目前先進(jìn)飛機(jī)(A380,、B787、C919)的航電網(wǎng)絡(luò)中,,均采用AFDX作為其主干交換網(wǎng)絡(luò)[2-3],,針對(duì)以圖1所示的綜合模塊化航電網(wǎng)絡(luò),本文設(shè)計(jì)的多接口集成化的測(cè)試平臺(tái)集成了主干的AFDX網(wǎng)絡(luò)接口,,通過AFDX網(wǎng)絡(luò)接口接入主干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),,二級(jí)總線集成包括機(jī)載網(wǎng)絡(luò)有廣泛應(yīng)用的ARINC825總線、ARINC429總線,,外部I/O集成傳感器包括溫度傳感器,、電壓采集傳感器等,作動(dòng)器主要包括為地開,、28 V開等信號(hào),。

2 多接口集成化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

        測(cè)試平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)所有類型通信接口的測(cè)試,同時(shí)需要考慮對(duì)被測(cè)設(shè)備的調(diào)試,、監(jiān)控等功能,。本文測(cè)試平臺(tái)利用模塊化的產(chǎn)品,對(duì)其進(jìn)行集成設(shè)計(jì),,實(shí)現(xiàn)覆蓋了多種接口功能的測(cè)試平臺(tái),,支持自動(dòng)化的配置和測(cè)試用例構(gòu)建,支持模擬仿真航電網(wǎng)絡(luò)中通信設(shè)備的仿真測(cè)試,,其總體設(shè)計(jì)如圖2所示,。

        如圖2,測(cè)試平臺(tái)通過余度AFDX網(wǎng)絡(luò)接入航電網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī),經(jīng)過余度交換機(jī)同航電網(wǎng)絡(luò)其他各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信連接;測(cè)試平臺(tái)提供多條的ARINC825總線,支持航電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中的多路CAN總線的接入;多路的I/O和ARINC429接收和發(fā)送接口可直接與航電網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)接口進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接測(cè)試;通過連接以太網(wǎng)交換機(jī)支持對(duì)多個(gè)航電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的網(wǎng)口調(diào)試功能;通過連接串口交換機(jī)支持對(duì)多個(gè)航電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)模塊的串口輸出進(jìn)行監(jiān)控和顯示,,并支持串口調(diào)試功能,。

2.1 接口設(shè)計(jì)

        根據(jù)目前航電網(wǎng)絡(luò)的接口通信及測(cè)試需求,本文測(cè)試平臺(tái)接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

        圖3給出了測(cè)試平臺(tái)所支持的外部接口,其中,,配置引腳實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)多個(gè)配置表的選擇功能,,通過外部硬信號(hào),選擇測(cè)試平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的配置表運(yùn)行測(cè)試用例,,支持不同的測(cè)試場(chǎng)景,,提高測(cè)試平臺(tái)的靈活性。I/O接口主要用戶對(duì)航電系統(tǒng)外部傳感器,、作動(dòng)器信號(hào)的測(cè)試,,在輸出I/O接口中,提供了包含28 V開信號(hào),、溫度信號(hào),、差分電壓信號(hào)和地開信號(hào)等48路輸出接口,在輸入I/O接口中,,提供了包含28 V開信號(hào)和地開信號(hào)的12路輸入接口,,數(shù)據(jù)總線接口中設(shè)計(jì)了余度的ARINC664總線接口、多路的ARINC825和ARINC429總線接口,。

        在接口設(shè)計(jì)中,通過設(shè)計(jì)配置引腳和多路總線,、多路輸入輸出接口來保證測(cè)試平臺(tái)的靈活性,,實(shí)際使用時(shí),根據(jù)需要測(cè)試的數(shù)據(jù)傳輸路徑,、接口類型,、接口數(shù)量等不同測(cè)試需求,可編制多張不同的測(cè)試配置表,,將這多張配置表存儲(chǔ)在測(cè)試平臺(tái)中,,配置引腳的每一種狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)位置的測(cè)試配置表測(cè)試過程中,通過改變配置引腳的狀態(tài),,測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的配置表,,并加載到測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,提高了系統(tǒng)的測(cè)試效率,。

2.2 基于CPCI接口的集成化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

        CPCI接口是在PCI總線基礎(chǔ)上使用標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器,,適用于更高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合[4]。測(cè)試平臺(tái)集成了多種網(wǎng)絡(luò),、總線及I/O數(shù)據(jù)接口,,采用模塊化的思想,將各種接口功能分配到不同的模塊,,通過外部CPCI接口將多個(gè)模塊集成在一起,。通過這種設(shè)計(jì),一方面,使得測(cè)試平臺(tái)各接口功能相對(duì)獨(dú)立而不互相影響,;另一方面,,便于測(cè)試平臺(tái)的維護(hù),在系統(tǒng)中某個(gè)模塊或接口出現(xiàn)故障時(shí),,僅需通過對(duì)該模塊進(jìn)行更換即可,,提高了測(cè)試平臺(tái)的可靠性和可維護(hù)性。測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)如圖4所示,。

        如圖4所示,,基于模塊化的設(shè)計(jì)思想,測(cè)試平臺(tái)由主處理模塊,、I/O處理模塊,、AFDX模塊、ARINC825模塊和ARINC429模塊5個(gè)模塊構(gòu)成,,通過CPCI總線進(jìn)行集成互聯(lián),,構(gòu)成一個(gè)集成了多模塊的測(cè)試平臺(tái)硬件。主處理模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)主處理功能,,采用商用的CPCI接口處理器模塊實(shí)現(xiàn),,支持Windows操作系統(tǒng),支持掛載多個(gè)CPCI從設(shè)備,;AFDX模塊通過FPGA實(shí)現(xiàn)AFDX的協(xié)議層控制,通過以太網(wǎng)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)AFDX物理層功能,對(duì)外提供冗余的兩路AFDX總線接口功能,;ARINC825模塊通過FPGA實(shí)現(xiàn)ARINC825總線協(xié)議的鏈路層控制功能,配置多路的專用CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)多路的ARINC825總線接口功能;ARINC429模塊通過FPGA實(shí)現(xiàn)ARINC429協(xié)議功能,,配置多路的ARINC429收發(fā)器實(shí)現(xiàn)ARINC429總線接口功能,;I/O處理模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的離散量和模擬量采集和輸出控制接口功能,通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)外部模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換,,輸入至FPGA實(shí)現(xiàn)模擬量和離散量的采集和輸出控制,,配置引腳作為外部的離散量輸入,也由I/O處理模塊來進(jìn)行采集,。

        測(cè)試平臺(tái)的AFDX模塊,、ARINC825模塊、ARINC429模塊和I/O處理模塊均以FPGA為核心進(jìn)行設(shè)計(jì),,各模塊與主模塊的通信方式采用共享雙口的形式完成,,在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)部雙口DPRAM,用于主模塊和各子模塊的數(shù)據(jù)交互通信,,該DPRAM通過CPCI總線向主模塊開放,。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)各總線的協(xié)議層控制和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量和離散量的數(shù)據(jù)I/O采集和輸出控制功能,。

3 測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

        測(cè)試平臺(tái)軟件運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境的主處理模塊上,,其面向航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的主要功能包括:測(cè)試的配置解析及加載、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量注入,、測(cè)試數(shù)據(jù)的保存和離線分析等,。測(cè)試平臺(tái)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        如圖5所示,,測(cè)試軟件運(yùn)行在硬件層之上,,按層次劃分為系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層,、中間件層和應(yīng)用層,。硬件層為本文設(shè)計(jì)的基于CPCI總線的集成化測(cè)試平臺(tái),完成各種網(wǎng)絡(luò)總線及I/O接口的硬件功能,;系統(tǒng)層為軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng),,采用Window操作系統(tǒng)平臺(tái);驅(qū)動(dòng)層運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上,,提供包括AFDX模塊,、ARINC825模塊、ARINC429模塊及I/O處理模塊的驅(qū)動(dòng)程序,,支持各模塊的硬件初始化,、配置加載、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送,、數(shù)據(jù)采集和輸出控制等功能,,為上層的系統(tǒng)測(cè)試提供最底層的驅(qū)動(dòng)功能;中間件層對(duì)驅(qū)動(dòng)層各種軟件接口進(jìn)行統(tǒng)一的封裝,,面向上層屏蔽底層驅(qū)動(dòng)的差異,,向上層提供統(tǒng)一的調(diào)用和驅(qū)動(dòng)接口,,簡(jiǎn)化了上層軟件的設(shè)計(jì),,避免由于底層驅(qū)動(dòng)軟件的修改而導(dǎo)致的上層軟件改動(dòng),提高了軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的效率,。應(yīng)用層基于底層的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的主要功能,,包括配置管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控,、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)注入等,。配置管理功能完成測(cè)試配置的解析、校驗(yàn)和加載,,按照約定的格式對(duì)存儲(chǔ)在測(cè)試平臺(tái)的配置表進(jìn)行解析,,對(duì)配置內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn),校驗(yàn)正確后,,按照解析出的測(cè)試配置,,對(duì)測(cè)試所需的平臺(tái)軟硬件接口進(jìn)行初始化并啟動(dòng)其工作;數(shù)據(jù)監(jiān)控功能實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示測(cè)試平臺(tái)接收到的所有接口消息內(nèi)容,并對(duì)其接收到的消息按照協(xié)議定義的各字段含義進(jìn)行解析,;數(shù)據(jù)分析功能完成測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控到消息的存儲(chǔ)和離線分析功能,;數(shù)據(jù)注入功能按照設(shè)計(jì)的測(cè)試用例,按照其時(shí)間特性向航電網(wǎng)絡(luò)中注入測(cè)試數(shù)據(jù),,支持按照協(xié)議定義的各個(gè)字段進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的組織,。可視化界面軟件是用戶與測(cè)試平臺(tái)的交互界面,,基于測(cè)試用例完成測(cè)試平臺(tái)各種功能的顯示和控制功能,。

4 測(cè)試驗(yàn)證

        搭建了圖2所示的測(cè)試環(huán)境,航電網(wǎng)絡(luò)由兩臺(tái)AFDX交換機(jī)和一臺(tái)具備多總線接口遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成,,對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的接口的通信及采集等功能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,,I/O接口的數(shù)據(jù)采集測(cè)試考慮到連接線引起的誤差,通過軟件對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)償校正,,測(cè)試結(jié)果如表1所示,。

        表1中溫度輸出和差分電壓輸出接口測(cè)試,在量程范圍內(nèi)由測(cè)試平臺(tái)控制不同的輸出值,,在航電網(wǎng)絡(luò)端對(duì)輸出值進(jìn)行采集,,并計(jì)算測(cè)量誤差,測(cè)量結(jié)果滿足應(yīng)用精度要求,。

        本文結(jié)合目前先進(jìn)飛機(jī)的航電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其接口類型,,設(shè)計(jì)了一種集成化、多接口,、可動(dòng)態(tài)配置的航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái),,可實(shí)現(xiàn)對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的接口測(cè)試、模擬仿真及系統(tǒng)測(cè)試功能,,通過管腳編程可動(dòng)態(tài)選擇不同測(cè)試配置和測(cè)試用例,,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了其硬件平臺(tái)及上位機(jī)測(cè)試軟件,在對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試的工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用,。

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