楊篤偉，周建中

(華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430034)

隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，飛機(jī)上出現(xiàn)了越來(lái)越多的航空電子系統(tǒng)，它們都具有從傳感器、信號(hào)采集、信號(hào)處理到信息顯示與控制一套完整和獨(dú)立的功能。向飛機(jī)平臺(tái)和各系統(tǒng)提供飛行控制、飛機(jī)姿態(tài)和導(dǎo)航信息等一系列參數(shù)。在現(xiàn)役的三代飛機(jī)上，航空電子系統(tǒng)已與飛機(jī)平臺(tái)、機(jī)載武器平臺(tái)一起作為衡量現(xiàn)代軍用飛機(jī)作戰(zhàn)性能的三要素。可以預(yù)見(jiàn)，今后其功能還會(huì)不斷擴(kuò)大。

航空電子綜合是飛機(jī)電子系統(tǒng)有效綜合的技術(shù)，它采用系統(tǒng)工程的方法，將飛機(jī)上通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、任務(wù)管理和飛行控制等諸多電子設(shè)備，通過(guò)機(jī)載計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和控制軟硬件綜合聯(lián)系到一起，以達(dá)到資源共享的目的，為飛機(jī)性能大幅提升和降低成本帶來(lái)保證。目前，所有飛機(jī)上的航空電子綜合都采用模塊化的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。因此，利用有效手段模擬仿真飛機(jī)上航空電子綜合的真實(shí)環(huán)境，對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)論證、性能驗(yàn)證和測(cè)控系統(tǒng)研制具有極其重要的意義，也是該領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

1 航空電子綜合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

航空電子綜合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)代表了航空電子設(shè)備之間的交聯(lián)方式，也比較具體地反映了設(shè)備之間的資源調(diào)度和控制方式。因此，分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是航空電子綜合環(huán)境仿真與調(diào)試驗(yàn)證的基礎(chǔ)。迄今為止的數(shù)十年發(fā)展過(guò)程中，航空電子系統(tǒng)經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式和綜合式3個(gè)階段。

分立式航空電子系統(tǒng)突出特點(diǎn)是每個(gè)航空電子設(shè)備都有其獨(dú)立的傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)分配單元，各設(shè)備之間資源調(diào)度不成體系，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制復(fù)雜，影響飛機(jī)效能的充分發(fā)揮。

20世紀(jì)70年代美國(guó)提出了 “數(shù)字式航空電子信息系統(tǒng)DAIS”，即聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)機(jī)載電子設(shè)備子系統(tǒng)之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)總線互連，目前應(yīng)用極為普遍的是軍用1553B總線，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的信息和資源共享，并且大大簡(jiǎn)化了設(shè)備之間的連接，減小了系統(tǒng)綜合的復(fù)雜程度和電纜重量。通信、導(dǎo)航和飛行控制等功能子系統(tǒng)中的信息處理和操作由標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載計(jì)算機(jī)完成，各個(gè)子系統(tǒng)都作為功能部件連接到多路總線上，同時(shí)各子系統(tǒng)又是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，既可當(dāng)作主總線的功能I/O，又可組織更低一層的分立式信息，顯示和控制的信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線與各子系統(tǒng)進(jìn)行交換，所有信息都由1個(gè)平顯和多個(gè)多功能顯示器顯示。飛機(jī)、武器系統(tǒng)及機(jī)載傳感器主要由綜合的操縱桿和油門(mén)桿、以及多功能顯示器的周邊鍵進(jìn)行聯(lián)合控制，從而實(shí)現(xiàn)了綜合顯示與控制。聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)役飛機(jī)的主流，廣泛裝備于F-16等三代飛機(jī)上，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

2 基于ICD數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真測(cè)試

通過(guò)聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析可以得出，各航空電子設(shè)備通過(guò)主總線1553B互連，各子系統(tǒng)可以當(dāng)作1553B網(wǎng)絡(luò)總線的節(jié)點(diǎn)來(lái)看待。即如果用模塊化的通信單元取代各功能子系統(tǒng)，該通信單元能實(shí)時(shí)、正確地模擬仿真各功能子系統(tǒng)與總線的信息交換，真實(shí)建立航空電子綜合的仿真測(cè)試環(huán)境，目前在飛機(jī)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和應(yīng)用階段就采用了這種方法。

基于總線的航空電子系統(tǒng)仿真測(cè)試方法分為2種模式。(1)從總線節(jié)點(diǎn)的底層開(kāi)發(fā)做起，對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與輸出控制進(jìn)行具體分析，并對(duì)底層資源進(jìn)行針對(duì)性調(diào)試，這種模式便于開(kāi)發(fā)，周期很短，但缺點(diǎn)也十分明顯。效率較低、系統(tǒng)不具備開(kāi)放性和通用性。當(dāng)測(cè)試需求發(fā)生變化時(shí)無(wú)法根據(jù)需要增加、調(diào)整系統(tǒng)資源，測(cè)試系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)不清晰，調(diào)試程序可讀性差，給系統(tǒng)的修改、維護(hù)造成了極大困難。(2)基于ICD的數(shù)據(jù)總線測(cè)試模式，有效克服了第1種模式的不足，已成為數(shù)據(jù)總線測(cè)試的發(fā)展方向。這種模式通過(guò)編制詳盡的子系統(tǒng)硬件和軟件接口控制文檔數(shù)據(jù)庫(kù)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層等底層資源控制交給專業(yè)計(jì)算機(jī)人員完成，對(duì)應(yīng)用層等開(kāi)發(fā)進(jìn)行了統(tǒng)一格式管理，這樣對(duì)缺少與計(jì)算機(jī)I/O國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的各公司1553B板卡控制來(lái)說(shuō)就很方便，不必考慮其具體形式的底層資源，同時(shí)具有廣泛的通用性和開(kāi)放性特征。當(dāng)測(cè)試需求發(fā)生變化時(shí)，只需根據(jù)統(tǒng)一格式修改ICD文件就能達(dá)到資源擴(kuò)充的目的。

在廣泛的ICD總線測(cè)試模式實(shí)際應(yīng)用中還涉及了以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)如果以ICD方式進(jìn)行，當(dāng)用具體子系統(tǒng)設(shè)備取代模塊化通信單元時(shí)，可對(duì)具體子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試而不影響綜合系統(tǒng)的集成環(huán)境；(2)各個(gè)具體子系統(tǒng)或通信單元既可作為1553B網(wǎng)絡(luò)總線的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)又具有數(shù)據(jù)組織和控制功能，現(xiàn)役飛機(jī)絕大部分為MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)和ARINC429數(shù)據(jù)可對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的各種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1 1553B總線協(xié)議

1553B總線的信號(hào)傳輸速率為1 Mb/s，采用曼徹斯特Ⅱ型雙向電平碼，可提供最多31個(gè)通信終端的總線型互連，使用屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)，電纜兩端由與其傳輸阻抗相匹配的電阻器進(jìn)行端接，遠(yuǎn)程終端經(jīng)由變壓器耦合方式短截線連接到主總線。

1553B總線定義了指令字、數(shù)據(jù)字及狀態(tài)字3種字格式，每個(gè)字為 20 bit，包括 3 bit同步頭、16 bit信息及1 bit奇偶校驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 MIL-STD-1553B總線字格式

指令字是由BC發(fā)出的控制RT操作的命令字。它由同步頭、遠(yuǎn)程終端地址字段、發(fā)送/接收位 T/R、子地址/方式字段、奇偶校驗(yàn)位P組成。

數(shù)據(jù)字由同步頭、數(shù)據(jù)字段和奇偶校驗(yàn)位組成。同步頭為3 bit時(shí)，與指令字同步頭的波形反相，同步頭之后的16 bit是數(shù)據(jù)內(nèi)容，最后1 bit為奇偶校驗(yàn)位。

狀態(tài)字是由接收到指令字的RT發(fā)出，表示數(shù)據(jù)傳輸及RT狀況的響應(yīng)字。由同步頭、遠(yuǎn)程終端地址字段、消息差錯(cuò)位、測(cè)試手段位、服務(wù)請(qǐng)求位和備用位等組成，其中同步頭和奇偶校驗(yàn)位與指令字的對(duì)應(yīng)位相同。

1553B總線上的數(shù)據(jù)傳輸是以消息形式進(jìn)行的，分為數(shù)據(jù)傳輸、方式控制和廣播消息 3類，包括BC～RT、RT～BC和 RT～RT等10種交互形式。

2.2 ICD數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

針對(duì)飛機(jī)型號(hào)或測(cè)控系統(tǒng)的特殊要求，由專業(yè)人員和計(jì)算機(jī)人員配合設(shè)計(jì)與總線仿真測(cè)試系統(tǒng)交聯(lián)很好的總線ICD數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行總線調(diào)試時(shí)，直接把要調(diào)試的參數(shù)通過(guò)總線仿真測(cè)試卡與總線ICD庫(kù)對(duì)應(yīng)，就能自動(dòng)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)資源的控制，實(shí)施1553B數(shù)據(jù)流傳輸。ICD數(shù)據(jù)庫(kù)是一種邏輯電子數(shù)據(jù)庫(kù)，在此庫(kù)中所有總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義都按一定規(guī)則存儲(chǔ)，包括系統(tǒng)的邏輯控制、物理量的意義、比例關(guān)系、物理量的單位、有無(wú)符號(hào)位、編碼形式、故障代碼等相關(guān)信息，編碼根據(jù)需要從1個(gè)到幾十個(gè)字節(jié)。

基于ICD的數(shù)據(jù)總線調(diào)試系統(tǒng)分為硬件ICD和軟件ICD，整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)以ICD數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，向上對(duì)局部網(wǎng)絡(luò)總線通信的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)翻譯、顯示、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、總線控制等模塊；向下對(duì)底層物理層等開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)塊和RT地址映射等模塊，整個(gè)ICD庫(kù)由專用可編程數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具統(tǒng)一管理，其功能如圖3所示。

2.3 聯(lián)合式航空電子綜合仿真測(cè)試

基本設(shè)計(jì)思路是用具有BC/RT/BM功能的31個(gè)仿真能力的1553B總線仿真測(cè)試卡，與對(duì)應(yīng)的多臺(tái)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行功能子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中采集和總線數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有聯(lián)合式方式，從而組成高度仿真的測(cè)試系統(tǒng)硬件環(huán)境。其中，各計(jì)算機(jī)配合總線板卡可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的仿真、采集、記錄、網(wǎng)絡(luò)總線數(shù)據(jù)發(fā)送、總線系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、總線負(fù)載的測(cè)量。由于各總線節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立仿真，因此這種綜合仿真測(cè)試系統(tǒng)可以真實(shí)模擬1個(gè)BC和多個(gè)靜態(tài)RT的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試。

圖3 ICD數(shù)據(jù)庫(kù)功能

這種測(cè)試模式的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)能夠?qū)崟r(shí)采集不同總線的所有數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)廣播到其他節(jié)點(diǎn)上；(2)可隨時(shí)根據(jù)1個(gè)或多個(gè)已定義好的數(shù)據(jù)塊號(hào)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中把相關(guān)的邏輯含義讀到控制程序中，當(dāng)從1553B MBI板卡采到數(shù)據(jù)時(shí)便可自動(dòng)依照邏輯含義進(jìn)行解釋處理，結(jié)果傳輸給顯示模塊；(3)總線節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和處理的完全存儲(chǔ)功能，對(duì)控制信息、數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息進(jìn)行模塊管理。

3 ICD庫(kù)總線測(cè)試的要求

3.1 實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸控制

MIL-STD-1553B總線是半雙工方式的串行異步通信，是維系航空電子系統(tǒng)設(shè)備間協(xié)調(diào)工作的數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此，必須考慮數(shù)據(jù)的綜合調(diào)度與分配和數(shù)據(jù)的同步，解決的方式是按固定的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間表工作，即周期性地安排數(shù)據(jù)傳輸，需要根據(jù)數(shù)據(jù)通信任務(wù)的最大和最小發(fā)送周期以及允許的傳輸延遲來(lái)確定時(shí)間表的安排，控制原則是消息傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)刷新率最低的設(shè)為大周期(稱為大幀)；消息傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)刷新率最高的設(shè)為小周期(稱為小幀)。在1個(gè)大周期內(nèi)，所有周期性的傳輸至少發(fā)生1次。為了設(shè)計(jì)方便，大周期通常被分為2N個(gè)小周期，當(dāng)周期性的消息傳輸完成后，在總線的空余時(shí)間進(jìn)行非周期消息或臨時(shí)消息傳遞，考慮到總線負(fù)載的均勻分布，每個(gè)小周期安排總的消息傳輸量應(yīng)該是相當(dāng)?shù)模淇刂品绞饺鐖D4所示。

3.2 總線負(fù)載

聯(lián)合式總線控制一般采用基帶傳輸方式，總線負(fù)載描述了承擔(dān)的數(shù)據(jù)傳輸量，它是一段時(shí)間內(nèi)總線傳輸活動(dòng)時(shí)間與這段時(shí)間的比值，一般用百分率表示?？偩€負(fù)載反映了數(shù)據(jù)總線的傳輸總能力的利用率，是衡量總線效率和總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的重要因素。由于總線系統(tǒng)大體上是按大周期循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模虼?，在?shí)際計(jì)算總線負(fù)載時(shí)取大周期為基本時(shí)間段。

圖4 總線消息的周期控制方式

在實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求總線負(fù)載不超過(guò)50%，為系統(tǒng)的擴(kuò)展留出余地，同時(shí)可以充分考慮突發(fā)性的消息重試、故障恢復(fù)和總線控制權(quán)的切換等因素。

在院校新機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和工廠各類型測(cè)試系統(tǒng)研制過(guò)程中，利用本文研究的方法，重點(diǎn)搭建基于ICD庫(kù)方式的總線仿真調(diào)試環(huán)境，對(duì)聯(lián)合式航空電子綜合進(jìn)行了高度仿真實(shí)裝環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)試，為分析航空電子設(shè)備系統(tǒng)機(jī)理和故障模式等因素提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)踐表明，這種調(diào)試方式符合國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，具有良好地推廣應(yīng)用前景。

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