白 曦，張 鵬

(中國(guó)航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所第8研究室，陜西西安 710119)

傳統(tǒng)的航電仿真平臺(tái)存在以下問(wèn)題:(1)專用性。特定的仿真計(jì)算機(jī)需搭載特定的模擬器，兩者需要一一對(duì)應(yīng);仿真器的專用性，需針對(duì)不同的物理系統(tǒng)開發(fā)仿真系統(tǒng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)不利于仿真系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)。(2)仿真實(shí)時(shí)性差。為保證實(shí)時(shí)性，仿真平臺(tái)增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)［1-2］。

文中基于實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)技術(shù)，完成通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，解決了航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)專用性限制和仿真實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。

1 反射內(nèi)存網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

通常在搭建仿真平臺(tái)時(shí)，采用以太網(wǎng)技術(shù)。但由于以太網(wǎng)技術(shù)無(wú)法確保通信的確定性和實(shí)時(shí)性，因此不能直接用于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，需依靠軟件手段提供一定的服務(wù)保證機(jī)制以確保通信的實(shí)時(shí)性，這便增加了仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

反射內(nèi)存網(wǎng)(RFM網(wǎng)絡(luò))是一種新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，支持環(huán)形/星形拓?fù)?，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速?gòu)?fù)制，為多機(jī)系統(tǒng)建立分布式共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)提供支持。其優(yōu)點(diǎn)是高速、實(shí)時(shí)、確定性、高吞吐量和低誤碼率，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延≤700 ns，上述特點(diǎn)適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建和仿真。

2 通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析

通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)［3］應(yīng)提供以下基本功能和性能要求:(1)應(yīng)為任務(wù)系統(tǒng)軟件的調(diào)試提供平臺(tái)，提供模擬量信號(hào)、離散量信號(hào)和模擬視頻等信號(hào)。(2)應(yīng)支持半實(shí)物仿真，將航電設(shè)備連接在仿真系統(tǒng)中，使仿真更接近真實(shí)情況，提高系統(tǒng)仿真的逼真度和仿真試驗(yàn)結(jié)果的置信度。(3)應(yīng)支持全數(shù)字仿真，采用數(shù)學(xué)、語(yǔ)言描述系統(tǒng)，并編寫程序在計(jì)算機(jī)上對(duì)實(shí)物進(jìn)行研究。(4)軟件應(yīng)采用模塊化開放式軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各仿真模塊的功能封裝，將仿真軟件劃分為一系列相對(duì)獨(dú)立的軟件。(5)軟件應(yīng)具有實(shí)時(shí)多任務(wù)處理功能，對(duì)仿真模型進(jìn)行周期調(diào)度，周期長(zhǎng)度可動(dòng)態(tài)設(shè)置，缺省情況下必須滿足RS422總線刷新周期。(6)軟件部署具有適應(yīng)性和可伸縮性，航電系統(tǒng)的多個(gè)組成軟件可視需要部署在不同的仿真計(jì)算機(jī)上，并可隨意增減工作站，靈活調(diào)整系統(tǒng)規(guī)模。

基于上述需求，文中將通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)劃分為實(shí)物子系統(tǒng)、接口子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)，如圖1所示。其中實(shí)物子系統(tǒng)是由航電設(shè)備構(gòu)成的物理子系統(tǒng)，用于半實(shí)物仿真。接口子系統(tǒng)是一個(gè)特殊的接口轉(zhuǎn)換單元，用于連接實(shí)物和仿真子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理接口的連接和不同接口協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，并用于半實(shí)物仿真。仿真子系統(tǒng)由普通的工控機(jī)/PC機(jī)組成，是仿真進(jìn)行的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，支持仿真模型的運(yùn)行和管理，同時(shí)用于半實(shí)物和全數(shù)字仿真。

圖1 航電仿真系統(tǒng)組成示意

其中，實(shí)物子系統(tǒng)不是必須部分，在整個(gè)航電系統(tǒng)開發(fā)的生命周期內(nèi)，可根據(jù)需要進(jìn)行添加或刪除，接口子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)是通用仿真航電系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，每個(gè)具備地面全數(shù)字仿真和地面半實(shí)物仿真能力的平臺(tái)必須擁有。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)系統(tǒng)

通用航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)由實(shí)物子系統(tǒng)和仿真平臺(tái)內(nèi)核組成［4］。實(shí)物子系統(tǒng)包括:任務(wù)子系統(tǒng)、電子戰(zhàn)子系統(tǒng)、通信導(dǎo)航子系統(tǒng)及顯卡子系統(tǒng)等，實(shí)物子系統(tǒng)可根據(jù)半數(shù)字仿真需要選用;仿真平臺(tái)內(nèi)核由接口子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)組成，仿真平臺(tái)內(nèi)核采用分布式仿真架構(gòu)，包括硬件基礎(chǔ)平臺(tái)和仿真系統(tǒng)軟件兩部分，如圖3所示。

圖3 仿真平臺(tái)內(nèi)核仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)

硬件基礎(chǔ)平臺(tái)由裝配有反射內(nèi)存卡的標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)陣列組成，互連網(wǎng)絡(luò)為反射內(nèi)存網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。工控機(jī)陣列通過(guò)反射內(nèi)存卡組網(wǎng)構(gòu)成多機(jī)分布式共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)。仿真子系統(tǒng)與接口子系統(tǒng)間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-422串行通信總線互連。工控機(jī)用于模型仿真和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。接口切換單元是一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊，其IO接口模塊硬件架構(gòu)采用開放體系結(jié)構(gòu)，接口支持PCIE標(biāo)準(zhǔn)接口，支持插入常見的AFDX、FC、1394等航電系統(tǒng)通信接口，該架構(gòu)具備較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

仿真系統(tǒng)軟件包括:仿真基礎(chǔ)環(huán)境、仿真模型庫(kù)管理組件、仿真前配置組件、仿真運(yùn)行期間管理組件和仿真后期統(tǒng)計(jì)分析組件、接口監(jiān)控機(jī)組件和接口切換單元軟件。

仿真基礎(chǔ)環(huán)境是一個(gè)基于QT開源UI框架的仿真集成開發(fā)環(huán)境，用于集成其他功能組件。仿真庫(kù)管理組件支持對(duì)仿真模型進(jìn)行增刪和查改操作，其目前支持的航電系統(tǒng)仿真模型如表1所示。

表1 航電系統(tǒng)仿真模型

仿真前配置組件用于配置、生成仿真藍(lán)圖，該藍(lán)圖用于指導(dǎo)仿真的進(jìn)行并作為仿真期間運(yùn)行管理組件的輸入。仿真藍(lán)圖以XML文件存在，其配置參數(shù)包括:(1)仿真構(gòu)型參數(shù)，配置參與仿真實(shí)驗(yàn)的各系統(tǒng)為仿真系統(tǒng)或真實(shí)系統(tǒng)。(2)參數(shù)初始值設(shè)置，包括物理環(huán)境參數(shù)、飛機(jī)飛行參數(shù)和戰(zhàn)術(shù)環(huán)境參數(shù)。(3)監(jiān)控參數(shù)選擇，如圖4所示。

圖4 仿真藍(lán)圖結(jié)構(gòu)

仿真運(yùn)行期間管理組件以仿真藍(lán)圖為輸入，啟動(dòng)運(yùn)行仿真模型，對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，完成預(yù)定的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)串口-反射網(wǎng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和在線參數(shù)更改功能?；玖鞒虨?(1)從指定配置文件載入任務(wù)配置數(shù)據(jù)。(2)根據(jù)任務(wù)配置數(shù)據(jù)，初始化物理環(huán)境參數(shù)、戰(zhàn)術(shù)環(huán)境參數(shù)和飛機(jī)飛行參數(shù)，完成這些參數(shù)的設(shè)置和初始化界面顯示。(3)根據(jù)任務(wù)配置數(shù)據(jù)，設(shè)置物理環(huán)境參數(shù)、戰(zhàn)術(shù)環(huán)境參數(shù)和飛機(jī)飛行參數(shù)的初始值。(4)按照仿真構(gòu)型設(shè)置，向綜合接口裝置發(fā)送指令，設(shè)置系統(tǒng)仿真構(gòu)型。(5)按照仿真構(gòu)型設(shè)置，設(shè)置和顯示對(duì)應(yīng)的航電系統(tǒng)仿真監(jiān)控界面和參數(shù)修改界面。(6)按照仿真構(gòu)型設(shè)置，加載對(duì)應(yīng)的航電系統(tǒng)仿真模型。(7)啟動(dòng)加載的各系統(tǒng)模型，開始仿真試驗(yàn)。

仿真后期統(tǒng)計(jì)分析組件，支持對(duì)數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)操作和仿真過(guò)程的重演。

接口監(jiān)控機(jī)組件用于生成接口映射配置數(shù)據(jù)、向接口切換單元燒寫配置數(shù)據(jù)、監(jiān)控并實(shí)時(shí)采集通信數(shù)據(jù)。接口映射配置數(shù)據(jù)用于建立仿真子系統(tǒng)串口與實(shí)物子系統(tǒng)接口間的映射關(guān)系。采用配置數(shù)據(jù)接口映射可實(shí)現(xiàn)仿真子系統(tǒng)和實(shí)物子系統(tǒng)間的解耦，提高系統(tǒng)仿真的靈活性。表2是一種仿真構(gòu)型的接口-串口映射關(guān)系示例。

表2 實(shí)物子系統(tǒng)接口與串口映射關(guān)系示例

接口切換單元軟件包括:接口映射配置數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件和監(jiān)控軟件，均固化在接口切換單元上，固化工具為接口監(jiān)控機(jī)組件附帶的燒寫工具。接口切換單元在通電后，首先讀取接口映射配置數(shù)據(jù)，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件的初始化。然后進(jìn)入就緒狀態(tài)，當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)，協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件將立即啟動(dòng)，完成對(duì)消息的校驗(yàn)、緩沖、轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

在仿真階段，仿真計(jì)算機(jī)上駐留著一個(gè)或多個(gè)航電設(shè)備仿真模型，每個(gè)航電設(shè)備模型對(duì)應(yīng)一個(gè)仿真設(shè)備。仿真模型通過(guò)對(duì)特定設(shè)備輸入輸出和行為的模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的仿真。在仿真進(jìn)行階段，仿真模型通過(guò)工控機(jī)將數(shù)據(jù)寫入到本地反射內(nèi)存，反射內(nèi)存硬件通信協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)廣播，其他工控機(jī)節(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存卡數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)更新。此外，每臺(tái)工控機(jī)上有仿真運(yùn)行環(huán)境軟件，負(fù)責(zé)仿真模型管理、仿真管理和仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

3 仿真系統(tǒng)原型系統(tǒng)測(cè)試

基于文中的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)原型，搭建了測(cè)試環(huán)境對(duì)其功能性能進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試環(huán)境包括:(1)硬件環(huán)境:1臺(tái)航電系統(tǒng)任務(wù)計(jì)算機(jī)和1臺(tái)顯控計(jì)算機(jī)(用于仿真實(shí)物子系統(tǒng))+3臺(tái)PC機(jī)(其中2臺(tái)用于仿真子系統(tǒng)運(yùn)行，1臺(tái)用于接口子系統(tǒng)運(yùn)行)+1臺(tái)接口切換單元設(shè)備。(2)軟件環(huán)境:WindowsXP操作系統(tǒng)+仿真系統(tǒng)軟件內(nèi)核軟件。(3)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境:反射內(nèi)存網(wǎng)+422串口網(wǎng)絡(luò)。(4)測(cè)試軟件部署，如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)軟件測(cè)試環(huán)境示意

通過(guò)搭建半實(shí)物仿真環(huán)境，觀察仿真運(yùn)行期間管理組件的參數(shù)監(jiān)控界面輸出、接口監(jiān)控組件的參數(shù)監(jiān)控界面輸出以及顯控計(jì)算機(jī)的操作指令，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)刷新和顯控指令基本一致，表明系統(tǒng)的功能正確，該設(shè)計(jì)方案合理。圖6、圖7是參數(shù)監(jiān)控界面輸出截圖。

圖6 飛控模型參數(shù)監(jiān)控輸出快照

圖7 接口監(jiān)控組件參數(shù)監(jiān)控輸出快照

4 結(jié)束語(yǔ)

文中首先對(duì)航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)進(jìn)行抽象，將其劃分為實(shí)物子系統(tǒng)、接口轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)，然后逐步細(xì)化完成了接口轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終通過(guò)搭建原型系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。下一步將從豐富模型庫(kù)中的模型、系統(tǒng)性能優(yōu)化和工程化3方面對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行完善?；谠摲桨傅暮诫娤到y(tǒng)仿真平臺(tái)可應(yīng)用于，新一代航電系統(tǒng)的前期技術(shù)方案論證與評(píng)估，并且支持并行研制航電子系統(tǒng)/設(shè)備，可縮短航電系統(tǒng)研制時(shí)間。

［1］胡樂(lè)申.實(shí)時(shí)分布仿真環(huán)境的研究與應(yīng)用［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［2］諸文潔.綜合航電仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2010(1):15-18.

［3］熊鵬飛，秦開宇，陳華偉，等.基于多線程MVC模式的航電仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2012(6):120-123.

［4］孫亞紅.基于Windows平臺(tái)的分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)［J］.電子科技，2012，25(3):62-65.