李 鍵，李 敏，鄧發(fā)俊

（中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所 陜西 西安 710119 ）

光纖通道技術(shù)在機(jī)載環(huán)境的應(yīng)用越來(lái)越普遍，在使用高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信的同時(shí)，更多關(guān)注轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)通信的正確性和完整性，尤其在機(jī)載環(huán)境下更加重要，更需要像傳統(tǒng)試飛過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)捕獲數(shù)據(jù)，為實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控以及事后分析提供有力的支撐。

國(guó)外為使用光纖通道的飛機(jī)的定型試飛研制了機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)，并專門(mén)為飛機(jī)上的光纖航電總線的測(cè)試研制了“高速數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)采集裝置”，可用來(lái)采集高速光纖航電總線上的部分或全部數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)載系統(tǒng)中使用的主要航電總線有ARINC429 總線、1553B 總線等，經(jīng)過(guò)多年的研究以及試飛驗(yàn)證，已成功解決其試飛測(cè)試技術(shù)，為飛機(jī)定型、總線系統(tǒng)的故 障分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[1]。而新興的光纖通道航電總線，其速率達(dá)2.125 Gbps，通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信數(shù)據(jù)量更為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)在機(jī)載數(shù)據(jù)采集方面技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾乎處于空白狀態(tài)，因此開(kāi)展其研究和設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 系統(tǒng)需求分析

光纖通道采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足試飛測(cè)試的系統(tǒng)要求，與傳統(tǒng)航電總線測(cè)試實(shí)現(xiàn)的功能一樣，光纖通道采集系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)建立特殊拓?fù)溥B接，在不影響原航電系統(tǒng)信息傳輸架構(gòu)和特性的前提下，獲取網(wǎng)絡(luò)上的信息；

2)100 %數(shù)據(jù)記錄，并與測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間建立同步關(guān)系。實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行時(shí)標(biāo)標(biāo)記，100%存儲(chǔ)到記錄介質(zhì)，供數(shù)據(jù)處理人員進(jìn)行飛行后處理。

3)實(shí)時(shí)提取并輸出用戶關(guān)心數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)析取用戶關(guān)心光纖通道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將其變換為機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)可接收的數(shù)據(jù)格式，由機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與其他測(cè)試數(shù)據(jù)整合后，通過(guò)遙測(cè)設(shè)備發(fā)送到地面。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

要滿足上述的系統(tǒng)需求，必須解決拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速數(shù)據(jù)采集、測(cè)試系統(tǒng)與采集系統(tǒng)時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

傳統(tǒng)1553B等總線型架構(gòu)，任何節(jié)點(diǎn)通信的消息在總線上都“可見(jiàn)”，只需將數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接到總線上，就可以接收到總線上的數(shù)據(jù)。而光纖通道采用基于交換式的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遍布整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，采集設(shè)備如果簡(jiǎn)單地接在交換機(jī)的F端口上，并不能監(jiān)控到任意端口的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的總線型測(cè)試方法測(cè)試方式完全不適用。因此在基于光纖通道的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮對(duì)通信數(shù)據(jù)的可監(jiān)測(cè)性，又要兼顧不影響正常的消息通信，具體方法是在交換機(jī)上除了設(shè)計(jì)正常的通信端口（F端口）以外，還增加監(jiān)控端口（M端口），用于對(duì)需要關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]如圖1所示，例如需要關(guān)心節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間的消息通信，通過(guò)配置設(shè)置可將節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間的消息映射到M端口，連接到M端口的測(cè)試設(shè)備或采集設(shè)備即可看到所關(guān)心的數(shù)據(jù)，以達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的目的。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topological structure

2.2 高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

由于光纖通道航電網(wǎng)絡(luò)速率2.125 Gbps，要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)100%采集和記錄，對(duì)高速數(shù)據(jù)的采集需滿足帶寬要求才可保證數(shù)據(jù)的完整性。現(xiàn)有機(jī)載設(shè)備中高速總線的使用逐漸普及，光纖通道作為主干網(wǎng)絡(luò)的通信總線，解決了數(shù)據(jù)通路的快速傳輸問(wèn)題，但同時(shí)也對(duì)處理模塊內(nèi)部總線的帶寬提出了挑戰(zhàn)，2.125 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率帶寬要求處理模塊內(nèi)部總線帶寬大于200 MB/s才可能把網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)接收或發(fā)送出去?？v觀高速串行總線的發(fā)展，能夠滿足傳輸要求的總線包括PCIe和RapidIO總線[3]，PCIe單線速率2.5 Gbps，4線傳輸理論帶寬遠(yuǎn)大于200 MB/s，RapidIO總線單線速率高達(dá)3.125 Gbps，4線傳輸理論帶寬同樣大于光纖通道所需帶寬，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集的需要，因此在設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)處理模塊時(shí)，對(duì)內(nèi)部總線的選擇可在上述兩種高速串行總線中選擇。

另外，通過(guò)光纖通道網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸速率快，如果接收信息單純采用緩沖和軟件解析方式顯然不能滿足高速采集的要求，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需盡量減少軟件的操作，對(duì)數(shù)據(jù)的采集和解析通過(guò)硬件方式實(shí)現(xiàn)，最大限度提高采集的效率。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)與采集系統(tǒng)時(shí)鐘同步技術(shù)研究

試飛測(cè)試數(shù)據(jù)處理中，通常會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)時(shí)間建立關(guān)系，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和事后分析處理，如果沒(méi)有時(shí)間同步關(guān)系，則采集的數(shù)據(jù)將不具備試驗(yàn)價(jià)值。因此在光纖通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需將采集的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和試飛測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間建立同步關(guān)系，與試飛測(cè)試用傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。

傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)通過(guò)接收機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)中的IRIG-B 授時(shí)碼，使采集系統(tǒng)與機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)建立統(tǒng)一的時(shí)間。在每個(gè)數(shù)據(jù)幀到來(lái)時(shí)，將幀數(shù)據(jù)打上時(shí)間標(biāo)記，這樣就可以確?？偩€數(shù)據(jù)與試飛用傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。借鑒上述的傳統(tǒng)同步方式，在光纖通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入IRIG-B時(shí)間碼同步機(jī)制，在硬件進(jìn)行采集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將IRIG-B的時(shí)間信息記錄下來(lái)，并通過(guò)硬件方式記錄在FC數(shù)據(jù)幀中，該時(shí)間信息即是數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)間，在數(shù)據(jù)處理和分析時(shí)通過(guò)對(duì)該時(shí)間的解析，即可知道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和測(cè)試系統(tǒng)之間的時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究和分析，在進(jìn)行光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需加以考慮和實(shí)現(xiàn)。

光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在采集航電網(wǎng)絡(luò)上的通信數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需進(jìn)行100%接收，接收到的光纖通道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一方面選擇性監(jiān)控，通過(guò)與測(cè)試系統(tǒng)的IRIG-B時(shí)間碼進(jìn)行同步，附加時(shí)間標(biāo)記后，生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送給遙測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方面通過(guò)專用總線全數(shù)記錄，供事后數(shù)據(jù)處理使用，從而實(shí)現(xiàn)光纖通道航電網(wǎng)絡(luò)飛行數(shù)據(jù)的重現(xiàn)功能4。采集系統(tǒng)在航電系統(tǒng)中的位置如圖2所示。

圖2 光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 2 Fibre channel data acquisition system

采集系統(tǒng)對(duì)外與機(jī)載航電系統(tǒng)、記錄設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備以及IRIG-B時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行互連。采集系統(tǒng)內(nèi)部包含供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)輸出單元和時(shí)鐘同步單元，其中供電系統(tǒng)為采集系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源供給，數(shù)據(jù)采集單元復(fù)雜接收來(lái)自航電系統(tǒng)中FC網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的FC數(shù)據(jù)，并與時(shí)鐘同步單元時(shí)碼信息建立關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理單元處理，生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，一方面通過(guò)百兆以太網(wǎng)輸出給遙測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方面數(shù)據(jù)處理單元處理的數(shù)據(jù)信息完整地通過(guò)千兆以太網(wǎng)送往記錄器進(jìn)行記錄，供事后數(shù)據(jù)處理使用。采集系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)內(nèi)部互連圖Fig. 3 Acquisition system internal interconnection network system

采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作由數(shù)據(jù)采集單元硬件完成，而生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包等工作則交由機(jī)載任務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理[5]。該軟件運(yùn)行在光纖通道采集系統(tǒng)上，設(shè)備上電后自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)機(jī)載配置文件中設(shè)置的工作模式進(jìn)入正常工作模式或調(diào)試模式。在正常工作模式下，光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集航電系統(tǒng)FC數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)載配置文件的設(shè)置，從相應(yīng)的FC幀中提取所關(guān)心的參數(shù)，再將提取后的參數(shù)打包成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，同時(shí)將從IRIG-B接口獲取的時(shí)標(biāo)信息加到數(shù)據(jù)包中，通過(guò)以太網(wǎng)將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)往記錄設(shè)備或遙測(cè)設(shè)備[6]。機(jī)載任務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件流程如圖4所示。數(shù)據(jù)解包打包流程如圖5所示。

圖4 機(jī)載任務(wù)軟件工作流程Fig. 4 Airborne software workflow task

圖5 數(shù)據(jù)解包/打包流程Fig. 5 Data unpacking/packing process

4 結(jié)束語(yǔ)

基于光纖通道的商用數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備在民用市場(chǎng)上已經(jīng)有不少的應(yīng)用實(shí)例，但在機(jī)載[7-8]領(lǐng)域還較為少見(jiàn)。對(duì)機(jī)載光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究有助于提高對(duì)機(jī)載高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集及測(cè)試研究的能力，為試飛驗(yàn)證等提供更好的支撐手段。

目前光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并已完成原理設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，待進(jìn)行充分測(cè)試后可轉(zhuǎn)入應(yīng)用驗(yàn)證。

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