謝前進，張梅梅，張 俊，汪高峰,王利祥

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

在航電系統(tǒng)地面聯(lián)試中，由于航電系統(tǒng)頂層設(shè)計經(jīng)常需要修改和完善，因而航電系統(tǒng)也需要進行相應(yīng)的修改和調(diào)試。一般而言，對航電系統(tǒng)的修改和調(diào)試需要相應(yīng)的航電系統(tǒng)設(shè)備配合才能完成。但是，在型號試驗前期，通常只有部分航電成件參與航電系統(tǒng)的調(diào)試、試驗，因此，為了保證試驗中航電系統(tǒng)的完整性，需要使用各種航電系統(tǒng)設(shè)備仿真器來替代真實成件，仿真各種相關(guān)的總線信號?，F(xiàn)階段，國內(nèi)各飛機總體所開發(fā)的航電系統(tǒng)設(shè)備仿真器都是根據(jù)某個具體航電設(shè)備的要求“量身定做”的，一般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接口來實現(xiàn)的。這樣的方法有兩個缺點，一個是缺乏通用性，不同航電設(shè)備的仿真系統(tǒng)不能通用；再一個是缺乏靈活性，因為它直接將被仿真對象的信息描述于軟件代碼中，而這些信息在航電系統(tǒng)的設(shè)計過程中可能經(jīng)常需要改變，這時就要頻繁地修改仿真軟件。按照軟件工程的要求，軟件的每次修改都要經(jīng)過嚴格的測試，這就使得仿真系統(tǒng)難以維護。

1 仿真平臺的總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思想

為了克服現(xiàn)有航電系統(tǒng)仿真器的不足，該仿真平臺通過建立仿真數(shù)據(jù)庫，從待仿真的航電系統(tǒng)設(shè)備中的接口信息抽象出屬性和行為，然后用數(shù)據(jù)庫的方式來描述。仿真軟件的主要功能是在接收到激勵數(shù)據(jù)時通過對仿真數(shù)據(jù)庫分析，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，返回合理的響應(yīng)數(shù)據(jù)。該仿真平臺采用“仿真軟件+仿真數(shù)據(jù)庫”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)庫來描述待仿真的航電設(shè)備總線接口信息的抽象屬性和行為，實現(xiàn)仿真軟件和仿真對象的分離，從而使該仿真平臺具備了通用性和可擴展性。

1.2 通用仿真平臺和非通用仿真設(shè)備比較（圖1）

圖1 通用仿真平臺和非通用仿真設(shè)備比較

參照圖1，與非通用的仿真設(shè)備（圖1a）相比，通用仿真平臺(圖1b)的主要變化是增加了仿真數(shù)據(jù)庫，將原來用代碼實現(xiàn)的被仿真設(shè)備接口的信息抽象出來用仿真數(shù)據(jù)庫描述。在仿真時，仿真軟件根據(jù)所接收到的激勵數(shù)據(jù)對仿真數(shù)據(jù)庫進行分析和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，返回符合設(shè)計要求的響應(yīng)數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了仿真軟件與仿真對象的分離，使得仿真軟件不再只是針對某個航電設(shè)備專用，而是針對總線式航電系統(tǒng)的通用仿真軟件。同時，由于仿真數(shù)據(jù)庫的填寫和修改都很容易，所以該仿真平臺具有很好的靈活性。該仿真平臺中還增加了網(wǎng)絡(luò)接口卡，用于連接航電系統(tǒng)中飛行數(shù)據(jù)源，仿真設(shè)備可以從飛行數(shù)據(jù)包中取出相關(guān)的參數(shù)來更新自身狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)仿真?？偩€接口卡為該仿真平臺提供所需的電氣接口和物理特性，根據(jù)目前航電系統(tǒng)所使用的總線類型，選用的接口卡包括1553總線卡、422總線卡和429總線卡。這就使該仿真平臺具備3種常用的接口卡，能夠?qū)Σ煌暮诫娫O(shè)備進行仿真，實現(xiàn)了總線接口仿真。

1.3 航電系統(tǒng)仿真信息的抽象

在實際工作中，設(shè)計人員用接口控制文件和詳細設(shè)計需求文件來定義航電設(shè)備的行為。其中，詳細設(shè)計需求文件主要用來描述設(shè)備接收到總線數(shù)據(jù)或指令后的行為、狀態(tài)切換和響應(yīng)，而接口控制文件用來描述接收和響應(yīng)的數(shù)據(jù)塊的格式，兩種文件結(jié)合在一起就可以作為航電設(shè)備的設(shè)計要求。為了用軟件描述航電設(shè)備，可將航電設(shè)備的行為抽象為一個接收到特定激勵并返回特定響應(yīng)的激勵響應(yīng)體，并根據(jù)接口控制文件的描述，將數(shù)據(jù)塊的描述要點抽象出來，在軟件中設(shè)定設(shè)備的激勵響應(yīng)行為和數(shù)據(jù)?；谝陨系目紤]，本平臺將對航電系統(tǒng)各功能組成部件進行抽象，將航電系統(tǒng)各部件的總線行為歸納為各種數(shù)據(jù)庫表格，完成航電部件的建模過程。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

仿真平臺需要對航電系統(tǒng)的422設(shè)備、429設(shè)備、1553總線設(shè)備進行仿真，根據(jù)該仿真平臺要實現(xiàn)的功能以及各功能之間的關(guān)系，將仿真系統(tǒng)軟件分為以下3個主要部分：初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊、主仿真模塊。

2.1 初始化模塊軟件設(shè)計

初始化模塊主要是將仿真數(shù)據(jù)庫中的各個表格加載到內(nèi)存中，并按照各表之間的聯(lián)系重新鏈接，另外提供對仿真數(shù)據(jù)完整性的檢查。初始化模塊會按照硬件資源表中的信息對硬件進行初始化。初始化模塊也會檢測網(wǎng)絡(luò)連接情況、初始化網(wǎng)絡(luò)接口，此外初始化用戶界面和建立仿真數(shù)據(jù)記錄文件的工作也是在該部分完成的。

2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊主要負責(zé)處理飛行數(shù)據(jù)源送出的動態(tài)飛行數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)動態(tài)仿真。飛行數(shù)據(jù)源利用UDP協(xié)議定時發(fā)出動態(tài)飛行數(shù)據(jù)包。UDP協(xié)議只規(guī)定了接收端的端口號而不指定IP地址，所以網(wǎng)絡(luò)上的多臺計算機可以用同一端口號同時接收通過UDP協(xié)議傳送來的數(shù)據(jù)，從而保證了多臺仿真計算機動態(tài)仿真的同步性。仿真軟件接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包后，即查找網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射表，根據(jù)源數(shù)據(jù)和目的數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系依次轉(zhuǎn)換，刷新目的數(shù)據(jù)的值。這就使得仿真設(shè)備的狀態(tài)跟隨飛行數(shù)據(jù)源上虛擬飛機的飛行過程變化，從而實現(xiàn)了動態(tài)仿真。

2.3 主仿真模塊軟件設(shè)計

主仿真模塊是仿真軟件的核心，主要負責(zé)接收總線上傳來的激勵數(shù)據(jù)塊，然后按照仿真數(shù)據(jù)庫的要求對激勵數(shù)據(jù)進行處理并返回對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。在仿真過程中，系統(tǒng)接收到外部的激勵數(shù)據(jù)后，仿真軟件將按照激勵數(shù)據(jù)的來源及內(nèi)容并配合其它輔助的檢索詞在激勵響應(yīng)表及數(shù)據(jù)塊表中檢索。在檢索到相應(yīng)的記錄后，仿真軟件首先將接收到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)元素表中的處理方式進行處理，并將處理結(jié)果更新到數(shù)據(jù)元素表中，仿真軟件將按照激勵響應(yīng)表填寫的返回塊名稱和返回塊標識到數(shù)據(jù)塊表中檢索響應(yīng)數(shù)據(jù)塊，組織返回響應(yīng)，比如確定系統(tǒng)響應(yīng)的次數(shù)，響應(yīng)的周期以及通過哪一子地址返回等。全部響應(yīng)數(shù)據(jù)塊返回完畢后，仿真軟件會將這個激勵響應(yīng)過程中的數(shù)據(jù)保存到仿真記錄文件中以備回放之用。

2.4 仿真系統(tǒng)實時性的提高

系統(tǒng)對實時性要求較高，一般的數(shù)據(jù)刷新都在50ms以內(nèi)，在軟件實現(xiàn)上，采取了以下兩點措施以提高仿真的實時性。

1)在軟件初始化時，將仿真數(shù)據(jù)信息加載到內(nèi)存，仿真運行過程中不再檢索硬盤上的仿真數(shù)據(jù)信息，由于計算機訪問內(nèi)存的速度遠遠高于訪問硬盤的速度，因而仿真速度大大提高；

2)使用多線程技術(shù)，將處理底層板卡事件和響應(yīng)用戶事件的代碼置于不同線程。實際測試表明，這些措施極大地提高了軟件的實時性，滿足了仿真平臺對實時性的要求。

2.5 仿真平臺硬件構(gòu)成

仿真平臺硬件采用計算機結(jié)合接口板卡的結(jié)構(gòu)，計算機是仿真系統(tǒng)軟件運行平臺，而接口板卡是各種被仿真設(shè)備接口的硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件由一臺4U工控機插入429卡、422卡組成429、422仿真計算機。429卡和422卡均為8入8出的PCI總線卡，由一臺2U工控機插入1塊雙通道1553B總線卡組成1553設(shè)備接口仿真器。采用以上硬件結(jié)構(gòu)可保證對各種航電系統(tǒng)設(shè)備仿真的硬件支持。

3 仿真數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 仿真信息的抽象

仿真數(shù)據(jù)庫是通用仿真平臺的一個設(shè)計重點，因為它要描述被仿真對象的行為和屬性等方面信息。為了確定仿真數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，對仿真航電設(shè)備可能需要的信息進行抽象：

1)硬件信息：

航電設(shè)備接口部分的硬件信息，包括了各種接口類型及其相關(guān)參數(shù)，如1553總線設(shè)備的RT號、422總線設(shè)備的波特率以及429總線設(shè)備的通訊速率等信息；

2)激勵響應(yīng)信息：

航電設(shè)備接口仿真過程中的數(shù)據(jù)、行為以及激勵響應(yīng)處理方式；

3)設(shè)備狀態(tài)信息：

仿真設(shè)備所有的自身狀態(tài)信息，比如傳感器數(shù)據(jù)，這些狀態(tài)應(yīng)該顯示在仿真界面上并容易被修改；

4)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射信息：

飛行數(shù)據(jù)源發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中含有多種設(shè)備的參數(shù)，由于每個航電設(shè)備所使用的參數(shù)只是該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的一部分，因此需要為仿真設(shè)備從中選出和該設(shè)備有關(guān)的參數(shù)，并指定這些參數(shù)與設(shè)備信息之間的映射關(guān)系。

3.2 仿真數(shù)據(jù)庫原理

圖2 仿真數(shù)據(jù)庫設(shè)計原理

根據(jù)上述要求，提出了如圖2所示的仿真數(shù)據(jù)庫的組成結(jié)構(gòu)。它是由硬件資源表、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射表、激勵響應(yīng)表、數(shù)據(jù)塊表、條件表、數(shù)據(jù)元素表和設(shè)備狀態(tài)表共7類表格組成。硬件資源表和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射表在仿真數(shù)據(jù)庫中是唯一的，而另外5類表格的個數(shù)由用戶所需仿真設(shè)備的個數(shù)決定，并且格式也因設(shè)備的總線類型不同而略有不同。硬件資源表主要用于記錄仿真設(shè)備的硬件接口信息，它包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型和相關(guān)的幾個參數(shù) (如1553設(shè)備的RT號、422設(shè)備的通道號和波特率等)。每個仿真設(shè)備在硬件資源表中必須有且僅有一條記錄。激勵響應(yīng)表、數(shù)據(jù)塊表和數(shù)據(jù)元素表組合起來用于描述航電設(shè)備接口的行為。因為設(shè)備的激勵響應(yīng)數(shù)據(jù)多表現(xiàn)為數(shù)據(jù)塊的形式，所以用數(shù)據(jù)塊表來描述所有數(shù)據(jù)塊的信息。而數(shù)據(jù)塊又是由多個數(shù)據(jù)元素組成，所以用數(shù)據(jù)元素表進一步描述數(shù)據(jù)塊的內(nèi)部信息。激勵響應(yīng)表主要用來記錄仿真設(shè)備所有激勵響應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系。以1553總線設(shè)備為例，它的激勵響應(yīng)表主要由以下3部分組成：激勵數(shù)據(jù)塊的來源及內(nèi)容(包括激勵數(shù)據(jù)分地址、激勵數(shù)據(jù)塊名稱)、響應(yīng)數(shù)據(jù)塊的去向及內(nèi)容(包括響應(yīng)數(shù)據(jù)分地址、響應(yīng)數(shù)據(jù)塊名稱)、返回響應(yīng)的行為描述(包括是否返回響應(yīng)、返回次數(shù)、返回周期、返回延遲、下一響應(yīng)塊等)。激勵響應(yīng)表通過數(shù)據(jù)塊名稱與數(shù)據(jù)塊表連接。數(shù)據(jù)塊表記錄了激勵響應(yīng)表中的所有數(shù)據(jù)塊，它包括數(shù)據(jù)塊名稱、數(shù)據(jù)塊描述、包含的數(shù)據(jù)元素數(shù)及其組成結(jié)構(gòu)。1553總線設(shè)備數(shù)據(jù)塊的組成結(jié)構(gòu)一般為控制字(0～M個)+數(shù)據(jù)字(0～N個)?？刂谱值膬?nèi)容是不變的，可直接填于表中配合激勵響應(yīng)表中的其它信息用于激勵數(shù)據(jù)的檢索；數(shù)據(jù)字內(nèi)容是變化的，所以將它們的索引碼填于表中，根據(jù)索引碼到數(shù)據(jù)元素表中查找每一個數(shù)據(jù)字的內(nèi)容和處理方法等。數(shù)據(jù)塊表通過元素的索引碼與數(shù)據(jù)元素表連接。數(shù)據(jù)元素表用于描述數(shù)據(jù)塊中所有數(shù)據(jù)元素的處理方法。處理方法多是將總線上傳輸?shù)亩M制數(shù)值轉(zhuǎn)換成具有物理意義的十進制數(shù)值或反之，這種轉(zhuǎn)換通常具有線性關(guān)系，所以數(shù)據(jù)元素表主要描述數(shù)據(jù)元素的線性處理方法，它主要包括兩部分：元素描述(包括元素名、索引碼)和處理方法描述(包括是否處理、符號位、數(shù)據(jù)高位、數(shù)據(jù)低位、比例和偏移等)。設(shè)備狀態(tài)表中包含所有跟設(shè)備自身狀態(tài)信息有關(guān)的數(shù)據(jù)元素，它包括元素名、元素索引碼和元素默認值。在仿真過程中這些元素被顯示在界面上，使用戶可以隨時修改這些狀態(tài)。修改后通過索引碼更新數(shù)據(jù)元素表中相應(yīng)的數(shù)據(jù)元素。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射表主要用于描述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)(源數(shù)據(jù))與仿真設(shè)備的狀態(tài)(目的數(shù)據(jù))之間的映射信息，它包括設(shè)備名稱、源數(shù)據(jù)的個數(shù)、源數(shù)據(jù)偏移、源數(shù)據(jù)類型、目的數(shù)據(jù)索引號以及處理函數(shù)等信息。目的數(shù)據(jù)通過索引碼與數(shù)據(jù)元素表的數(shù)據(jù)相連。

4 仿真平臺的應(yīng)用

該仿真平臺在某型機航電系統(tǒng)地面聯(lián)試中得到了應(yīng)用。在試驗中，本仿真平臺對多個航電系統(tǒng)設(shè)備進行了仿真，有力的支持了航電系統(tǒng)試驗，大大縮短型號研制周期，節(jié)省研制成本，方便了軟件開發(fā)調(diào)試和航電系統(tǒng)試驗驗證。

5 結(jié)論

本仿真平臺采用仿真數(shù)據(jù)庫描述航電系統(tǒng)設(shè)備的接口信息，以填表的方法，用戶可以通過在仿真數(shù)據(jù)庫中填寫不同的仿真要求來仿真不同的設(shè)備，將航電設(shè)備的接口特性輸入到該仿真平臺中。在此平臺上，不同的設(shè)備只需填寫不同的仿真數(shù)據(jù)庫表即可構(gòu)建相應(yīng)的仿真器，不需要修改軟件代碼，因此具有通用性和靈活性。由于對仿真數(shù)據(jù)庫的填寫和修改都很簡單，因此使用本平臺構(gòu)建和修改航電系統(tǒng)仿真器方便快捷，大大加快了航電設(shè)備仿真器的開發(fā)速度，減少了開發(fā)工作量和時間。該仿真平臺已經(jīng)在某型機的航電系統(tǒng)地面聯(lián)試中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。

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