孔維剛 白 楊 雷 紅

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)

孔維剛 白 楊 雷 紅

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

通過(guò)分析AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的測(cè)試需求，文章給出了一種AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)可以很好的滿足測(cè)試要求，能顯著提高測(cè)試效率。

AFDX網(wǎng)絡(luò)；傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器；測(cè)試設(shè)備

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)是一種確定、實(shí)時(shí)的全雙工交換式以太網(wǎng)，是當(dāng)前公認(rèn)的主流機(jī)載網(wǎng)絡(luò)之一[2]。傳統(tǒng)的AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)是同軸電纜，缺點(diǎn)是重量大，傳輸距離較近。為了克服同軸電纜的這些缺點(diǎn)，一些AFDX網(wǎng)絡(luò)使用了光纖作為傳輸介質(zhì)，但并未完全替代同軸電纜，因此需要AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器為同軸電纜和光纖提供信號(hào)轉(zhuǎn)換。為了保證AFDX通信的確定性和實(shí)時(shí)性，對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確性、數(shù)據(jù)幀順序、轉(zhuǎn)換延遲提出了嚴(yán)格的要求。

針對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的功能性能特點(diǎn)，文中提出了一種 AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，用于AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的功能性能測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證，該測(cè)試設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，能顯著提高測(cè)試效率。

1 概述

1.1測(cè)試需求分析

通過(guò)分析被測(cè)單元（AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器）的功能性能，得到測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)的需求如下：

（1）能雙向收發(fā)100Mbps的AFDX數(shù)據(jù)幀；

（2）能進(jìn)行AFDX數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換正確性測(cè)試；

（3）能進(jìn)行AFDX數(shù)據(jù)幀順序測(cè)試；

（4）能測(cè)量轉(zhuǎn)換延遲，精度不低于50ns。

1.2總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)測(cè)試需求分析，測(cè)試設(shè)備可以通過(guò)提供激勵(lì) AFDX數(shù)據(jù)給被測(cè)單元，并接收被測(cè)單元返回的AFDX數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)測(cè)試。具體思路如下：

針對(duì)測(cè)試需求（1），根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)ARINC664 part7規(guī)范，AFDX網(wǎng)絡(luò)物理層每個(gè)端口的速率應(yīng)該配置為 10Mbps或100Mbps，全雙工操作，速率不能自適應(yīng)[1]。在測(cè)試設(shè)備中，通過(guò)定義 AFDX網(wǎng)絡(luò)配置表中的端口速率來(lái)滿足收發(fā)速率100Mbps和全雙工要求。此外，為了充分驗(yàn)證被測(cè)單元的處理能力，測(cè)試設(shè)備的發(fā)送端口可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的線速（能夠得到的最大的幀速率）發(fā)送幀，接收端口可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的線速接收幀。

針對(duì)測(cè)試需求（2），測(cè)試設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)幀經(jīng)被測(cè)單元，返回測(cè)試設(shè)備，通過(guò)比較測(cè)試設(shè)備接收端口接收到的 AFDX數(shù)據(jù)幀與發(fā)送端口發(fā)送的AFDX數(shù)據(jù)幀內(nèi)容，來(lái)實(shí)現(xiàn)正確性測(cè)試，當(dāng)收發(fā)數(shù)據(jù)幀內(nèi)容不一致（錯(cuò)誤）時(shí)，測(cè)試停止，并打印測(cè)試結(jié)果。

針對(duì)測(cè)試需求（3），測(cè)試設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)幀具有一定的規(guī)律性，連續(xù)的一定數(shù)量的幀（這些幀的內(nèi)容不重復(fù)）周期性發(fā)出，經(jīng)過(guò)被測(cè)單元后，測(cè)試設(shè)備在接收端重新接收這些幀，通過(guò)對(duì)比這些幀的順序是否和發(fā)送的幀順序一致，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀順序測(cè)試。

針對(duì)測(cè)試需求（4），AFDX網(wǎng)絡(luò)物理層處理芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送使能信號(hào)之間的延遲是固定的，接收數(shù)據(jù)和接收有效信號(hào)之間的延遲是固定的，因此測(cè)試AFDX數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換延遲，可以轉(zhuǎn)換為測(cè)試發(fā)送使能信號(hào)和接收有效信號(hào)之間的延遲時(shí)間。為了使得測(cè)試精度滿足測(cè)試要求，且易于觀測(cè)，可以將物理層處理芯片的發(fā)送使能信號(hào)和接收有效信號(hào)引出，通過(guò)示波器測(cè)量得到。

為了使測(cè)試更加實(shí)用，設(shè)計(jì)中還進(jìn)行了如下考慮：

（1）體積小，便于搬運(yùn)；

（2）操作簡(jiǎn)單，具有友好的界面；

（3）在設(shè)計(jì)中，測(cè)試設(shè)備界面接口為通用的RJ45電纜接口和SC光纜接口。測(cè)試設(shè)備與PC機(jī)通過(guò)串口通信，在PC機(jī)上選擇測(cè)試項(xiàng)目，并打印測(cè)試結(jié)果。

AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器通過(guò)調(diào)試線纜，將電纜和光纜接口轉(zhuǎn)換為通用的RJ45電纜接口和SC光纜接口，實(shí)現(xiàn)與測(cè)試設(shè)備的連接。

2 硬件設(shè)計(jì)

AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器測(cè)試設(shè)備功能框圖如圖1所示，硬件由AFDX通信卡、母板、電源模塊、機(jī)箱組成。

圖1　測(cè)試設(shè)備功能框圖

2.1AFDX通信卡

在設(shè)計(jì)中，AFDX通信卡是核心單元，負(fù)責(zé)AFDX數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。將AFDX通信卡物理層處理芯片的接收有效信號(hào)RX和發(fā)送使能信號(hào)TX通過(guò)連接器引出到母板，同AFDX通信卡的兩路電纜接口（A路和B路）和串口一起，經(jīng)過(guò)母板和內(nèi)部線纜引出到機(jī)箱面板。

2.2母板設(shè)計(jì)

母板負(fù)責(zé)提供AFDX通信卡的安裝槽位，給AFDX通信卡供電，并將AFDX通信卡各相關(guān)信號(hào)引出。

2.3電源設(shè)計(jì)

為了便于使用，測(cè)試設(shè)備供電為交流 220V/50Hz。在測(cè)試設(shè)備內(nèi)部設(shè)計(jì)了交流220V/50Hz轉(zhuǎn)直流的電源模塊，電源模塊輸出的直流電源VDUT經(jīng)內(nèi)部電纜輸出到面板，給被測(cè)單元供電。電源模塊輸出的直流電源5V給母板供電。

2.4機(jī)箱面板設(shè)計(jì)

為了便于測(cè)試操作，機(jī)箱面板進(jìn)行了如下具體設(shè)計(jì)：

（1）防差錯(cuò)設(shè)計(jì)：輸出給AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的供電接口采用防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，避免了正負(fù)極接錯(cuò)，配備了開(kāi)關(guān)和加電指示燈；

（2）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：測(cè)試設(shè)備的串口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) DB9連接器引出；兩路電纜接口（A路和B路）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座引出；兩路光纜接口（A路和B路）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SC連接器引出；

（3）測(cè)試點(diǎn)設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)換延遲測(cè)試用的發(fā)送使能信號(hào)測(cè)試點(diǎn)（TX）和接收有效信號(hào)測(cè)試點(diǎn)（RX），含對(duì)應(yīng)的地參考點(diǎn)，通過(guò)適合示波器探頭測(cè)量的測(cè)試端子引出。

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件主要完成AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的AFDX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確性測(cè)試和數(shù)據(jù)幀順序測(cè)試，并配合完成轉(zhuǎn)換延遲測(cè)試。為了充分驗(yàn)證AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的功能、性能，在測(cè)試軟件中主要考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)了長(zhǎng)、中、短三種長(zhǎng)度類(lèi)型的AFDX數(shù)據(jù)幀；

AFDX有效載荷幀的長(zhǎng)度為46字節(jié)～1500字節(jié)，測(cè)試軟件中設(shè)計(jì)了有效載荷幀長(zhǎng)度分別為1500字節(jié)、800字節(jié)、46字節(jié)三種長(zhǎng)度的AFDX數(shù)據(jù)幀。

（2）每種長(zhǎng)度類(lèi)型的數(shù)幀據(jù)進(jìn)行內(nèi)容覆蓋；

以有效載荷46字節(jié)的短幀內(nèi)容設(shè)計(jì)為例，如表1所示，每個(gè)字節(jié)從0（0000 0000）逐漸遞增至255（1111 1111），循環(huán)發(fā)送，保證了數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容覆蓋。

表1　AFDX數(shù)據(jù)幀的短幀（46字節(jié)）內(nèi)容設(shè)計(jì)

（3）三種長(zhǎng)度類(lèi)型的AFDX數(shù)據(jù)幀交替發(fā)送和接收，全雙工處理；

（4）大數(shù)據(jù)量100000個(gè)數(shù)據(jù)幀線速轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試；

（5）軟件自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的正確性和幀順序的正確性；

（6）對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換正確性和幀順序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并打印結(jié)果。

4 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備的使用效果，對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了功能性能測(cè)試。測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境如圖2所示。

AFDX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確性和幀順序測(cè)試：首先，運(yùn)行測(cè)試設(shè)備中的測(cè)試軟件，100Mbps的AFDX數(shù)據(jù)從測(cè)試設(shè)備電纜口A發(fā)出，經(jīng)同軸電纜發(fā)送給被測(cè)單元；接著，被測(cè)單元將電纜信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纜信號(hào)，經(jīng)光纖回送給測(cè)試設(shè)備光纜接口A，經(jīng)測(cè)試設(shè)備回環(huán)后通過(guò)光接口B，將數(shù)據(jù)經(jīng)光纖發(fā)給被測(cè)單元；最后，被測(cè)單元將光纜信號(hào)轉(zhuǎn)換為電纜信號(hào)，經(jīng)同軸電纜再次回到測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備對(duì)比分析AFDX數(shù)據(jù)的正確性和幀順序，并將統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果通過(guò)串口發(fā)給PC機(jī)。

轉(zhuǎn)換延遲測(cè)試：首先使用交叉網(wǎng)線將測(cè)試通道的電纜口A和B回環(huán)。示波器兩路探頭分別接測(cè)試點(diǎn)TX和RX，PC機(jī)運(yùn)行測(cè)試程序，在示波器中讀取TX和RX兩路波形上升沿之間的時(shí)間差Δt1；其次，拆除交叉網(wǎng)線，按圖2搭建測(cè)試環(huán)境，運(yùn)行測(cè)試程序，在示波器中讀取測(cè)試點(diǎn)TX和RX兩路波形上升沿之間的時(shí)間差Δt2；最后，計(jì)算Δt2-Δt1，得到 AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換延遲。

圖2　測(cè)試環(huán)境

測(cè)試驗(yàn)證的結(jié)果如下：

（1）測(cè)試設(shè)備支持100Mbps線速下滿負(fù)荷AFDX數(shù)據(jù)的全雙工收發(fā)測(cè)試；

（2）可以進(jìn)行AFDX數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換正確性和幀順序測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果通過(guò)串口打印出來(lái)；

（3）轉(zhuǎn)換延遲通過(guò)示波器測(cè)試，精度為10ns，滿足延遲測(cè)試精度要求。

經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)完全滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的測(cè)試需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了一種AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換器測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，對(duì)測(cè)試需求、硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該測(cè)試設(shè)備滿足測(cè)試要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)提高測(cè)試效率，降低生產(chǎn)成本有顯著作用。

[1] ARINC664P7.Aircraft data network part7:Avionics full duplex switched Ethernet(AFDX) network[S].Annapolis, Maryland,USA:Aeronautical Radio Inc,2005.

[2] 趙永庫(kù),唐來(lái)勝.AFDX網(wǎng)絡(luò)延遲計(jì)算方法[J].測(cè)控技術(shù). 2013,32(5):85-88.

[3] 趙永庫(kù),王紅春,唐來(lái)勝. AFDX網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延分析方法[J].電光與控制,2013,(4):81-83.

[4] 武華,鄧發(fā)俊,楊媛媛.基于PCIE的多FC子卡測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù),2015,(6):67-70.

Design of AFDX transmission medium translator test equipment

According to the analysis of test demand for AFDX transmission medium translator,this paper presents a design of test equipment for AFDX transmission medium translator. By verification, the result shows that the design meets test requirements and improves test efficiency greatly.

AFDX; transmission medium translator; test equipment

TP399

A

1008-1151(2015)11-0003-02

2015-10-12

孔維剛，中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信。