馮曉林, 戴衛(wèi)兵, 彭國(guó)金

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 測(cè)試技術(shù)研究所, 陜西 西安 710089)

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C919飛機(jī)航空總線采集和實(shí)時(shí)分析技術(shù)

馮曉林, 戴衛(wèi)兵, 彭國(guó)金

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 測(cè)試技術(shù)研究所, 陜西 西安 710089)

為了采集和實(shí)時(shí)分析C919大型客機(jī)航電ARINC664總線數(shù)據(jù),研究大客飛機(jī)航電總線協(xié)議及測(cè)試總線數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了滿足機(jī)載測(cè)試需求的原理樣機(jī),并在航電實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,解決了新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)ARINC664總線數(shù)據(jù)的余度剔除、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析等難題,實(shí)現(xiàn)了總線數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)分析。該總線系統(tǒng)可以將重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)編碼發(fā)送到機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)、水配重或遙測(cè)下傳到地面監(jiān)控大廳,提高了飛行試驗(yàn)工作效率,為大客飛機(jī)試飛安全提供了技術(shù)保障。

ARINC664總線; 采集和實(shí)時(shí)分析; 余度剔除

0　引言

C919大型客機(jī)航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用了一種新型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)總線,該總線基于ARINC664總線協(xié)議,內(nèi)部數(shù)據(jù)融合了ARINC664P7,ARINC429,ARINC825等多種消息,具有帶寬大、集成度高、實(shí)時(shí)性和可靠性好等特點(diǎn),歐洲空客A380、波音787、巴西的CRJ系列飛機(jī)等均采用了該總線技術(shù)[1-2]。依據(jù)C919試飛測(cè)試需求,機(jī)載總線測(cè)試系統(tǒng)需在機(jī)上采集并實(shí)時(shí)分析該總線數(shù)據(jù),對(duì)重要參數(shù)實(shí)時(shí)編碼輸出,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,如發(fā)送到機(jī)上供工程師實(shí)時(shí)監(jiān)控、水配重、駕駛艙顯示、遙測(cè)下傳等。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,飛機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸大面積采用基于ARINC664協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)總線大勢(shì)所趨,C919飛機(jī)上部分國(guó)外供應(yīng)商的設(shè)備已經(jīng)采用并只保留了ARINC664總線接口。國(guó)內(nèi)試飛測(cè)試領(lǐng)域首次接觸ARINC664總線,沒(méi)有相關(guān)測(cè)試設(shè)備。為了滿足C919型號(hào)研制需求,并適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的需要,本文分析了C919飛機(jī)航電ARINC664總線的特點(diǎn),提出了ARINC664總線的測(cè)試方法,設(shè)計(jì)并研發(fā)了相關(guān)機(jī)載測(cè)試設(shè)備的原理樣機(jī),并在航電實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試,為C919大型客機(jī)順利試飛奠定了基礎(chǔ)。

1　對(duì)象分析

1.1測(cè)試對(duì)象分析

C919大型客機(jī)航電系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸采用了ARINC664雙余度網(wǎng)絡(luò)總線,該總線與其他飛機(jī)系統(tǒng)的交聯(lián)非常復(fù)雜,與主飛控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的部分信號(hào)、航電系統(tǒng)部分信號(hào)通過(guò)ARINC664總線直接交聯(lián),其余通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元(RDIU),將不同系統(tǒng)的ARINC429總線信號(hào)、ARINC829總線信號(hào)、離散量信號(hào)和模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為ARINC664總線信號(hào),最終接入到航電核心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。

為減小微處理器讀寫(xiě)速率并提高效率,C919飛機(jī)航電ARINC664總線數(shù)據(jù)格式以32 bits為界限進(jìn)行設(shè)計(jì),總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要包含ARINC664 P7數(shù)據(jù)、ARINC429(ARINC429塊)轉(zhuǎn)換的ARINC664 P7數(shù)據(jù)、ARINC825轉(zhuǎn)換的ARINC664 P7數(shù)據(jù)。其中ARINC664 P7數(shù)據(jù)即parametric類數(shù)據(jù),包含大量的模擬量和開(kāi)關(guān)量,其數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　A664 P7數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)Fig.1　A664 P7 message structure

C919飛機(jī)上還有大量的設(shè)備,其數(shù)據(jù)通訊仍然采用ARINC429總線接口和ARINC825總線接口。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,飛機(jī)上加裝了16個(gè)RDIU設(shè)備,通過(guò)RDIU可以將ARINC429總線、ARINC429塊總線、ARINC825總線轉(zhuǎn)換為ARINC664 P7總線。圖2表示ARINC429轉(zhuǎn)換為ARINC664 P7數(shù)據(jù)時(shí)原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。圖3表示ARINC825轉(zhuǎn)換為ARINC664 P7數(shù)據(jù)時(shí)原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

圖2　A429轉(zhuǎn)換A664 P7數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)Fig.2　A429 to A664 P7 message structure

圖3　A825轉(zhuǎn)換A664 P7數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)Fig.3　A825 to A664 P7 message structure

1.2測(cè)試需求分析

C919飛機(jī)試飛時(shí),要求可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航電數(shù)據(jù)的共享,需要將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到駕駛艙供飛行員監(jiān)控和參考;將飛機(jī)姿態(tài)、剩余油量等參數(shù)發(fā)送到裝機(jī)的水配重系統(tǒng),并通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)水配重系統(tǒng)在空中對(duì)飛機(jī)的重心進(jìn)行調(diào)整;將關(guān)鍵參數(shù)發(fā)送到地面監(jiān)控大廳,供地面科研人員實(shí)時(shí)掌握飛機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行參數(shù)等。分析測(cè)試需求,研究飛機(jī)航電總線數(shù)據(jù)的特點(diǎn),C919飛機(jī)航電總線測(cè)試的需求主要包括:

(1)能同時(shí)測(cè)量一條雙余度ARINC664網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)總線(兩條ARINC664總線),并可以進(jìn)行余度剔除;

(2)將剔除余度后的數(shù)據(jù)分兩路輸出,一路數(shù)據(jù)供記錄器100%記錄,另一路數(shù)據(jù)供實(shí)時(shí)分析、處理,兩路ARINC664數(shù)據(jù)完全一致;

(3)具有實(shí)時(shí)分析、處理能力,可以從ARINC664總線中挑選關(guān)鍵參數(shù)并打包輸出,輸出的數(shù)據(jù)能與機(jī)上的主測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享;

(4)輸出的數(shù)據(jù)格式滿足機(jī)上主測(cè)試系統(tǒng)的輸入要求,便于數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)遙測(cè)下傳功能;

(5)支持parametric類數(shù)據(jù)、ARINC429總線類數(shù)據(jù)、ARINC825總線類數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)分析;

(6)支持IEEE1588時(shí)間協(xié)議。

2　方案設(shè)計(jì)

2.1測(cè)試系統(tǒng)組成及工作原理

依據(jù)測(cè)試需求,設(shè)計(jì)滿足要求的機(jī)載ARINC664總線測(cè)試系統(tǒng)。按照功能不同,ARINC664總線測(cè)試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)接口及余度剔除單元、數(shù)據(jù)分析和處理單元、IEEE1588時(shí)間接口單元等組成[3],其工作原理如圖4所示。

系統(tǒng)工作時(shí),數(shù)據(jù)接口及余度剔除單元首先完成一條雙余度ARINC664總線的接收和分析,并將結(jié)果進(jìn)行比對(duì),保留一條完整的ARINC664總線數(shù)據(jù),然后將這條ARINC664總線分兩路輸出,其內(nèi)容和格式完全一致,其中一路直接輸入到機(jī)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄器,實(shí)現(xiàn)ARINC664總線數(shù)據(jù)的100%記錄[4];另一路數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)分析和分類單元,該單元主要對(duì)這條完整的ARINC664總線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分類,然后將這些分類好的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)解析單元。數(shù)據(jù)解析單元可以解析出各類數(shù)據(jù)并挑選關(guān)鍵參數(shù)編碼輸出,輸出的數(shù)據(jù)格式滿足飛機(jī)上機(jī)載數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的輸入接口要求,最終實(shí)現(xiàn)C919飛機(jī)航電參數(shù)的實(shí)時(shí)共享,例如PCM遙測(cè)、發(fā)送到水配重、駕駛艙實(shí)時(shí)顯示等。

圖4　A664總線測(cè)試設(shè)備工作原理Fig.4　Operating principle of A664 bus test instrumentation

2.2關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1余度剔除技術(shù)

ARINC664總線為雙余度網(wǎng)絡(luò)總線,在實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)前需進(jìn)行余度剔除工作,即將兩條ARINC664總線在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行分析和比對(duì),保留一條正確的、完整的ARINC664總線數(shù)據(jù)。根據(jù)需要,將這條總線進(jìn)行復(fù)制并分為兩路輸出,一路發(fā)送至記錄器100%記錄,另一路進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

2.2.2總線采集和實(shí)時(shí)分析技術(shù)

C919大型客機(jī)航電系統(tǒng)ARINC664總線數(shù)據(jù)格式復(fù)雜,包含模擬量、離散量數(shù)據(jù)、ARINC429 總線類數(shù)據(jù)、ARINC825總線類數(shù)據(jù)塊等。數(shù)據(jù)采集器采集到ARINC664總線數(shù)據(jù)后,首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,然后進(jìn)一步分析,從分析后的數(shù)據(jù)中挑選重要參數(shù)并編碼輸出(數(shù)據(jù)包需要添加時(shí)間標(biāo)簽),最終將這些數(shù)據(jù)融合到飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流中,實(shí)現(xiàn)ARINC664總線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和遙測(cè)下傳等。

2.2.3測(cè)試參數(shù)自動(dòng)化配置技術(shù)

C919飛機(jī)航電系統(tǒng)配置過(guò)程中,與航電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的其他機(jī)載電子設(shè)備都是一個(gè)獨(dú)立的端系統(tǒng)[5],需按照飛機(jī)航電系統(tǒng)配置規(guī)范將數(shù)據(jù)上傳到航電網(wǎng)絡(luò),航電系統(tǒng)按照每個(gè)端系統(tǒng)上傳的信息,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)航電網(wǎng)絡(luò)的配置,并生成最終的配置文件[6]。到目前為止,C919飛機(jī)航電系統(tǒng)傳輸?shù)膮?shù)超過(guò)15萬(wàn)個(gè),需要采集的參數(shù)有3～4萬(wàn)個(gè)。按照分類不同,每個(gè)參數(shù)在采集編程時(shí)需要確認(rèn)16～23個(gè),而這些屬性又存在于各個(gè)系統(tǒng)的不同位置。由于測(cè)試參數(shù)多,每個(gè)參數(shù)具有的屬性多,如果以人力逐一查找并編輯,工作量大,容易出錯(cuò),且浪費(fèi)時(shí)間。因此,需研究航電參數(shù)自動(dòng)化配置技術(shù),可以將測(cè)試參數(shù)的各項(xiàng)屬性挑選并配置到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工程文件中,最后將整個(gè)工程文件自動(dòng)導(dǎo)入到采集器,實(shí)現(xiàn)航電參數(shù)的自動(dòng)化配置。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)原理

為了驗(yàn)證新研ARINC664總線測(cè)試設(shè)備的工作性能,采集到盡可能接近飛機(jī)航電總線的真實(shí)數(shù)據(jù),原理樣機(jī)研制完成后,測(cè)試工程師攜帶相關(guān)測(cè)試設(shè)備在中國(guó)商飛C919航電實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了ARINC664總線數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)分析。

C919飛機(jī)航電ARINC664總線實(shí)驗(yàn)室測(cè)試原理如圖5所示。測(cè)試中,筆記本電腦記錄ARINC664總線測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)解析的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄器記錄ARINC664總線測(cè)試系統(tǒng)剔除余度后未解析的ARINC664總線原始數(shù)據(jù)。分析筆記本記錄的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記錄器記錄的數(shù)據(jù),再對(duì)比航電試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù),就可以驗(yàn)證ARINC664總線測(cè)試系統(tǒng)的工作性能。

圖5　A664測(cè)試設(shè)備實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證原理圖Fig.5　Verification in laboratory of A664 bus test instrumentation

3.2試驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1A429類A664 P7數(shù)據(jù)的采集和解析

本試驗(yàn)航電試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的ARINC664消息名稱為FCS-Output-ADA20,虛擬鏈路(VL ID)為33431,目的端口IP(Dst IP)為63263。該消息包含兩個(gè)參數(shù):第1個(gè)參數(shù)為DS43,其Label為210(八進(jìn)制)/17(十進(jìn)制),數(shù)據(jù)為500;第2個(gè)參數(shù)為DS44,其Label為204(八進(jìn)制)/33(十進(jìn)制),數(shù)據(jù)為500。圖6為采集的數(shù)據(jù)在筆記本電腦實(shí)時(shí)顯示的結(jié)果。

圖6　A429轉(zhuǎn)換的A664 P7總線試驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Test results of A429 to A664 P7 bus

3.2.2A664 P7(parametric)數(shù)據(jù)的采集和解析

在本試驗(yàn)中，航電試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的ARINC664消息配置與第一次一樣,名稱為FCS-Output-ADA20,虛擬鏈路(VL ID)為33431,目的端口IP(Dst IP)為63263。但消息內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,消息內(nèi)包含的第1個(gè)參數(shù)為DS5,數(shù)據(jù)為0x459C,0x4000(01000101100111000100000000000000);第2個(gè)參數(shù)為DS8,數(shù)據(jù)為0x3F00,0x0000(00111111000000000000000000000000)。圖7為采集的數(shù)據(jù)在筆記本電腦實(shí)時(shí)顯示的結(jié)果。

圖7　A664 P7(parametric)總線試驗(yàn)結(jié)果Fig.7　Test results of A664 P7(parametric)bus

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成后,將處理記錄器記錄的ARINC664總線原始數(shù)據(jù)與筆記本電腦記錄的實(shí)時(shí)在線解析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果證明,新研制的ARINC664采集和實(shí)時(shí)分析設(shè)備測(cè)量到的數(shù)據(jù)與航電試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致,驗(yàn)證了ARINC664總線測(cè)試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)符合技術(shù)要求,性能也滿足測(cè)試需求。

4　結(jié)束語(yǔ)

ARINC664總線采集和實(shí)時(shí)分析技術(shù)是一種全新的ARINC664總線測(cè)試技術(shù),通過(guò)對(duì)該總線的采集和實(shí)時(shí)分析技術(shù)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集和分析功能,解決了C919飛機(jī)航電總線測(cè)試難題。該技術(shù)還可以推廣到其他飛機(jī)的ARINC664總線的測(cè)試,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[1]支超有. 機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009:465-503.

[2]趙永庫(kù),李貞,唐來(lái)勝. AFDX協(xié)議研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(12):3137-3139.

[3]黃夢(mèng)玲,翟正軍. 基于ARINC429與AFDX的測(cè)試仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(8):2090-2092.

[4]翟正軍,羊昌燕,易川,等. 基于AFDX的高速數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù),2013,32(5):17-20.

[5]張樹(shù)彥,張哲,殷鍇,等. ARINC664網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(9):2419-2421.

[6]Aeronautical Radio,Inc.Aircraft data network part7[Z].Annapolis,Maryland,2005.

(編輯：崔立峰)

Avionics bus collection and real-time analysis techniques of C919 airplane

FENG Xiao-lin, DAI Wei-bing, PENG Guo-jin

(Measurement and Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In order to collect and analyze the data of large passenger plane avionics, ARIN664 bus on C919 in real time, and research both the protocol of large passenger plane avionics bus and the characteristics of test bus data, this paper designs and develops a prototype system which can meet the requirements of airborne test and has made test verification in avionics laboratory. The problems which are difficult to solve in the new complex structure of ARINC664 bus data, such as redundancy elimination, data collection, real-time analysis, have been solved in this paper. It realizes the collection and real-time analysis of bus data, enables coding the important data in real time and sending them to whether monitoring system or water simulate weight system which are located on aircraft, it also enables sending the telemetry information from aircraft to ground monitoring hall. This improves the working efficiency of flight test, and provides technical support for the securely flight test of large passenger plane.

ARINC664 bus; collection and real-time analysis; redundancy elimination

2016-08-08;

2016-09-11; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-09-13 08:38

國(guó)防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目(jcky2016205b006)；航空創(chuàng)新基金資助(2014f63046)

馮曉林(1968-)，男，陜西扶風(fēng)人，研究員，碩士研究生，從事飛行試驗(yàn)電氣及測(cè)試技術(shù)研究。

V217.1

A

1002-0853(2016)05-0073-04