樊智勇　閆小謙

摘要：針對國內(nèi)缺乏對新型飛機通訊模型研究的狀況，本文在研究波音787和空客380通訊模型基礎(chǔ)上，按照ARINC624規(guī)范，建立了一種中央維護計算功能（CMCF）系統(tǒng)的通訊模型，并經(jīng)過搭建硬件測試平臺和系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試，驗證模型符合ARINC規(guī)范，這對國內(nèi)對機載維護系統(tǒng)的研究和對國產(chǎn)大飛機C919的的研究有一定的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：ARINC624規(guī)范；CMCF；AFDX；通訊模型

中圖分類號：R730.58文獻標志碼：A

Abstract：Aiming at the lack of research on the communication model of aircraft，The anthor of this paper studyed the communication models of the new aircrafts such as the Boeing 787 and Airbus 380，established a central maintenance calculation function （CMCF） communication system model based on the ARINC624 standard；and then built a hardware test platform to verify the model conforms to the ARINC standard.the reserch has certain practical significance on the research of domestic onboard maintenance system and China made aircraft C919.

Key words：CMCF；AFDX；arinc624；communication model

1引言

隨著航空電子系統(tǒng)朝著綜合模塊化的發(fā)展，新型飛機對航電系統(tǒng)的通訊容量和傳輸速度都有了更高的要求，最新系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)基于AFDX，相較于上一代航空總線ARINC429，其傳輸速度由最高100Kbs增至最高100Mbs。國外基于對此的研究已有相對前沿的新一代OMS系統(tǒng)研究成果，并應(yīng)用于B787和A380飛機。隨著大飛機項目成為國家“十二五”重點項目，目前我國各科研單位對此研究越來越重視，但還處于技術(shù)跟蹤和理論研究狀態(tài)，尚未有獨立成熟的理論應(yīng)用成果。本文基于ARINC624規(guī)范和AFDX網(wǎng)絡(luò)，建立CMCF的通訊模型，對通訊模型各個層次的協(xié)議進行了詳細的設(shè)計，并驗證模型的準確性、高效性和可靠性。

機載CMCF是飛機的重要系統(tǒng)，其功能是收集所有和它相連的所有子系統(tǒng)BITE故障數(shù)據(jù)，并能對這些數(shù)據(jù)進行綜合分析和處理，得到準確的故障報告和故障隔離，提出維修計劃建議，提高飛機維護效率。此外，就是機載維護系統(tǒng)最也可以進行發(fā)送用戶初始測試指令，主動獲取飛機相應(yīng)成員系統(tǒng)的狀況，CMCF與成員系統(tǒng)的簡單框圖如圖1。CMCF與成員系統(tǒng)之間可以通過以太網(wǎng)或者AFDX進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，成員系統(tǒng)與CMCF通訊采取多冗余設(shè)計，這樣對數(shù)據(jù)實現(xiàn)多份備份，防止了某一條虛擬鏈路失效引起的數(shù)據(jù)丟失，提高了可靠性。

2CMCF通訊模型

ARINC624規(guī)范對CMCF通訊模型做了以下規(guī)定：

（1）靈活性。滿足當前和以后發(fā)展的需求。

（2）兼容性。成員LRU中的BITE報告功能的變化不需要強制改變CMC。然而，為了保持與成員LRU改變的兼容性進行的CMC改變需要盡可能的實現(xiàn)最大性能。

（3）數(shù)據(jù)量最小化?？偩€上的數(shù)據(jù)總量應(yīng)該最小化。

（4）處理器高效性。在LRU和CMC中的處理器的要求數(shù)量應(yīng)該最小化。

（5）協(xié)議簡潔性。為了保證系統(tǒng)第一次就開始運作，基本協(xié)議應(yīng)盡可能的完善且清楚的描述出來。

（6）一致性。協(xié)議應(yīng)與飛機上其它目的的通信協(xié)議保持一致。

（7）適應(yīng)性。沒有要求完全重寫協(xié)議時，某種總線（例如，ARINC 629）的協(xié)議改進應(yīng)與其它總線相適應(yīng)，例如ARINC 429、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）或以太網(wǎng)LAN。

21傳輸協(xié)議棧的設(shè)計

協(xié)議各層，可以用構(gòu)成系統(tǒng)的層與層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的集合進行描述。在數(shù)學(xué)上，對于分層后的系統(tǒng)S可描述為：

S={Li，Rs}（2-1）

S={L1，L2，L3，…，Li}（2-2）

RS={RS，1，2，RS，2，3…，RS，3，i}（2-3）

式中：S表示系統(tǒng)的分層集合；Li表示第i層；RS表示層與層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合；Rs，（i-1），i表示第（i-1）層和第i層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合。

數(shù)據(jù)傳輸層應(yīng)接收來自各個端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)CMCF與成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。這里采用UDP協(xié)議，UDP是一種無連接傳輸協(xié)議，從而這樣一臺主機可同時與多臺客戶機進行數(shù)據(jù)交互，同時UDP協(xié)議通過端口號識別不同程序的數(shù)據(jù)傳輸通道，采用UDP協(xié)議編寫傳輸層的數(shù)據(jù)格式既符合CMCF的數(shù)據(jù)交互需求，又簡化消息響應(yīng)機制。當CMCF接收到成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時，對UDP數(shù)據(jù)報頭進行解析，得到數(shù)據(jù)包的源端口、目的端口、報文長度及校驗值。在進行數(shù)據(jù)校驗后，將得到的有效數(shù)據(jù)通過端口號識別成員系統(tǒng)，并將UDP數(shù)據(jù)包送入對應(yīng)的編解碼層進行數(shù)據(jù)解析。當CMCF需要向成員系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)送入緩存區(qū)，等待編解碼區(qū)完成對UDP數(shù)據(jù)的打包后送入傳輸層，由傳輸層再封裝并送往對應(yīng)的成員系統(tǒng)端口。在建立CMCF模型時可對數(shù)據(jù)傳輸層的數(shù)據(jù)流進行記錄并存儲到通信數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)對CMCF模型進行分析調(diào)試。通信數(shù)據(jù)庫的存儲內(nèi)容主要包括：接收（發(fā)送）數(shù)據(jù)時間、源地址IP、源端口號、目標地址IP、目標端口號、數(shù)據(jù)長度、UDP數(shù)據(jù)內(nèi)容。endprint

IP網(wǎng)絡(luò)層接收用戶數(shù)據(jù)電報協(xié)議數(shù)據(jù)包，通過與最大虛擬鏈路標準數(shù)據(jù)包Lmax比對，確定此數(shù)據(jù)包是否需要分段。接著添加IP報頭、消息等，以太網(wǎng)頭，并且在子虛擬鏈路隊列里，為以太網(wǎng)幀創(chuàng)建隊列。鏈路級負責(zé)調(diào)度用于傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀，添加虛擬鏈路序列號碼，并越過幀寫入到冗余管理單元，同時以太網(wǎng)源地址在傳輸幀的物理端口上進行編號更新。AFDX數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議棧如圖2所示。數(shù)據(jù)存取，通過PushToBuffer（）函數(shù)將解碼信息存儲到采樣緩沖區(qū)，緩沖區(qū)存儲功能提供互斥訪問數(shù)據(jù)；通過PopFromBuffer （）函數(shù)將采樣緩沖區(qū)中的信息取出，緩沖區(qū)取出功能同樣提供互斥訪問數(shù)據(jù)。

AFDX數(shù)據(jù)接受協(xié)議棧如圖3所示。接收是發(fā)送的反過程。這一過程開始于一個以太網(wǎng)幀的接收，首先幀校驗序列對它做正確性檢查。如果沒有錯誤，幀校驗序列退出檢查，AFDX幀進行完整性檢查和冗余管理。最后數(shù)據(jù)包傳遞給IP網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)IP檢查值區(qū)域校驗和用戶數(shù)據(jù)電報協(xié)議數(shù)據(jù)包重組。用戶數(shù)據(jù)電報協(xié)議數(shù)據(jù)包被傳遞給用戶數(shù)據(jù)電報傳輸層。

22通訊交互過程

以CMCF與成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互為例。按照通訊協(xié)議，CMCF與MS（MEMBER SYSTEM，成員系統(tǒng)）之間通訊，首先輸入測試ID，并確認執(zhí)行測試，開始CMCF與成員系統(tǒng)之間的通信握手。CMCF先以廣播的方式發(fā)送HMPTT命令字，經(jīng)過一定時間響應(yīng)，開始進入測試狀態(tài)即Run Test狀態(tài)。相應(yīng)的成員系統(tǒng)收到廣播信息并與相應(yīng)編碼匹配，向CMCF發(fā)送請求信息，并自動進入測試狀態(tài)即InTest狀態(tài)。接著CMCF向成員系統(tǒng)發(fā)送ACK確認信息。

3測試

31網(wǎng)絡(luò)配置

按照以上的設(shè)計，在已裝好AFDX板卡的Techsat設(shè)備上對機載維護系統(tǒng)進行配置。設(shè)定機載維護系統(tǒng)（CMCF）的IP地址為10.1.2.1，UDP端口號為61159，成員系統(tǒng)模擬組件IP地址為10.1.1.1，錯誤檢查編碼ID為61159，虛擬鏈路物理地址為03：00：00：00：03：E8，通過CMCF對成員系統(tǒng)模擬組件發(fā)送飛機信息命令進行測試。飛機信息發(fā)送周期為1000ms，飛行階段默認靜態(tài)。

32測試過程

從以下三個方面對模型進行測試，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、高效性和可靠性。

CMCF的功能實現(xiàn)建立在與飛機成員系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)基礎(chǔ)之上，機載CMCF對成員系統(tǒng)模擬組件的變量設(shè)置最終經(jīng)數(shù)據(jù)編解碼生成AFDX數(shù)據(jù)幀，通過配置好的AFDX網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)送。通過對監(jiān)控計算機抓取的AFDX數(shù)據(jù)報文進行拆解分析，與CMCF發(fā)送的底層編碼進行對比，可以判斷仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。

通過仿真系統(tǒng)對成員系統(tǒng)模擬組件發(fā)送飛機信息命令進行發(fā)送測試。表1為發(fā)送的飛機信息，飛機信息發(fā)送周期為1000ms，飛行階段默認靜態(tài)。對CMCF的AFDX網(wǎng)絡(luò)進行配置，將監(jiān)控計算機和成員系統(tǒng)模擬組件通過AFDX交換機接入AFDX網(wǎng)絡(luò)，并通過專業(yè)的WFDX軟件計算機內(nèi)對機載CMCF仿真系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進行抓取并分析，與原發(fā)送數(shù)據(jù)進行對比。如表2為抓取的系統(tǒng)發(fā)送的部分AFDX數(shù)據(jù)包及解析結(jié)果，以及傳送時間有效性。通過對比發(fā)現(xiàn)，飛機狀態(tài)信息傳輸正常。

接著對飛機構(gòu)型信息進行測試，測試結(jié)果如表3。對監(jiān)控計算機抓取的數(shù)據(jù)包進行解碼，其源IP地址、目的IP地址、源端口號、目的端口號、設(shè)備號、序列號以及解析出的有效載荷與CMCF發(fā)送數(shù)據(jù)一致，滿足測試要求，因此CMCF發(fā)送功能正常，能夠正常對AFDX數(shù)據(jù)報進行編碼和發(fā)送。

4結(jié)論

通過測試，對監(jiān)控計算機抓取的AFDX數(shù)據(jù)包進行解碼后得到的絕對時間、相對時間、端口號、消息狀態(tài)、時間狀態(tài)、設(shè)備號、硬件號以及軟件狀態(tài)號等有效信息一致，滿足測試要求，因此模型有效并且符合符合ARINC624規(guī)范。

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