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(空間物理重點實驗室, 北京 100076)

基于總線儀器的飛行信號再現(xiàn)方法研究

邱長泉,張艷溶,袁延榮,郭心怡

(空間物理重點實驗室,北京100076)

提出基于總線儀器的飛行信號再現(xiàn)方法，將原始飛行數(shù)據(jù)經(jīng)解譯、數(shù)據(jù)去噪、插值平滑、信號解算等處理后驅動總線儀器，按照一定的邏輯時序再現(xiàn)飛機飛行過程中產(chǎn)生的各種信號，在地面作為飛行數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)源，解決飛行數(shù)據(jù)記錄儀功能及性能測試真實性、有效性問題;研制的飛行信號管理系統(tǒng)，信號類型包括模擬量、離散量和各種機載總線量，實現(xiàn)飛行信號再現(xiàn)的同時對產(chǎn)生的信號進行自檢驗證，保證信號再現(xiàn)準確性;系統(tǒng)由硬件平臺和系統(tǒng)軟件組成，采用網(wǎng)絡化集成、集中互聯(lián)接口、時鐘同步和觸發(fā)、硬件資源模型化、飛參解譯、數(shù)據(jù)去噪、插值平滑、IVI類驅動封裝等軟、硬件設計及實現(xiàn)中的關鍵技術;通過系統(tǒng)和某型號飛行數(shù)據(jù)記錄儀聯(lián)機測試，結果分析證明研制軟硬件的功能、性能及信號再現(xiàn)準確性。

飛行信號；總線儀器；飛行數(shù)據(jù)記錄儀

0 引言

飛機等航空器自起飛到降落整個過程各個系統(tǒng)或部件的工作狀態(tài)可以通過飛行數(shù)據(jù)記錄儀按照時間次序記錄的參數(shù)體現(xiàn)出來，通常將這些參數(shù)稱為飛機飛行參數(shù)[1]。飛行參數(shù)具有重要的應用價值，利用飛行參數(shù)可以評估飛機設計性能、分析飛機事故原因、再現(xiàn)飛行視景、考核飛行訓練質量、預測飛機故障、管理飛機健康等[2-3]，而本文提出一種基于總線儀器的飛行信號再現(xiàn)方法，用于飛行數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)源，以解決飛行數(shù)據(jù)記錄儀功能及性能測試的真實性問題，增加覆蓋性和有效性。文中介紹的飛行信號管理系統(tǒng)(FSMS，flight signal management system)，將原始飛行數(shù)據(jù)經(jīng)解譯、數(shù)據(jù)去噪、插值平滑、信號解算等，驅動VXI(VME擴展儀器總線)、PXI(PCI擴展儀器總線)、LXI(局域網(wǎng)擴展儀器總線)和GPIB(通用接口總線即IEEE 488總線)等測試總線儀器，按照一定的邏輯時序真實再現(xiàn)實際飛機飛行時產(chǎn)生的各種信號，同時具備自檢驗證功能保證再現(xiàn)信號準確性。此外，為驗證系統(tǒng)性能，結合某型號飛行數(shù)據(jù)記錄儀給出了系統(tǒng)應用實例。

1 硬件平臺

1.1 硬件平臺構成

FSMS主要功能是再現(xiàn)飛機飛行時產(chǎn)生的各種信號，用于飛行數(shù)據(jù)記錄儀的測試，其信號類型包括模擬量、離散量和各種機載總線信號量，具有信號種類多、數(shù)量大、精度高且時間相關性強的特點。由于總線儀器具備種類齊全、可靠安全及實時性好、同步觸發(fā)精度高等特點，因此FSMS硬件平臺選取總線儀器，主要包括GPIB、VXI、PXI和LXI儀器。

FSMS硬件平臺由中心計算機、信號再現(xiàn)子系統(tǒng)、自檢驗證子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務器等構成，如圖1所示。中心計算機處于FSMS的頂層，是整個系統(tǒng)的控制中心，也是唯一的人機交互接口；信號再現(xiàn)子系統(tǒng)由若干臺GPIB、VXI、PXI和LXI儀器構成，根據(jù)飛行參數(shù)再現(xiàn)并輸出各種飛機飛行信號；自檢驗證子系統(tǒng)由若干臺PXI、LXI儀器構成，用于驗證信號再現(xiàn)子系統(tǒng)輸出的飛機飛行信號的準確性和精度；而數(shù)據(jù)庫服務器則用于提供系統(tǒng)內大量數(shù)據(jù)及配置的存儲、讀取等服務。信號再現(xiàn)子系統(tǒng)和自檢驗證子系統(tǒng)還將實時地將自檢、運行狀態(tài)上報至中心計算機用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

圖1 硬件平臺構成示意圖

1.2 硬件關鍵技術

系統(tǒng)硬件平臺設計及實現(xiàn)中的關鍵技術包括網(wǎng)絡化集成、集中互聯(lián)接口以及時鐘同步和觸發(fā)等。

1)網(wǎng)絡化集成。

在FSMS中，單一測試總線儀器產(chǎn)品無法實現(xiàn)所有的信號類型，必須要采用多種總線儀器。測試儀器總線形式不同控制方式也不同，具體特點也不同：GPIB儀器總線長度短(≤20 m)、速率低(≤8 MB/s)且節(jié)點數(shù)量受限(最多15臺)，基于背板式總線架構的VXI和PXI儀器速率高(VXI可達80 MB/s，PXI可達132 MB/s)但距離受限，LXI儀器基于Ethernet、Intranet甚至Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)，具有高帶寬(可達GB/s級)且不受地理因素限制的特點。為簡化系統(tǒng)配置、節(jié)約成本，統(tǒng)一多總線設備一體化系統(tǒng)的控制接口，采用交換式Ethernet和TCP/IP協(xié)議作為通信平臺，構建基于LXI/LAN的混合式系統(tǒng)[4]，以集成高密度、高性能的PXI、VXI儀器到LXI/LAN系統(tǒng)中。具體地，LXI儀器直接連接到Ethernet中，而VXI模塊、PXI模塊和GPIB儀器則分別通過VXI-LAN網(wǎng)關、PXI-LAN嵌入式零槽控制器和GPIB-LAN網(wǎng)關連接到Ethernet網(wǎng)絡。

2)集中互聯(lián)接口。

集中互連接口是將FSMS中所有通用I/O資源連接到一個統(tǒng)一的信號轉接中樞，以集中管理系統(tǒng)中所有激勵信號、測試信號輸入和輸出。參照ARINC 608A標準，F(xiàn)SMS中所有信號都匯集到ICA(interface connector assembly)接口上集中輸入輸出，同時設計與ICA連接的ITA(interface test adapter)接口和適配器，以實現(xiàn)系統(tǒng)與不同的測試目標機對接，保證系統(tǒng)具備較強的通用性和安全性。在設計ICA和ITA時，首先統(tǒng)計信號的數(shù)量，并按照頻率、功率、阻抗、幅度等進行分類，再根據(jù)類別選擇合適的接插件模塊；接口適配器完成信號的阻抗匹配、信號調理等功能，對于涉及安全性的信號采用串接保護電阻等方式進行保護。

圖3 系統(tǒng)軟件功能架構圖

3)時鐘同步和觸發(fā)設計。

圖2 機箱設備間時鐘同步和觸發(fā)示意圖

時鐘同步采用菊花鏈型方式，選擇信號再現(xiàn)子系統(tǒng)某PXI機箱中PXI-6653模塊的OCXO晶振作為主時鐘，按菊花鏈方式依次連接到各PXI機箱中PXI-6651模塊、各VXI機箱中EX 2500模塊以及LXI和GPIB儀器的CLK_IN端口。硬觸發(fā)則采用星型方式將PXI-6653中的觸發(fā)信號分別路由到上述模塊或儀器的TRG_IN端口。在機箱內部的各模塊，時鐘信號和觸發(fā)信號分別是通過背板時鐘傳輸線和觸發(fā)總線傳遞的。根據(jù)實測結果，菊花鏈型時鐘同步的時鐘延遲最大值不超過一個周期，即100 ns；星型觸發(fā)在同軸電纜長度為2 m的情況下，最大觸發(fā)延遲不超過42 ns，而FSMS對信號再現(xiàn)的同步性要求在亞微秒級，滿足系統(tǒng)應用需求。

2 系統(tǒng)軟件

FSMS基于層次化、模塊化原則設計，以最大限度地實現(xiàn)代碼重用、良好擴展，如圖3所示。處于軟件頂層的是中心計算機軟件，是面向用戶的用戶應用層，主要由基礎功能、飛行數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測相關模塊構成；處于軟件中間層的是測試程序層，解析用戶應用層需求并生成測試程序和儀器配置信息，由信號再現(xiàn)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與信號產(chǎn)生、狀態(tài)監(jiān)測、同步觸發(fā)、接口調用相關模塊，以及自檢驗證子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與信號采集、狀態(tài)監(jiān)測、同步觸發(fā)、接口調用相關模塊構成；處于軟件架構底層的是儀器控制層，根據(jù)中間層獲取的儀器配置信息通過IVI接口、VPP驅動、VISA I/O及SCPI等驅動類封裝庫實現(xiàn)儀器的控制和狀態(tài)監(jiān)測。頂層與中間層采用Socket編程基于TCP、UDP協(xié)議實現(xiàn)，其中指令及狀態(tài)傳輸通過TCP實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸通過三遍重傳UDP實現(xiàn)，以保證可靠性；中間層與底層間通過接口調用模塊實現(xiàn)不同底層驅動的統(tǒng)一管理、調度。

系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)中的關鍵技術主要有硬件資源模型、飛參解譯、數(shù)據(jù)去噪、插值平滑、IVI(Interchangeable Virtual Instrumentation，可交換虛擬儀器)類驅動封裝等。

1)硬件資源模型。

為解決系統(tǒng)中諸多硬件資源的管理、調度以及和系統(tǒng)軟件的交互問題，采用硬件資源模型化技術對系統(tǒng)硬件資源進行抽象，形成總線儀器模型、ICA模型、ITA模型和測試目標機模型[5]。針對系統(tǒng)中所有總線儀器的固定屬性及可控I/O通道屬性，建立總線儀器模型，用總線儀器模型庫表示；針對系統(tǒng)中總線儀器通道與ICA接點間連接關系，建立ICA模型，用ICA模型庫表示；針對系統(tǒng)中測試目標機接點、ICA接點與ITA接點的連接關系，建立ITA模型，用ITA模型庫表示；針對測試目標機各個端口對應的飛行數(shù)據(jù)，建立測試目標機模型，用測試目標機庫表示。

圖4所示是ICA模型的ICA信息表和ICA關聯(lián)儀器表。以ICA關聯(lián)儀器表為例，ICAID、MainFrameID、InstruID、InstruAddr、GateID、GateState、Flag、Coefficient分別表示ICA編號、機箱編號、總線儀器編號、儀器地址、通道編號、通道狀態(tài)、標志位、調理系數(shù)等。

圖4 ICA信息表和ICA關聯(lián)儀器表

2)飛參解譯。

通常國內飛行數(shù)據(jù)記錄儀記錄的機載傳感器數(shù)據(jù)、總線幀數(shù)據(jù)都是以幀為單位、以二進制形式按一定順序存儲的[6]，如圖5所示。每個幀由幀頭及i(i≥1)個子幀組成，每個子幀由j(j>1)個字組成，每個字由k(一般取k=8，k=12或k=16)位組成。幀頭部分存儲履歷信息，長度和格式一般是固定的；數(shù)據(jù)部分則以子幀的形式記錄不同機載傳感器的觀測值。一般飛行數(shù)據(jù)記錄儀不同，具體的飛參格式也不同，即i、j和k值不同。

圖5 幀結構示意圖

FSMS基于飛行參數(shù)驅動總線儀器再現(xiàn)機載信號前，首先必須通過飛參解譯，將二進制飛行數(shù)據(jù)轉換為十進制工程值。模擬量飛參采用三次或更高次非線性方程計算，離散量對照飛機手冊中的編碼定義進行解譯，機載總線量(數(shù)字量)飛參將BNR編碼或BCD編碼轉換為十進制數(shù)學量再乘以對應的分辨率計算。為使解譯軟件具備一定的通用性，將不同機型工程值解譯需要的信息如文件頭結構、幀結構、參數(shù)名稱、參數(shù)地址、還原算法等，建立與之對應的解譯配置參數(shù)庫。基于這些已有配置，F(xiàn)SMS即可通過圖6所示譯碼過程實現(xiàn)二進制原碼值到十進制工程值的轉換。

圖6 譯碼過程示意圖

3)數(shù)據(jù)去噪。

經(jīng)過飛參解譯得到的工程量中，經(jīng)常存在由于噪音干擾、電子干擾等因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失、非正常數(shù)據(jù)等[7]，在FSMS中使用飛行數(shù)據(jù)時，需要剔除異常值，對數(shù)據(jù)進行去噪處理。去噪時根據(jù)參數(shù)范圍、變化率、異常跳變等為判據(jù)進行剔除：對于超出參數(shù)正常范圍的數(shù)據(jù)，由于模擬量參數(shù)的連續(xù)性，采用上一時刻有效數(shù)據(jù)替代當前時刻數(shù)據(jù)；對于參數(shù)變化率超出合理范圍的數(shù)據(jù)，以及出現(xiàn)異常跳變后又恢復正常的數(shù)據(jù)，也采用上一時刻有效數(shù)據(jù)替代當前時刻數(shù)據(jù)；而對于時間出現(xiàn)中斷或回退的數(shù)據(jù)，同樣采用上一時刻的有效數(shù)據(jù)替代，并按數(shù)據(jù)頻率補齊時間序列。

4)插值平滑。

經(jīng)過數(shù)據(jù)去噪得到的飛行參數(shù)有效數(shù)據(jù)，可以滿足反解算公式的輸入輸出要求，經(jīng)反解算后得到機載傳感器輸出的電壓值、電流值、電阻值或其它類型值，用以驅動總線儀器再現(xiàn)真實信號。因不同的參數(shù)采樣率不同，如某飛參法向加速度的采樣率為8 Sa/s，而飛行高度的采樣率為1 Sa/s，為保證仿真輸出信號的連續(xù)性和平滑度，以及同一硬件資源如模擬量板卡的不同通道必須設置相同的更新率，因此對采樣率較低的參數(shù)按采樣率較高的參數(shù)進行線性插值。飛行高度0～10 000米線性對應于傳感器電壓為-10～10 V，圖7是直流電壓數(shù)據(jù)線性插值示意圖。從圖可見，插值后的數(shù)據(jù)曲線比插值前有較好的連續(xù)性，能更真實的再現(xiàn)信號的變化過程。

圖7 某直流信號部分數(shù)據(jù)線性插值示意圖

5)IVI類驅動封裝。

FSMS硬件種類多，軟件在操作硬件資源時，涉及IVI驅動、VPP驅動、VISA庫函數(shù)以及SCPI命令等多種方式，軟件實現(xiàn)方式復雜，系統(tǒng)維護、擴展及升級困難、工作量大。由于IVI 驅動具備的儀器類互操作性特點，因此為解決該問題，系統(tǒng)在軟件設計中采用IVI類動態(tài)鏈接庫封裝方式，如圖8所示，對通過SCPI、VISA、VPP進行硬件資源調度的模塊進行二次封裝，進而形成測試程序層類似于IVI的驅動，并以DLL的形式存在于軟件配置中，應用程序通過調用DLL文件實現(xiàn)對硬件資源的操作和調度。系統(tǒng)擴展或升級過程中，增加硬件資源或升級硬件資源后，僅需增加或升級相應的IVI類驅動DLL庫文件，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展及升級，大大提高了軟件再開發(fā)的效率。

圖8 IVI類封裝示意圖

3 系統(tǒng)應用實例

下面給出了某型號飛行數(shù)據(jù)記錄儀與FSMS聯(lián)機測試的實例，驗證了飛行數(shù)據(jù)記錄儀接收并存儲數(shù)據(jù)的正確性。具體步驟簡述如下：

1)將記錄儀和適配器通過專用電纜連接，并將ITA與系統(tǒng)ICA對接；

2)系統(tǒng)上電，同時給記錄儀加電；

3)進入中心計算機軟件界面，選擇“仿真”按鈕后進入仿真主界面；

4)選擇輸入記錄儀的直流信號、開關量信號和ARINC 429總線信號，并設置仿真開始、結束時間等，如圖9所示。

圖9 信號仿真配置界面圖

5)點擊“開始仿真”按鈕，開始集中仿真；

6)等待仿真結束后，關閉系統(tǒng)軟件并斷電；

7)分離ITA和ICA，分離記錄儀和適配器；

8)將記錄儀中記錄的數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)回放軟件中與原始數(shù)據(jù)進行對比。

經(jīng)過多次實驗進行數(shù)據(jù)比對，記錄儀中記錄的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的一致性達到98.4%。造成數(shù)據(jù)一致性沒有達到100%的原因之一是記錄儀采集數(shù)據(jù)時刻和仿真信號輸出時刻存在時間差，或者記錄儀采集數(shù)據(jù)時刻與仿真信號跳變時刻恰好重合，導致采集數(shù)據(jù)值異常；另一個原因飛參經(jīng)解譯、數(shù)據(jù)去噪后與原始數(shù)據(jù)間的差異。上述差異并不是因為飛行數(shù)據(jù)記錄儀自身的設計、工藝等缺陷所引起的，且可以較易地通過數(shù)據(jù)比對進行識別，不影響對飛行數(shù)據(jù)記錄儀性能測試結果的判定。

4 總結

區(qū)別于飛行過程再現(xiàn)、視景再現(xiàn)及故障診斷和趨勢預測等飛行參數(shù)應用，F(xiàn)SMS以總線儀器為載體再現(xiàn)飛行信號，并用于提高飛行數(shù)據(jù)記錄儀測試的真實性、覆蓋性和有效性。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化集成、集中互聯(lián)接口、時鐘同步和觸發(fā)、硬件資源模型化、飛參解譯、數(shù)據(jù)去噪、插值平滑、IVI類驅動封裝等多種軟、硬件技術，可同時仿真上千路模擬量、離散量和機載總線量，并保證信號精度、時間及量值關聯(lián)性等。該系統(tǒng)在經(jīng)過連續(xù)運行、并經(jīng)工程應用后，取得了良好的應用效果。

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ResearchonMethodofFlightSignalReproductionBasedonBusInstrument

Qiu Changquan, Zhang Yanrong, Yuan Yanrong, Guo Xinyi

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing 100076, China)

Put forward method of flight signal reproduction based on bus instrument, being used for the facticity and effectiveness of function and performance test of flight data recorder. By decoding, elimination of abnormal value, data interpolation and smoothing and anti-decoding of the original flight data, the test instrument was driven to produce signals according to certain time sequence. The signals used as data sources of flight data recorder in ground station. The researched flight signal management system (FSMS)，which included analog, discrete and bus signals, realizes flight signal reproduction and self-checking, ensuring the accuracy of flight signal reproduction. The FSMS included hardware platform and system software. Hardware platform composition and system software architecture were introduced and the key technology of design and implementation were described, such as network integration, centralized interconnection interface, clock synchronization and triggering, hardware resource modeling, flight data decoding, elimination of abnormal value, data interpolation and smoothing, IVI class package, etc. Through on-line test of the system and the flight data recorder of a certain model, the developed function and performance of both software and hardware and accuracy of flight signal reproduction are proved.

flight signal; bus instrument; flight data recorder

2017-07-31；

2017-08-25。

邱長泉(1984-)，男，遼寧朝陽人，博士，高級工程師，主要從事飛行器測控與通信、自動測試系統(tǒng)等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0273-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.069

V217

A