羅德杰，蔡 明，薛昭洋

(1.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西 西安 710068;2.空裝駐西安地區(qū)第六軍事代表室,陜西 西安 710068)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)軍、民用機(jī)型不斷增多,功能不斷細(xì)化,計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬等軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展以及通用質(zhì)量特性要求的不斷提高,使機(jī)載產(chǎn)品的功能需求越來(lái)越多,導(dǎo)致機(jī)載電子系統(tǒng)的規(guī)模及復(fù)雜度日益增加,由此給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證、優(yōu)化及維護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)架構(gòu)中,若系統(tǒng)架構(gòu)特征在設(shè)計(jì)之初就未考慮充分,則會(huì)導(dǎo)致后期暴露出不可逆的缺點(diǎn),如:

1) 當(dāng)需傳輸?shù)臋C(jī)載信息隨技術(shù)需求不斷增多時(shí),傳統(tǒng)架構(gòu)的機(jī)載電子系統(tǒng)的低速率,低帶寬等局限性日益顯露。

2) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)載電子系統(tǒng)往往以外場(chǎng)可更換單元(LRU)為基礎(chǔ),且LRU的型號(hào)各不相同,無(wú)法相互替換,導(dǎo)致系統(tǒng)硬件資源的容錯(cuò)率及復(fù)用率不高。

3) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)載電子系統(tǒng)一般是通過(guò)增加滿足不同功能需求的子系統(tǒng)或設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力以及系統(tǒng)處理能力,而這則矛盾于系統(tǒng)對(duì)重量、體積以及功耗的要求。

4) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)載電子系統(tǒng)的通用質(zhì)量特性也相對(duì)受系統(tǒng)架構(gòu)的局限性影響,而這也對(duì)飛機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)的研制和發(fā)展起到了直接影響。

而以上缺點(diǎn)意味著需要新的架構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)來(lái)取代傳統(tǒng)架構(gòu)的機(jī)載電子系統(tǒng)來(lái)滿足未來(lái)飛機(jī)相關(guān)的需求。

開(kāi)放式架構(gòu)采用的是廣泛應(yīng)用、開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)型化、單一化的基礎(chǔ)機(jī)載產(chǎn)品設(shè)計(jì),對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)品的接口進(jìn)行全面定義,使得軟硬件可移植,系統(tǒng)架構(gòu)更靈活,同時(shí)縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期,因此成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域研究的一個(gè)發(fā)展方向[1]。其優(yōu)點(diǎn)包括:

1) 系統(tǒng)的硬件和軟件資源復(fù)用率高,基礎(chǔ)設(shè)備可根據(jù)所處位置不同,以需求為導(dǎo)向進(jìn)行資源配置,即在基礎(chǔ)產(chǎn)品的接口資源、功能性能上進(jìn)行剪裁或增加,避免重復(fù)開(kāi)發(fā)問(wèn)題。

2) 系統(tǒng)的接口資源豐富、能力較強(qiáng),有出色的接口余度和余度管理能力,能適配不同機(jī)型、不同需求的機(jī)載設(shè)備配置。

由于應(yīng)用環(huán)境的特殊,強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性是機(jī)載電子系統(tǒng)必須具備的特性。隨著機(jī)載設(shè)備智能化、數(shù)字化程度的不斷提高,以及對(duì)開(kāi)放式機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究,對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)的概念也賦予了更多的要求。它是對(duì)新系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及現(xiàn)有系統(tǒng)改進(jìn)的綜合技術(shù)策略,其更關(guān)注于接口標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、模塊化、硬件獨(dú)立化及軟件通用化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。

1 開(kāi)放式架構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本文中描述的基于開(kāi)放式體系架構(gòu)的機(jī)電綜合管理系統(tǒng)硬件由1臺(tái)雙余度機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)(EMCP)和多臺(tái)遠(yuǎn)程接口單元(RIU)組成。EMCP通過(guò)1394B總線或1553總線與各RIU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收集及命令的下達(dá),并形成樹(shù)型架構(gòu),數(shù)據(jù)共享的實(shí)現(xiàn)則是由兩通道之間的交叉通道數(shù)據(jù)鏈(CCDL)完成,如圖1所示。機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)EMCP是機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的核心,主要功能是網(wǎng)絡(luò)的管理和機(jī)電系統(tǒng)信息的處理。EMCP通過(guò)1394B或1553總線的總線控制器,對(duì)多臺(tái)RIU進(jìn)行綜合控制和管理,同時(shí)以航電總線端點(diǎn)的方式完成機(jī)電綜合管理系統(tǒng)與航電系統(tǒng)的信息交互。每臺(tái)RIU的硬件構(gòu)成以及軟件配置完全相同,通過(guò)機(jī)上線纜給出不同的機(jī)位信號(hào)識(shí)別后,進(jìn)入不同的功能分區(qū),主要職責(zé)是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行,如各類傳感器信號(hào),同時(shí)進(jìn)行本地節(jié)點(diǎn)自檢測(cè),將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)給EMCP。

圖1 開(kāi)放式架構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能劃分

1.2.1 機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)

如果說(shuō)安娜的所作所為破壞了一個(gè)家庭，那么她破壞的正是“摧殘愛(ài)情、禁錮自由、滅殺個(gè)性”的俄國(guó)傳統(tǒng)封建主義家庭。

1) 對(duì)RIU傳送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行處理,并將處理后的信息傳送給RIU;

2) 將信息傳送給航電系統(tǒng)顯示,并接收燃油、液壓、火警等系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)以及維護(hù)自檢等指令信號(hào);

3) 接收和發(fā)送航空電子系統(tǒng)的相關(guān)信息,并將其發(fā)送給飛參系統(tǒng)記錄;

4) 對(duì)雙余度資源進(jìn)行管理和調(diào)度。

1.2.2 遠(yuǎn)程接口單元

1) 通過(guò)模擬、數(shù)字、總線等接口,接收各類機(jī)上電源、燃油、液壓、傳動(dòng)動(dòng)力、滅火、環(huán)控、照明與告警等機(jī)電數(shù)據(jù),并與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;

2) 根據(jù)需求,通過(guò)機(jī)載常用的總線與EMCP進(jìn)行信息交互,將接收的機(jī)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳;

3) 通過(guò)軟件配置機(jī)位識(shí)別,能正確確定自身所在位置及職責(zé),采集處理單機(jī)所負(fù)責(zé)的機(jī)電系統(tǒng)信息。

1.3 系統(tǒng)工作策略

在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),處于空中模式,EMCP的A、B兩通道采用并行工作機(jī)制,從各RIU中接收的數(shù)據(jù)則通過(guò)CCDL互傳,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與對(duì)比。此系統(tǒng)雙余度的數(shù)據(jù)采信原則如下:

◆當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)相同且周期自測(cè)試結(jié)果正常時(shí);當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,但周期自測(cè)試結(jié)果正常時(shí);當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,B通道周期自測(cè)試結(jié)果不正常時(shí); 均采信A通道數(shù)據(jù)。

◆當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,A通道周期自測(cè)試結(jié)果不正常時(shí),采信B通道數(shù)據(jù)。

◆當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,且兩通道周期自測(cè)試結(jié)果均不正常時(shí),A、B通道數(shù)據(jù)均不采信。

此雙余度系統(tǒng)的特點(diǎn)是:

1) EMCP在單通道因CPU、總線、二次電源等原因失效時(shí),系統(tǒng)可使用另一通道數(shù)據(jù),機(jī)電綜合管理系統(tǒng)可不受影響,繼續(xù)工作。

2) 若兩通道數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)共享與對(duì)比,比如CCDL失效時(shí),此時(shí)直接采信A通道數(shù)據(jù),機(jī)電綜合管理系統(tǒng)亦可不受影響,繼續(xù)工作。

3) 若A、B通道中各有不同部件或功能失效,則盡可能地通過(guò)兩通道之間信息互補(bǔ),拼湊完整數(shù)據(jù),使機(jī)電綜合管理系統(tǒng)正常工作。

4) 機(jī)電系統(tǒng)信號(hào)中優(yōu)先級(jí)、重要程度較高的信號(hào),可經(jīng)RIU進(jìn)行雙路或三路采集、控制,在RIU級(jí)進(jìn)行余度配置,當(dāng)某一RIU失效時(shí),重要數(shù)據(jù)亦可由其他RIU進(jìn)行采集處理,不影響飛行安全。

5) 當(dāng)機(jī)電網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將故障節(jié)點(diǎn)屏蔽,其承擔(dān)的任務(wù)由網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)承擔(dān),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部采取多級(jí)容錯(cuò)的方法實(shí)現(xiàn)功能模塊、節(jié)點(diǎn)的容錯(cuò)策略。當(dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí),保證節(jié)點(diǎn)在不中斷控制功能,不影響數(shù)據(jù)傳輸及飛行安全的情況下正常運(yùn)行,故障功能模塊承擔(dān)的任務(wù)由冗余電路完成。

此基于開(kāi)放式的硬件架構(gòu)具有接口資源豐富、資源利用率高,基礎(chǔ)產(chǎn)品之間具有可替代性,系統(tǒng)余度管理能力出色且應(yīng)用軟件易于移植等優(yōu)點(diǎn),為降低開(kāi)發(fā)周期,提升經(jīng)濟(jì)性以及通用質(zhì)量特性提供了有效保障。

2 開(kāi)放式機(jī)電管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開(kāi)放式架構(gòu)機(jī)電管理綜合化技術(shù)

機(jī)電系統(tǒng)在飛機(jī)上分布廣泛,因此交互信號(hào)數(shù)量多、種類復(fù)雜是其一大特性。對(duì)飛機(jī)各功能需求進(jìn)行歸納總結(jié)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享的前提,合理定義機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的頂層需求,充分考慮并結(jié)合各系統(tǒng)的資源需求和機(jī)體的位置等信息,將頂層需求逐層分解至各組成單元,將各功能進(jìn)行開(kāi)放式、分布式劃分,促使機(jī)載產(chǎn)品的統(tǒng)型化,單一化[3]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通用化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通用化技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通用化、系列化的基礎(chǔ),主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口的通用標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn),建立一種滿足機(jī)電系統(tǒng)要求的開(kāi)放式通用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)型并形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系列化產(chǎn)品。

2.3 分布式處理

機(jī)電系統(tǒng)工作時(shí)需采集和處理機(jī)上各個(gè)部位,不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào),且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)同一任務(wù)在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行的情況。為了使各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同工作,使用分布式軟件處理技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)響應(yīng)機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)的信息交互,則可實(shí)現(xiàn)機(jī)電管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行覆蓋不同機(jī)電系統(tǒng)、不同控制任務(wù)的需求,突破機(jī)載研發(fā)軟件的單元提取、管理和集成等關(guān)鍵技術(shù),形成面向機(jī)電領(lǐng)域的應(yīng)用軟件通用環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)放式架構(gòu)將是未來(lái)各機(jī)載系統(tǒng)的主流方向,通過(guò)接口標(biāo)準(zhǔn)的制定,進(jìn)一步提高機(jī)載設(shè)備的“三化”程度,特別是其標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,從而達(dá)到提高機(jī)載電子系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、加快技術(shù)革新、增強(qiáng)飛機(jī)的作戰(zhàn)能力和適應(yīng)性的目的。

以機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)放式架構(gòu)而言,可以根據(jù)不同機(jī)型進(jìn)行功能需求、交互對(duì)象的增補(bǔ)或裁剪,同時(shí)根據(jù)不同需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展,體現(xiàn)出開(kāi)放性、擴(kuò)展性,統(tǒng)一性等特性,這是開(kāi)放式架構(gòu)令人青睞的原因。它可服務(wù)于未來(lái)軍用及民用飛機(jī)的機(jī)電綜合設(shè)計(jì)工作,能夠進(jìn)一步提升飛機(jī)平臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)功能高度綜合和靈活擴(kuò)展,提高設(shè)備的通用化、系列化水平,提升我國(guó)機(jī)載設(shè)備的自主可控及創(chuàng)新能力,為未來(lái)型號(hào)的發(fā)展提供有力保障。