機載光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設計

李 鍵，李 敏，鄧發(fā)俊

（中國航空計算技術研究所 陜西 西安 710119 ）

光纖通道技術在機載環(huán)境的應用越來越普遍，在使用高速數(shù)據(jù)總線進行通信的同時，更多關注轉向數(shù)據(jù)通信的正確性和完整性，尤其在機載環(huán)境下更加重要，更需要像傳統(tǒng)試飛過程中的數(shù)據(jù)采集設備來捕獲數(shù)據(jù)，為實時進行數(shù)據(jù)監(jiān)控以及事后分析提供有力的支撐。

國外為使用光纖通道的飛機的定型試飛研制了機載測試系統(tǒng)，并專門為飛機上的光纖航電總線的測試研制了“高速數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)采集裝置”，可用來采集高速光纖航電總線上的部分或全部數(shù)據(jù)。國內(nèi)傳統(tǒng)機載系統(tǒng)中使用的主要航電總線有ARINC429 總線、1553B 總線等，經(jīng)過多年的研究以及試飛驗證，已成功解決其試飛測試技術，為飛機定型、總線系統(tǒng)的故 障分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[1]。而新興的光纖通道航電總線，其速率達2.125 Gbps，通信拓撲結構及通信數(shù)據(jù)量更為復雜，國內(nèi)在機載數(shù)據(jù)采集方面技術實現(xiàn)幾乎處于空白狀態(tài)，因此開展其研究和設計具有重要意義。

1 系統(tǒng)需求分析

光纖通道采集系統(tǒng)的設計需滿足試飛測試的系統(tǒng)要求，與傳統(tǒng)航電總線測試實現(xiàn)的功能一樣，光纖通道采集系統(tǒng)應實現(xiàn)以下功能：

1)建立特殊拓撲連接，在不影響原航電系統(tǒng)信息傳輸架構和特性的前提下，獲取網(wǎng)絡上的信息；

2)100 %數(shù)據(jù)記錄，并與測試系統(tǒng)時間建立同步關系。實時獲取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并結合測試系統(tǒng)時間進行時標標記，100%存儲到記錄介質，供數(shù)據(jù)處理人員進行飛行后處理。

3)實時提取并輸出用戶關心數(shù)據(jù)。通過實時析取用戶關心光纖通道網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，將其變換為機載測試系統(tǒng)可接收的數(shù)據(jù)格式，由機載測試系統(tǒng)將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與其他測試數(shù)據(jù)整合后，通過遙測設備發(fā)送到地面。

2 關鍵技術研究

要滿足上述的系統(tǒng)需求，必須解決拓撲結構設計、高速數(shù)據(jù)采集、測試系統(tǒng)與采集系統(tǒng)時間同步等關鍵技術。

2.1 拓撲結構研究

傳統(tǒng)1553B等總線型架構，任何節(jié)點通信的消息在總線上都“可見”，只需將數(shù)據(jù)采集設備連接到總線上，就可以接收到總線上的數(shù)據(jù)。而光纖通道采用基于交換式的星型拓撲結構，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)遍布整個網(wǎng)絡，采集設備如果簡單地接在交換機的F端口上，并不能監(jiān)控到任意端口的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的總線型測試方法測試方式完全不適用。因此在基于光纖通道的系統(tǒng)設計過程中，既要考慮對通信數(shù)據(jù)的可監(jiān)測性，又要兼顧不影響正常的消息通信，具體方法是在交換機上除了設計正常的通信端口（F端口）以外，還增加監(jiān)控端口（M端口），用于對需要關心的數(shù)據(jù)進行實時映射，拓撲結構[2]如圖1所示，例如需要關心節(jié)點1和節(jié)點2之間的消息通信，通過配置設置可將節(jié)點1和節(jié)點2之間的消息映射到M端口，連接到M端口的測試設備或采集設備即可看到所關心的數(shù)據(jù)，以達到數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的。

圖1 拓撲結構Fig. 1 Topological structure

2.2 高速數(shù)據(jù)采集技術研究

由于光纖通道航電網(wǎng)絡速率2.125 Gbps，要實現(xiàn)對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)100%采集和記錄，對高速數(shù)據(jù)的采集需滿足帶寬要求才可保證數(shù)據(jù)的完整性?，F(xiàn)有機載設備中高速總線的使用逐漸普及，光纖通道作為主干網(wǎng)絡的通信總線，解決了數(shù)據(jù)通路的快速傳輸問題，但同時也對處理模塊內(nèi)部總線的帶寬提出了挑戰(zhàn)，2.125 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率帶寬要求處理模塊內(nèi)部總線帶寬大于200 MB/s才可能把網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)接收或發(fā)送出去。縱觀高速串行總線的發(fā)展，能夠滿足傳輸要求的總線包括PCIe和RapidIO總線[3]，PCIe單線速率2.5 Gbps，4線傳輸理論帶寬遠大于200 MB/s，RapidIO總線單線速率高達3.125 Gbps，4線傳輸理論帶寬同樣大于光纖通道所需帶寬，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集的需要，因此在設計采集系統(tǒng)處理模塊時，對內(nèi)部總線的選擇可在上述兩種高速串行總線中選擇。

另外，通過光纖通道網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸速率快，如果接收信息單純采用緩沖和軟件解析方式顯然不能滿足高速采集的要求，因此，在設計過程中需盡量減少軟件的操作，對數(shù)據(jù)的采集和解析通過硬件方式實現(xiàn)，最大限度提高采集的效率。

2.3 測試系統(tǒng)與采集系統(tǒng)時鐘同步技術研究

試飛測試數(shù)據(jù)處理中，通常會將采集到的數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)時間建立關系，以便對數(shù)據(jù)進行實時分析和事后分析處理，如果沒有時間同步關系，則采集的數(shù)據(jù)將不具備試驗價值。因此在光纖通道采集系統(tǒng)設計中，需將采集的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和試飛測試系統(tǒng)時間建立同步關系，與試飛測試用傳感器測量數(shù)據(jù)進行關聯(lián)處理。

傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)通過接收機載測試系統(tǒng)中的IRIG-B 授時碼，使采集系統(tǒng)與機載測試系統(tǒng)建立統(tǒng)一的時間。在每個數(shù)據(jù)幀到來時，將幀數(shù)據(jù)打上時間標記，這樣就可以確保總線數(shù)據(jù)與試飛用傳感器測量數(shù)據(jù)的時間同步。借鑒上述的傳統(tǒng)同步方式，在光纖通道采集系統(tǒng)設計中，引入IRIG-B時間碼同步機制，在硬件進行采集網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的同時，將IRIG-B的時間信息記錄下來，并通過硬件方式記錄在FC數(shù)據(jù)幀中，該時間信息即是數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的時間，在數(shù)據(jù)處理和分析時通過對該時間的解析，即可知道網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和測試系統(tǒng)之間的時間關系，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的時鐘同步。

3 系統(tǒng)設計

通過對上述關鍵技術的研究和分析，在進行光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計時需加以考慮和實現(xiàn)。

光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在采集航電網(wǎng)絡上的通信數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)需進行100%接收，接收到的光纖通道網(wǎng)絡數(shù)據(jù)一方面選擇性監(jiān)控，通過與測試系統(tǒng)的IRIG-B時間碼進行同步，附加時間標記后，生成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包發(fā)送給遙測系統(tǒng)，進行實時監(jiān)控；另一方面通過專用總線全數(shù)記錄，供事后數(shù)據(jù)處理使用，從而實現(xiàn)光纖通道航電網(wǎng)絡飛行數(shù)據(jù)的重現(xiàn)功能4。采集系統(tǒng)在航電系統(tǒng)中的位置如圖2所示。

圖2 光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 2 Fibre channel data acquisition system

采集系統(tǒng)對外與機載航電系統(tǒng)、記錄設備、遙測設備以及IRIG-B時間系統(tǒng)進行互連。采集系統(tǒng)內(nèi)部包含供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)輸出單元和時鐘同步單元，其中供電系統(tǒng)為采集系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源供給，數(shù)據(jù)采集單元復雜接收來自航電系統(tǒng)中FC網(wǎng)絡交換機的FC數(shù)據(jù)，并與時鐘同步單元時碼信息建立關系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元處理，生成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，一方面通過百兆以太網(wǎng)輸出給遙測系統(tǒng)，進行實時監(jiān)控；另一方面數(shù)據(jù)處理單元處理的數(shù)據(jù)信息完整地通過千兆以太網(wǎng)送往記錄器進行記錄，供事后數(shù)據(jù)處理使用。采集系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)內(nèi)部互連圖Fig. 3 Acquisition system internal interconnection network system

采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作由數(shù)據(jù)采集單元硬件完成，而生產(chǎn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包等工作則交由機載任務數(shù)據(jù)處理軟件進行處理[5]。該軟件運行在光纖通道采集系統(tǒng)上，設備上電后自動運行，根據(jù)機載配置文件中設置的工作模式進入正常工作模式或調(diào)試模式。在正常工作模式下，光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集航電系統(tǒng)FC數(shù)據(jù)，根據(jù)機載配置文件的設置，從相應的FC幀中提取所關心的參數(shù)，再將提取后的參數(shù)打包成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，同時將從IRIG-B接口獲取的時標信息加到數(shù)據(jù)包中，通過以太網(wǎng)將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)往記錄設備或遙測設備[6]。機載任務數(shù)據(jù)處理軟件流程如圖4所示。數(shù)據(jù)解包打包流程如圖5所示。

圖4 機載任務軟件工作流程Fig. 4 Airborne software workflow task

圖5 數(shù)據(jù)解包/打包流程Fig. 5 Data unpacking/packing process

4 結束語

基于光纖通道的商用數(shù)據(jù)采集記錄設備在民用市場上已經(jīng)有不少的應用實例，但在機載[7-8]領域還較為少見。對機載光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關關鍵技術的研究有助于提高對機載高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集及測試研究的能力，為試飛驗證等提供更好的支撐手段。

目前光纖通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)突破相關關鍵技術，并已完成原理設備設計實現(xiàn)，待進行充分測試后可轉入應用驗證。

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