機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍建華，王留全，王　亮，邢達(dá)波

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安　710089）

機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍建華，王留全，王亮，邢達(dá)波

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安710089）

為了滿(mǎn)足對(duì)新一代網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)輸出的海量高速網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試數(shù)據(jù)記錄的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于COMe主控模塊和工業(yè)級(jí)通用固態(tài)硬盤(pán)的機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄器；該記錄器使用集成有英特爾處理器、板載DDR3內(nèi)存和FLASH存儲(chǔ)器的COMe主控模塊，可進(jìn)行IRIGB-AC時(shí)間碼授時(shí)的底板和作為數(shù)據(jù)存貯介質(zhì)的固態(tài)硬盤(pán)構(gòu)成硬件系統(tǒng)平臺(tái)，并采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)和優(yōu)化的數(shù)據(jù)存貯算法程序，完成了一路千兆機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的接收、打包和記錄；試驗(yàn)室和飛機(jī)上大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該記錄器工作性能穩(wěn)定，無(wú)誤碼和丟包現(xiàn)象，可以大量應(yīng)用在使用環(huán)境復(fù)雜的飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)中。

機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄；千兆網(wǎng)絡(luò)；固態(tài)盤(pán)

0　引言

隨著飛行試驗(yàn)試飛科目和課題的日益復(fù)雜，被測(cè)參數(shù)的種類(lèi)和數(shù)量的成倍增加，飛機(jī)機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)容量和傳輸帶寬的要求也在逐日提高。傳統(tǒng)以PCM為架構(gòu)的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)已逐漸被以網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)所取代，成為機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)［12］。尤其在以A380，C919等大型飛機(jī)的飛行試驗(yàn)中已經(jīng)成功應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)，在科研試飛領(lǐng)域帶來(lái)重大影響。

文中主要闡述了機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)中需要解決的一個(gè)問(wèn)題［5］，即對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中輸出的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)流的接收和記錄。本文以工業(yè)中常用的基于X86架構(gòu)的COMe工控主板模塊作為核心控制模塊，以SSD標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)硬盤(pán)作為數(shù)據(jù)記錄盤(pán)，以精心裁簡(jiǎn)后的LINUX為嵌入式操作系統(tǒng)，結(jié)合獨(dú)自設(shè)計(jì)的IRIGB-AC時(shí)間碼解碼授時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一路高達(dá)千兆的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的接收和記錄，并以通用的標(biāo)準(zhǔn)PCAP包格式存儲(chǔ)在固態(tài)硬盤(pán)中，為網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)高速大容量數(shù)據(jù)記錄提供了可靠，方便和經(jīng)濟(jì)的解決方法。

1　總體方案設(shè)計(jì)

在飛機(jī)飛行前，測(cè)試人員插入SSD固態(tài)記錄盤(pán)，檢查該記錄器顯示的網(wǎng)絡(luò)連接、記錄容量、實(shí)時(shí)時(shí)間等各種狀態(tài)信息，飛行過(guò)程中該記錄器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)輸出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流進(jìn)行自動(dòng)記錄，飛行后測(cè)試人員拔出記錄盤(pán)送到地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)卸載并處理分析；因此其總體方案組成主要由COMe主板模塊、顯示控制模塊電路、IRIG-B授時(shí)模塊電路、電源模塊電路、設(shè)備殼體以及可拆卸的SSD固態(tài)盤(pán)等組成，其系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成示意圖

COMe主板模塊、千兆網(wǎng)絡(luò)接口、IRIG-B授時(shí)模塊、顯示控制模塊和電源模塊通過(guò)底板連接在一起。系統(tǒng)上電工作時(shí)，SSD固態(tài)記錄盤(pán)插入到底板上的SATA接口上，COMe主板模塊完成系統(tǒng)啟動(dòng)，IRIG-B時(shí)間授時(shí)及設(shè)備自檢后，在VFD顯示屏顯示檢測(cè)的設(shè)備狀態(tài)信息和時(shí)間信息；如果記錄開(kāi)關(guān)打開(kāi)，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流開(kāi)始進(jìn)行打包記錄。整個(gè)飛行試驗(yàn)完成后，測(cè)試人員將SSD固態(tài)記錄盤(pán)取下，在地面處理機(jī)房將設(shè)備與臺(tái)式機(jī)或筆記本通過(guò)SATA接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)卸載和事后分析處理工作。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1COMe主板模塊

COMe主板模塊作為記錄器的核心控制模塊，需要具有包括千兆網(wǎng)絡(luò)接口、串口、SATA接口、USB接口和VGA接口等一般工控主板常用的功能接口；同時(shí)根據(jù)機(jī)載使用環(huán)境的要求，需要該主控板具有板載的大容量FLASH程序芯片和DDR內(nèi)存芯片。因此這里選用了研華公司最新推出的型號(hào)為SOM-7562的COMExpress微型工控主板模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　主控板結(jié)構(gòu)圖

2.2時(shí)間解碼授時(shí)模塊電路

授時(shí)模塊電路主要由FPGA、MCU和SUPERIO芯片以LPC總線接口與COMe主控模塊電路進(jìn)行通信，采用從設(shè)備通信模式。本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)高精度的IRIGB-AC時(shí)間碼解碼電路，并將解碼好的時(shí)間信息發(fā)送到MCU中，并發(fā)送1路1PPS信號(hào)到MCU內(nèi)。MCU控制電路實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息和主控模塊電路的LINUX系統(tǒng)授時(shí)，實(shí)現(xiàn)mS精度級(jí)別的系統(tǒng)時(shí)間，滿(mǎn)足本系統(tǒng)中PCAP數(shù)據(jù)包內(nèi)所要求的時(shí)間參考［6-7］。其原理示意圖如圖3所示。

圖3　時(shí)間解碼電路原理圖

2.3顯示控制模塊電路

顯示控制模塊電路主要由VFD顯示屏和殼體上的按鍵組成，VFD顯示屏顯示包括時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)連接、記錄盤(pán)容量等工作狀態(tài)信息，并配合按鍵進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能操作。該設(shè)計(jì)主要注意兩點(diǎn)，一是為了應(yīng)用在復(fù)雜的機(jī)載環(huán)境中，要求注意顯示屏溫度范圍和顯示亮度，另一個(gè)是對(duì)按鍵電路進(jìn)行去干擾和防抖動(dòng)設(shè)計(jì)。本模塊電路設(shè)計(jì)選用了高亮和寬溫的VFD顯示屏，并在硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行了按鍵的防干擾和防抖動(dòng)設(shè)計(jì)。

3　軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的功能應(yīng)用要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA、微控制器MCU和Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行不同的功能程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體思路采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程方法，設(shè)計(jì)了IRIGB-AC碼解碼程序，在主控模塊系統(tǒng)中移植了裁簡(jiǎn)后的LINUX嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.1IRIB時(shí)間碼解碼程序設(shè)計(jì)

對(duì)FPGA芯片進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)是在QUARTUSII開(kāi)發(fā)工具下進(jìn)行的，主要使用Verilog-HDL語(yǔ)言編寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)完成了時(shí)間信息解算和秒脈沖輸出軟件的開(kāi)發(fā)。FPGA利用包含了時(shí)間信息的B碼碼元解算，形成秒、分、時(shí)、天、年BCD時(shí)間信息和秒脈沖輸出。其主要是設(shè)計(jì)不同的計(jì)數(shù)器對(duì)低電平脈沖寬度進(jìn)行判別［8］。其程序流程圖如圖4所示。

圖4　IRIG-B碼解碼程序流程圖

3.2Linux系統(tǒng)移植和編程

基于LINUX的嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要預(yù)先搭建基于PC機(jī)的Linux操作系統(tǒng)與相關(guān)環(huán)境，利用虛擬機(jī)自帶的VM-wareTools和Linux下Samba服務(wù)功能，可方便實(shí)現(xiàn)Linux與Windows之間共享。Linux內(nèi)核采用了模塊機(jī)制運(yùn)行，為了提高執(zhí)行效率和可靠性，僅保留了該記錄器必須的相關(guān)代碼，而其他非必須的部分代碼則進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟脺p。在裁減好的LINUX操作系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

嵌入式應(yīng)用程序主要完成設(shè)備硬件自檢，系統(tǒng)授時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議建立，數(shù)據(jù)記錄和文件格式的管理等功能。其概要流程圖如圖5所示。

圖5　主控制程序流程圖

4　系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)本文研制的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄器功能，首先在地面試驗(yàn)室環(huán)境下與機(jī)載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)試，并進(jìn)行時(shí)間授時(shí)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄功能驗(yàn)證，其聯(lián)試結(jié)果表明在試驗(yàn)室環(huán)境下可很好的完成時(shí)間授時(shí)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄功能。

其次，該設(shè)備也安裝在了飛機(jī)上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的飛行實(shí)驗(yàn)。對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行卸載和丟包分析處理，其數(shù)據(jù)分析和處理后的結(jié)果如圖6所示（圖中左側(cè)為數(shù)據(jù)記錄盤(pán)在數(shù)據(jù)卸載計(jì)算機(jī)上的文件系統(tǒng)顯示，右側(cè)用畫(huà)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)丟包分析），其最終結(jié)果顯示記錄數(shù)據(jù)安全可靠，無(wú)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。

圖6　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文利用基于X86架構(gòu)的工控主板和標(biāo)準(zhǔn)SSD固態(tài)硬盤(pán)的千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄器的研制成功，不僅有效的解決了當(dāng)前機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)中高速率，大容量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄問(wèn)題；而且由于可以使用市面通用工業(yè)級(jí)SSD固態(tài)硬盤(pán)簡(jiǎn)單改造成數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)，極大地降低了記錄器使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄成本。該記錄器研制成功后，通過(guò)在多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用，表明該設(shè)備安全可靠，無(wú)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，是機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄的一種理想設(shè)備。

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Development of aircraft Gigabit Network Data Recorder

Huo Jianhua，Wang Liuquan，Wang Liang，Xing Dabo
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089，China）

In order to meet the requirement of high-speed and high-capacity network data recorder for new network Airborne test system，this paper developed a gigabit network data recorder based on COMe module and SSD.The COMe module which had an Intel processor，DDR3 chipsets and FLASH，Solid State Disk and Motherboard integrated system hardware platform that used Linux embedded operating system.Application tests and experiments show that the recorder is high degree of reliability，no bit error，no packet loss and wide application aircraft network test system.

airborne test system；network data record；gigabit network；solid state disk

1671-4598（2016）05-0167-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.048

TP3

A

2015-10-29；

2015-12-07。

霍建華（1984-），女，碩士，工程師，主要從事飛行試驗(yàn)、遙測(cè)系統(tǒng)方向的研究。