基于1394B總線(xiàn)的直升機(jī)飛管系統(tǒng)仿真驗(yàn)證環(huán)境設(shè)計(jì)

付益愷 孟文杰

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

直升機(jī)飛管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飛行控制、機(jī)電綜合管理、直升機(jī)健康管理等功能的綜合，提高了直升機(jī)的總體性能、飛行安全和任務(wù)效能，有效減輕了系統(tǒng)重量，是直升機(jī)機(jī)載系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。于此相對(duì)應(yīng)的，飛管系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的分立式控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?、可靠性和確定性提出了更高的要求。如何保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的同時(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，是飛管系統(tǒng)研制過(guò)程中需要解決的一個(gè)難題。在國(guó)內(nèi)外直升機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用中，對(duì)于各分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸通常通過(guò)選用ARINC429、MIL_STD_1553B、RS422等數(shù)據(jù)總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以ARINC429 數(shù)據(jù)總線(xiàn)為例，其傳輸速率為100kbps，可傳輸消息最大長(zhǎng)度為1 個(gè)字（32 位），每條總線(xiàn)上可以連接不超過(guò)20 個(gè)的接收器，采用單工工作方式，無(wú)論從傳輸速率還是數(shù)據(jù)帶寬上都難以滿(mǎn)足直升機(jī)飛管系統(tǒng)的需求。相較于傳統(tǒng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，1394B 總線(xiàn)能夠提供千兆速度擴(kuò)展的特性和機(jī)制，以及在100m 的距離內(nèi)發(fā)出信號(hào)的能力，能夠滿(mǎn)足直升機(jī)飛管系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。針?duì)1394B 總線(xiàn)協(xié)議的特點(diǎn)以及直升機(jī)飛管系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了一種基于1394B 總線(xiàn)的直升機(jī)飛管系統(tǒng)仿真驗(yàn)證環(huán)境，以驗(yàn)證直升機(jī)飛管系統(tǒng)使用1394B 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

1 1394B總線(xiàn)仿真驗(yàn)證環(huán)境拓?fù)?/h2>

1394B 總線(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境由四余度總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境、總線(xiàn)協(xié)議分析及故障激勵(lì)環(huán)境和綜合顯示環(huán)境構(gòu)成。每個(gè)余度總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)包含兩條總線(xiàn)，其中總線(xiàn)1 包括CC 節(jié)點(diǎn)、飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)和機(jī)電遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，總線(xiàn)2 包括CC 節(jié)點(diǎn)和任務(wù)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。各余度CC 節(jié)點(diǎn)間通過(guò)CCDL 總線(xiàn)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)余度間的同步和數(shù)據(jù)交換。總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境、總線(xiàn)協(xié)議分析及故障激勵(lì)環(huán)境和綜合顯示環(huán)境主要用于總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、總線(xiàn)行為監(jiān)控以及總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的綜合顯示。通過(guò)在該環(huán)境中設(shè)計(jì)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議及總線(xiàn)架構(gòu)，并利用配套仿真、測(cè)試與顯示環(huán)境，完成對(duì)1394B 總線(xiàn)協(xié)議、時(shí)序、接口邏輯和數(shù)據(jù)流的仿真評(píng)估。

2 1394B總線(xiàn)仿真驗(yàn)證環(huán)境組成

2.1 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制管理原理演示驗(yàn)證環(huán)境（簡(jiǎn)稱(chēng)CC&CCDL仿真器）

用于模擬1394 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中CC 節(jié)點(diǎn)的總線(xiàn)接口行為和功能，并實(shí)現(xiàn)CC 節(jié)點(diǎn)間的總線(xiàn)同步及CCDL 功能，總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制管理原理演示驗(yàn)證環(huán)境由總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演示驗(yàn)證環(huán)境CC&CCDL 接口仿真設(shè)備（總線(xiàn)仿真板卡及配套上位機(jī)）及總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制管理原理演示驗(yàn)證環(huán)境軟件（CC&CCDL 仿真器軟件）組成。

2.2 RN仿真器

用于模擬1394 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)總線(xiàn)接口行為和功能，驗(yàn)證安全關(guān)鍵系統(tǒng)與非安全關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是否滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。RN 仿真器包括飛控/機(jī)電系統(tǒng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演示驗(yàn)證環(huán)境（以下簡(jiǎn)稱(chēng)飛控/機(jī)電遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)仿真器）和任務(wù)系統(tǒng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演示驗(yàn)證環(huán)境（以下簡(jiǎn)稱(chēng)任務(wù)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)仿真器），RN 仿真器由總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演示驗(yàn)證環(huán)境通用仿真設(shè)備（仿真板卡及配套上位機(jī)）及飛控/機(jī)電/任務(wù)系統(tǒng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演示驗(yàn)證軟件組成。

2.3 總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析軟件

用于采集、存儲(chǔ)和分析在總線(xiàn)上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)，并將關(guān)鍵信息傳輸至總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演示驗(yàn)證環(huán)境信息綜合顯示系統(tǒng)進(jìn)行綜合顯示。

圖1：總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境采集腳蹬指令變化

圖2：事件應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)送前

圖3：事件應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)送后

圖4：綜合顯示環(huán)境故障顯示

2.4 總線(xiàn)協(xié)議分析及故障激勵(lì)環(huán)境

用于采集總線(xiàn)上傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的操作，包括節(jié)點(diǎn)端口使能、強(qiáng)制根節(jié)點(diǎn)等，同時(shí)監(jiān)控總線(xiàn)狀態(tài)，包括總線(xiàn)拓?fù)浔O(jiān)控、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控以及總線(xiàn)復(fù)位監(jiān)控等。

2.5 綜合顯示環(huán)境

通過(guò)接收總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)顯示如下信息：

（1）飛機(jī)管理系統(tǒng)與總線(xiàn)的健康狀態(tài)；

（2）總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況；

（3）各總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控產(chǎn)生的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障告警信息。

3 典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 1394B總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

設(shè)置飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)前端傳感器采集數(shù)據(jù)數(shù)值，通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至四余度CC&CCDL 仿真器，CC&CCDL 仿真器進(jìn)行數(shù)據(jù)表決，產(chǎn)生后端執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令信號(hào)，并將該指令信號(hào)傳輸至飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)控飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)回傳的后端執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)。在此過(guò)程中，可執(zhí)行如下操作：

（1）更改飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；

（2）記錄、分析總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息流（飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)、CC&CCDL 仿真器及CCDL 數(shù)據(jù)）；

（3）查看綜合顯示環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。

3.2 不確定性數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

可通過(guò)任務(wù)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)仿真器和CC&CCDL 仿真器進(jìn)行事件消息發(fā)送與應(yīng)答回復(fù)，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不確定性數(shù)據(jù)的傳輸。在傳輸過(guò)程中，可注入非法事件請(qǐng)求、SVPC 故障、重復(fù)事件請(qǐng)求等，以此驗(yàn)證不確定性數(shù)據(jù)傳輸邏輯，并通過(guò)綜合顯示環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和確認(rèn)。

3.3 故障激勵(lì)與總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控

通過(guò)總線(xiàn)協(xié)議分析及故障激勵(lì)環(huán)境進(jìn)行總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障激勵(lì)，利用總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境及綜合顯示環(huán)境記錄、觀察總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)對(duì)故障的響應(yīng)及總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在故障后的運(yùn)行狀態(tài)?？偩€(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障激勵(lì)包括：

（1）總線(xiàn)協(xié)議故障激勵(lì)，包括非法消息故障、數(shù)據(jù)包大小故障、發(fā)送偏移故障、數(shù)據(jù)包目的通道故障等；

（2）數(shù)據(jù)包故障注入，包括STOF 包周期故障/HVPC 故障、異步流包心跳故障/SVPC 故障/CRC 故障等；

（3）總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔收?，包括總線(xiàn)復(fù)位故障、總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)故障、根節(jié)點(diǎn)故障等。

4 仿真結(jié)果

4.1 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸仿真

總線(xiàn)正常啟動(dòng)后，利用firespy 驗(yàn)證FCS_DATA1_A 數(shù)據(jù)包是否符合規(guī)定的異步流包格式。

設(shè)置飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送的FCS_DATA1_A 數(shù)據(jù)包中腳蹬指令由0 置1，觀察總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境收到的數(shù)據(jù)是否正確。仿真結(jié)果如圖1 所示。

如圖所示，總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析環(huán)境能夠正確采集飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

4.2 不確定性數(shù)據(jù)傳輸仿真

總線(xiàn)正常啟動(dòng)后，通過(guò)任務(wù)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)（DMP 節(jié)點(diǎn)）上層應(yīng)用軟件觸發(fā)自動(dòng)駕駛接通請(qǐng)求事件，查看CC&CCDL 仿真器能否做出正確應(yīng)答并在綜合顯示系統(tǒng)上正確顯示自駕模態(tài)的變化。仿真結(jié)果如圖2、圖3 所示。

如圖所示，事件與應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收功能正常，滿(mǎn)足要求。

4.3 故障注入仿真

總線(xiàn)正常啟動(dòng)后，通過(guò)飛控遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)（FCS 節(jié)點(diǎn)）上層應(yīng)用軟件注入異步流包SVPC 故障，查看綜合顯示系統(tǒng)能否申報(bào)相應(yīng)故障。仿真結(jié)果如圖4 所示。

如圖所示，F(xiàn)CS 故障列表和RIU 故障列表均報(bào)出故障，滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

直升機(jī)飛管系統(tǒng)仿真驗(yàn)證環(huán)境是依據(jù)實(shí)際應(yīng)用所需的電氣接口、傳輸速率、工作周期等一系列技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的。其采用模塊化、通用化的設(shè)計(jì)，具有良好的維修性、互換性及可擴(kuò)展性，后續(xù)還可根據(jù)使用需求進(jìn)行進(jìn)一步的功能拓展。本方案在設(shè)計(jì)時(shí)采用了多余度的系統(tǒng)架構(gòu)，可進(jìn)行余度表決、通道交叉?zhèn)鬏數(shù)裙δ艿姆抡婧蜏y(cè)試，且各節(jié)點(diǎn)均具備軟硬件故障的檢測(cè)和定位能力。此外，仿真驗(yàn)證環(huán)境還具備故障注入能力，可向系統(tǒng)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)中注入總線(xiàn)協(xié)議故障、數(shù)據(jù)包故障、總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔收?，幾乎囊括了直升機(jī)飛管系統(tǒng)在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中所能遭遇的所有數(shù)據(jù)通訊故障，可有效檢驗(yàn)系統(tǒng)和部件對(duì)于故障的響應(yīng)和處置能力。綜上所述，該套仿真驗(yàn)證環(huán)境可有效提高直升機(jī)飛管系統(tǒng)在桌面仿真和半物理仿真階段的實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確度，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。