機(jī)載航電網(wǎng)絡(luò)完成航電各個(gè)子系統(tǒng)之間的互聯(lián)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換及傳輸功能，其主要部件包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)、交換機(jī)及外圍的數(shù)據(jù)總線、I/O接口等設(shè)備，是構(gòu)成航電系統(tǒng)的重要部分。航電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的正確性是航電系統(tǒng)正確運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著航電系統(tǒng)集成化程度及復(fù)雜程度越來(lái)越高，航電網(wǎng)絡(luò)也向著集成化、統(tǒng)一化發(fā)展，對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的集成化測(cè)試成為保證航電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正確性的必要手段。

        本文設(shè)計(jì)一種集成化、多接口、可配置的航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，支持對(duì)以AFDX網(wǎng)絡(luò)為主干的航電網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試,同時(shí)集成了多接口功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路ARINC825總線、ARINC429總線等二級(jí)總線及航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳感器、作動(dòng)器I/O接口進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)靈活的配置和測(cè)試用例設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)不同場(chǎng)景、不同傳輸路徑及數(shù)據(jù)流量的測(cè)試驗(yàn)證，能夠有效地完成對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試,保證航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

1 航電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其測(cè)試分析

　 機(jī)載航空電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式4個(gè)階段^[1]，其系統(tǒng)綜合化程度不斷提高，因而作為航空電子系統(tǒng)互聯(lián)基礎(chǔ)的總線網(wǎng)絡(luò)也向著集中式、統(tǒng)一化發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)航電系統(tǒng)中，均采用了綜合模塊化航電技術(shù)作為其航電系統(tǒng)的主要架構(gòu)，提高了航電系統(tǒng)的綜合化水平。綜合模塊化航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

        圖1中，航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成主要包括IMA核心處理平臺(tái)、主干網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、航電子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。一般航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用雙冗余的架構(gòu)，IMA核心處理平臺(tái)、主干網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備及子系統(tǒng)均采用多臺(tái)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)雙冗余的架構(gòu)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)二級(jí)總線及航電系統(tǒng)中其他的傳感器、作動(dòng)器數(shù)據(jù)向主干網(wǎng)絡(luò)的接入及傳輸，通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)二級(jí)總線、傳感器數(shù)據(jù)向核心處理機(jī)的采集和傳輸,實(shí)現(xiàn)核心處理機(jī)對(duì)外部作動(dòng)器的輸出控制^[2]。

        按照?qǐng)D1所示綜合模塊化航電的架構(gòu)，對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)必需要作為航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，接入到航電主干交換網(wǎng)絡(luò)中，能夠通過(guò)交換機(jī)同網(wǎng)絡(luò)中所有的子系統(tǒng)及其他設(shè)備進(jìn)行通信，同時(shí)，測(cè)試平臺(tái)需要具備航電網(wǎng)絡(luò)中二級(jí)總線、I/O接口功能，一方面，能夠作為測(cè)試接口對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的接口進(jìn)行測(cè)試，另一方面，可以模擬航電子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)多種類型數(shù)據(jù)的注入測(cè)試。在目前先進(jìn)飛機(jī)(A380、B787、C919)的航電網(wǎng)絡(luò)中，均采用AFDX作為其主干交換網(wǎng)絡(luò)^[2-3]，針對(duì)以圖1所示的綜合模塊化航電網(wǎng)絡(luò)，本文設(shè)計(jì)的多接口集成化的測(cè)試平臺(tái)集成了主干的AFDX網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)AFDX網(wǎng)絡(luò)接口接入主干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，二級(jí)總線集成包括機(jī)載網(wǎng)絡(luò)有廣泛應(yīng)用的ARINC825總線、ARINC429總線，外部I/O集成傳感器包括溫度傳感器、電壓采集傳感器等，作動(dòng)器主要包括為地開、28 V開等信號(hào)。

2 多接口集成化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

        測(cè)試平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)所有類型通信接口的測(cè)試，同時(shí)需要考慮對(duì)被測(cè)設(shè)備的調(diào)試、監(jiān)控等功能。本文測(cè)試平臺(tái)利用模塊化的產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)覆蓋了多種接口功能的測(cè)試平臺(tái)，支持自動(dòng)化的配置和測(cè)試用例構(gòu)建，支持模擬仿真航電網(wǎng)絡(luò)中通信設(shè)備的仿真測(cè)試，其總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

        如圖2,測(cè)試平臺(tái)通過(guò)余度AFDX網(wǎng)絡(luò)接入航電網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)，經(jīng)過(guò)余度交換機(jī)同航電網(wǎng)絡(luò)其他各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信連接;測(cè)試平臺(tái)提供多條的ARINC825總線,支持航電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中的多路CAN總線的接入;多路的I/O和ARINC429接收和發(fā)送接口可直接與航電網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)接口進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接測(cè)試;通過(guò)連接以太網(wǎng)交換機(jī)支持對(duì)多個(gè)航電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的網(wǎng)口調(diào)試功能;通過(guò)連接串口交換機(jī)支持對(duì)多個(gè)航電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)模塊的串口輸出進(jìn)行監(jiān)控和顯示，并支持串口調(diào)試功能。

2.1 接口設(shè)計(jì)

        根據(jù)目前航電網(wǎng)絡(luò)的接口通信及測(cè)試需求，本文測(cè)試平臺(tái)接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

        圖3給出了測(cè)試平臺(tái)所支持的外部接口,其中，配置引腳實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)多個(gè)配置表的選擇功能，通過(guò)外部硬信號(hào)，選擇測(cè)試平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的配置表運(yùn)行測(cè)試用例，支持不同的測(cè)試場(chǎng)景，提高測(cè)試平臺(tái)的靈活性。I/O接口主要用戶對(duì)航電系統(tǒng)外部傳感器、作動(dòng)器信號(hào)的測(cè)試，在輸出I/O接口中，提供了包含28 V開信號(hào)、溫度信號(hào)、差分電壓信號(hào)和地開信號(hào)等48路輸出接口，在輸入I/O接口中，提供了包含28 V開信號(hào)和地開信號(hào)的12路輸入接口，數(shù)據(jù)總線接口中設(shè)計(jì)了余度的ARINC664總線接口、多路的ARINC825和ARINC429總線接口。

        在接口設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)配置引腳和多路總線、多路輸入輸出接口來(lái)保證測(cè)試平臺(tái)的靈活性，實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)需要測(cè)試的數(shù)據(jù)傳輸路徑、接口類型、接口數(shù)量等不同測(cè)試需求，可編制多張不同的測(cè)試配置表，將這多張配置表存儲(chǔ)在測(cè)試平臺(tái)中，配置引腳的每一種狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)位置的測(cè)試配置表測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)改變配置引腳的狀態(tài)，測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的配置表，并加載到測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，提高了系統(tǒng)的測(cè)試效率。

2.2 基于CPCI接口的集成化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

        CPCI接口是在PCI總線基礎(chǔ)上使用標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器，適用于更高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合^[4]。測(cè)試平臺(tái)集成了多種網(wǎng)絡(luò)、總線及I/O數(shù)據(jù)接口，采用模塊化的思想，將各種接口功能分配到不同的模塊，通過(guò)外部CPCI接口將多個(gè)模塊集成在一起。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，一方面，使得測(cè)試平臺(tái)各接口功能相對(duì)獨(dú)立而不互相影響；另一方面，便于測(cè)試平臺(tái)的維護(hù)，在系統(tǒng)中某個(gè)模塊或接口出現(xiàn)故障時(shí)，僅需通過(guò)對(duì)該模塊進(jìn)行更換即可，提高了測(cè)試平臺(tái)的可靠性和可維護(hù)性。測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

        如圖4所示，基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，測(cè)試平臺(tái)由主處理模塊、I/O處理模塊、AFDX模塊、ARINC825模塊和ARINC429模塊5個(gè)模塊構(gòu)成，通過(guò)CPCI總線進(jìn)行集成互聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)集成了多模塊的測(cè)試平臺(tái)硬件。主處理模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)主處理功能，采用商用的CPCI接口處理器模塊實(shí)現(xiàn)，支持Windows操作系統(tǒng)，支持掛載多個(gè)CPCI從設(shè)備；AFDX模塊通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)AFDX的協(xié)議層控制,通過(guò)以太網(wǎng)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)AFDX物理層功能,對(duì)外提供冗余的兩路AFDX總線接口功能；ARINC825模塊通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)ARINC825總線協(xié)議的鏈路層控制功能,配置多路的專用CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)多路的ARINC825總線接口功能；ARINC429模塊通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)ARINC429協(xié)議功能，配置多路的ARINC429收發(fā)器實(shí)現(xiàn)ARINC429總線接口功能；I/O處理模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的離散量和模擬量采集和輸出控制接口功能，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)外部模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸入至FPGA實(shí)現(xiàn)模擬量和離散量的采集和輸出控制，配置引腳作為外部的離散量輸入，也由I/O處理模塊來(lái)進(jìn)行采集。

        測(cè)試平臺(tái)的AFDX模塊、ARINC825模塊、ARINC429模塊和I/O處理模塊均以FPGA為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊與主模塊的通信方式采用共享雙口的形式完成，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)部雙口DPRAM，用于主模塊和各子模塊的數(shù)據(jù)交互通信，該DPRAM通過(guò)CPCI總線向主模塊開放。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)各總線的協(xié)議層控制和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量和離散量的數(shù)據(jù)I/O采集和輸出控制功能。

3 測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

        測(cè)試平臺(tái)軟件運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境的主處理模塊上，其面向航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的主要功能包括：測(cè)試的配置解析及加載、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量注入、測(cè)試數(shù)據(jù)的保存和離線分析等。測(cè)試平臺(tái)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        如圖5所示，測(cè)試軟件運(yùn)行在硬件層之上，按層次劃分為系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層、中間件層和應(yīng)用層。硬件層為本文設(shè)計(jì)的基于CPCI總線的集成化測(cè)試平臺(tái)，完成各種網(wǎng)絡(luò)總線及I/O接口的硬件功能；系統(tǒng)層為軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng)，采用Window操作系統(tǒng)平臺(tái)；驅(qū)動(dòng)層運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，提供包括AFDX模塊、ARINC825模塊、ARINC429模塊及I/O處理模塊的驅(qū)動(dòng)程序，支持各模塊的硬件初始化、配置加載、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)采集和輸出控制等功能，為上層的系統(tǒng)測(cè)試提供最底層的驅(qū)動(dòng)功能；中間件層對(duì)驅(qū)動(dòng)層各種軟件接口進(jìn)行統(tǒng)一的封裝，面向上層屏蔽底層驅(qū)動(dòng)的差異，向上層提供統(tǒng)一的調(diào)用和驅(qū)動(dòng)接口，簡(jiǎn)化了上層軟件的設(shè)計(jì)，避免由于底層驅(qū)動(dòng)軟件的修改而導(dǎo)致的上層軟件改動(dòng)，提高了軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的效率。應(yīng)用層基于底層的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的主要功能，包括配置管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)注入等。配置管理功能完成測(cè)試配置的解析、校驗(yàn)和加載，按照約定的格式對(duì)存儲(chǔ)在測(cè)試平臺(tái)的配置表進(jìn)行解析，對(duì)配置內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后，按照解析出的測(cè)試配置，對(duì)測(cè)試所需的平臺(tái)軟硬件接口進(jìn)行初始化并啟動(dòng)其工作；數(shù)據(jù)監(jiān)控功能實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示測(cè)試平臺(tái)接收到的所有接口消息內(nèi)容，并對(duì)其接收到的消息按照協(xié)議定義的各字段含義進(jìn)行解析；數(shù)據(jù)分析功能完成測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控到消息的存儲(chǔ)和離線分析功能；數(shù)據(jù)注入功能按照設(shè)計(jì)的測(cè)試用例，按照其時(shí)間特性向航電網(wǎng)絡(luò)中注入測(cè)試數(shù)據(jù)，支持按照協(xié)議定義的各個(gè)字段進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的組織?？梢暬缑孳浖怯脩襞c測(cè)試平臺(tái)的交互界面，基于測(cè)試用例完成測(cè)試平臺(tái)各種功能的顯示和控制功能。

4 測(cè)試驗(yàn)證

        搭建了圖2所示的測(cè)試環(huán)境，航電網(wǎng)絡(luò)由兩臺(tái)AFDX交換機(jī)和一臺(tái)具備多總線接口遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成，對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的接口的通信及采集等功能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，I/O接口的數(shù)據(jù)采集測(cè)試考慮到連接線引起的誤差，通過(guò)軟件對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)償校正，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

        表1中溫度輸出和差分電壓輸出接口測(cè)試，在量程范圍內(nèi)由測(cè)試平臺(tái)控制不同的輸出值，在航電網(wǎng)絡(luò)端對(duì)輸出值進(jìn)行采集，并計(jì)算測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果滿足應(yīng)用精度要求。

        本文結(jié)合目前先進(jìn)飛機(jī)的航電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其接口類型，設(shè)計(jì)了一種集成化、多接口、可動(dòng)態(tài)配置的航電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的接口測(cè)試、模擬仿真及系統(tǒng)測(cè)試功能，通過(guò)管腳編程可動(dòng)態(tài)選擇不同測(cè)試配置和測(cè)試用例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了其硬件平臺(tái)及上位機(jī)測(cè)試軟件，在對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試的工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用。

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