機載航電網(wǎng)絡完成航電各個子系統(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)絡節(jié)點機、交換機及外圍的數(shù)據(jù)總線、I/O接口等設備，是構成航電系統(tǒng)的重要部分。航電網(wǎng)絡運行的正確性是航電系統(tǒng)正確運行的基礎，隨著航電系統(tǒng)集成化程度及復雜程度越來越高，航電網(wǎng)絡也向著集成化、統(tǒng)一化發(fā)展，對航電網(wǎng)絡的集成化測試成為保證航電網(wǎng)絡運行正確性的必要手段。

        本文設計一種集成化、多接口、可配置的航電網(wǎng)絡測試平臺，支持對以AFDX網(wǎng)絡為主干的航電網(wǎng)絡通信測試,同時集成了多接口功能,可以實現(xiàn)對多路ARINC825總線、ARINC429總線等二級總線及航電網(wǎng)絡系統(tǒng)的傳感器、作動器I/O接口進行測試。通過靈活的配置和測試用例設計，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡不同場景、不同傳輸路徑及數(shù)據(jù)流量的測試驗證，能夠有效地完成對航電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試,保證航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

1 航電網(wǎng)絡架構及其測試分析

　 機載航空電子系統(tǒng)的發(fā)展經歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進綜合式4個階段^[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)基礎的總線網(wǎng)絡也向著集中式、統(tǒng)一化發(fā)展。在國內外先進飛機航電系統(tǒng)中，均采用了綜合模塊化航電技術作為其航電系統(tǒng)的主要架構，提高了航電系統(tǒng)的綜合化水平。綜合模塊化航電網(wǎng)絡系統(tǒng)基本架構如圖1所示。

        圖1中，航電網(wǎng)絡系統(tǒng)組成主要包括IMA核心處理平臺、主干網(wǎng)絡交換設備、航電子系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)采集器等設備，通過主干網(wǎng)絡進行互聯(lián)。一般航電網(wǎng)絡系統(tǒng)采用雙冗余的架構，IMA核心處理平臺、主干網(wǎng)絡交換設備及子系統(tǒng)均采用多臺設備以實現(xiàn)雙冗余的架構。遠程數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)二級總線及航電系統(tǒng)中其他的傳感器、作動器數(shù)據(jù)向主干網(wǎng)絡的接入及傳輸，通過遠程數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)二級總線、傳感器數(shù)據(jù)向核心處理機的采集和傳輸,實現(xiàn)核心處理機對外部作動器的輸出控制^[2]。

        按照圖1所示綜合模塊化航電的架構，對航電網(wǎng)絡的測試，測試平臺必需要作為航電網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個組成部分，接入到航電主干交換網(wǎng)絡中，能夠通過交換機同網(wǎng)絡中所有的子系統(tǒng)及其他設備進行通信，同時，測試平臺需要具備航電網(wǎng)絡中二級總線、I/O接口功能，一方面，能夠作為測試接口對航電網(wǎng)絡中其他設備的接口進行測試，另一方面，可以模擬航電子系統(tǒng)功能實現(xiàn)多種類型數(shù)據(jù)的注入測試。在目前先進飛機(A380、B787、C919)的航電網(wǎng)絡中，均采用AFDX作為其主干交換網(wǎng)絡^[2-3]，針對以圖1所示的綜合模塊化航電網(wǎng)絡，本文設計的多接口集成化的測試平臺集成了主干的AFDX網(wǎng)絡接口，通過AFDX網(wǎng)絡接口接入主干網(wǎng)絡交換機，二級總線集成包括機載網(wǎng)絡有廣泛應用的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，作動器主要包括為地開、28 V開等信號。

2 多接口集成化測試平臺設計

        測試平臺需要實現(xiàn)對航電網(wǎng)絡所有類型通信接口的測試，同時需要考慮對被測設備的調試、監(jiān)控等功能。本文測試平臺利用模塊化的產品，對其進行集成設計，實現(xiàn)覆蓋了多種接口功能的測試平臺，支持自動化的配置和測試用例構建，支持模擬仿真航電網(wǎng)絡中通信設備的仿真測試，其總體設計如圖2所示。

        如圖2,測試平臺通過余度AFDX網(wǎng)絡接入航電網(wǎng)絡核心交換機，經過余度交換機同航電網(wǎng)絡其他各個子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信連接;測試平臺提供多條的ARINC825總線,支持航電網(wǎng)絡子系統(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)絡中對應接口進行點對點連接測試;通過連接以太網(wǎng)交換機支持對多個航電網(wǎng)絡子系統(tǒng)的網(wǎng)口調試功能;通過連接串口交換機支持對多個航電網(wǎng)絡子系統(tǒng)模塊的串口輸出進行監(jiān)控和顯示，并支持串口調試功能。

2.1 接口設計

        根據(jù)目前航電網(wǎng)絡的接口通信及測試需求，本文測試平臺接口設計如圖3所示。

        圖3給出了測試平臺所支持的外部接口,其中，配置引腳實現(xiàn)測試平臺多個配置表的選擇功能，通過外部硬信號，選擇測試平臺中對應的配置表運行測試用例，支持不同的測試場景，提高測試平臺的靈活性。I/O接口主要用戶對航電系統(tǒng)外部傳感器、作動器信號的測試，在輸出I/O接口中，提供了包含28 V開信號、溫度信號、差分電壓信號和地開信號等48路輸出接口，在輸入I/O接口中，提供了包含28 V開信號和地開信號的12路輸入接口，數(shù)據(jù)總線接口中設計了余度的ARINC664總線接口、多路的ARINC825和ARINC429總線接口。

        在接口設計中，通過設計配置引腳和多路總線、多路輸入輸出接口來保證測試平臺的靈活性，實際使用時，根據(jù)需要測試的數(shù)據(jù)傳輸路徑、接口類型、接口數(shù)量等不同測試需求，可編制多張不同的測試配置表，將這多張配置表存儲在測試平臺中，配置引腳的每一種狀態(tài)對應一個位置的測試配置表測試過程中，通過改變配置引腳的狀態(tài)，測試平臺自動選擇對應的配置表，并加載到測試平臺進行測試，提高了系統(tǒng)的測試效率。

2.2 基于CPCI接口的集成化測試平臺設計

        CPCI接口是在PCI總線基礎上使用標準針孔連接器，適用于更高可靠性應用場合^[4]。測試平臺集成了多種網(wǎng)絡、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，通過外部CPCI接口將多個模塊集成在一起。通過這種設計，一方面，使得測試平臺各接口功能相對獨立而不互相影響；另一方面，便于測試平臺的維護，在系統(tǒng)中某個模塊或接口出現(xiàn)故障時，僅需通過對該模塊進行更換即可，提高了測試平臺的可靠性和可維護性。測試平臺硬件設計如圖4所示。

        如圖4所示，基于模塊化的設計思想，測試平臺由主處理模塊、I/O處理模塊、AFDX模塊、ARINC825模塊和ARINC429模塊5個模塊構成，通過CPCI總線進行集成互聯(lián)，構成一個集成了多模塊的測試平臺硬件。主處理模塊實現(xiàn)測試平臺主處理功能，采用商用的CPCI接口處理器模塊實現(xiàn)，支持Windows操作系統(tǒng)，支持掛載多個CPCI從設備；AFDX模塊通過FPGA實現(xiàn)AFDX的協(xié)議層控制,通過以太網(wǎng)收發(fā)器實現(xiàn)AFDX物理層功能,對外提供冗余的兩路AFDX總線接口功能；ARINC825模塊通過FPGA實現(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)器實現(xiàn)多路的ARINC825總線接口功能；ARINC429模塊通過FPGA實現(xiàn)ARINC429協(xié)議功能，配置多路的ARINC429收發(fā)器實現(xiàn)ARINC429總線接口功能；I/O處理模塊實現(xiàn)測試平臺的離散量和模擬量采集和輸出控制接口功能，通過A/D轉換實現(xiàn)外部模擬信號的轉換，輸入至FPGA實現(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處理模塊來進行采集。

        測試平臺的AFDX模塊、ARINC825模塊、ARINC429模塊和I/O處理模塊均以FPGA為核心進行設計，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內部實現(xiàn)一個內部雙口DPRAM，用于主模塊和各子模塊的數(shù)據(jù)交互通信，該DPRAM通過CPCI總線向主模塊開放。在FPGA內部實現(xiàn)對各總線的協(xié)議層控制和處理，實現(xiàn)對模擬量和離散量的數(shù)據(jù)I/O采集和輸出控制功能。

3 測試平臺軟件設計

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

        如圖5所示，測試軟件運行在硬件層之上，按層次劃分為系統(tǒng)層、驅動層、中間件層和應用層。硬件層為本文設計的基于CPCI總線的集成化測試平臺，完成各種網(wǎng)絡總線及I/O接口的硬件功能；系統(tǒng)層為軟件運行的操作系統(tǒng)，采用Window操作系統(tǒng)平臺；驅動層運行在操作系統(tǒng)之上，提供包括AFDX模塊、ARINC825模塊、ARINC429模塊及I/O處理模塊的驅動程序，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)測試提供最底層的驅動功能；中間件層對驅動層各種軟件接口進行統(tǒng)一的封裝，面向上層屏蔽底層驅動的差異，向上層提供統(tǒng)一的調用和驅動接口，簡化了上層軟件的設計，避免由于底層驅動軟件的修改而導致的上層軟件改動，提高了軟件設計與實現(xiàn)的效率。應用層基于底層的驅動實現(xiàn)測試平臺的主要功能，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試配置的解析、校驗和加載，按照約定的格式對存儲在測試平臺的配置表進行解析，對配置內容進行校驗，校驗正確后，按照解析出的測試配置，對測試所需的平臺軟硬件接口進行初始化并啟動其工作；數(shù)據(jù)監(jiān)控功能實時監(jiān)控并顯示測試平臺接收到的所有接口消息內容，并對其接收到的消息按照協(xié)議定義的各字段含義進行解析；數(shù)據(jù)分析功能完成測試平臺監(jiān)控到消息的存儲和離線分析功能；數(shù)據(jù)注入功能按照設計的測試用例，按照其時間特性向航電網(wǎng)絡中注入測試數(shù)據(jù)，支持按照協(xié)議定義的各個字段進行測試數(shù)據(jù)的組織。可視化界面軟件是用戶與測試平臺的交互界面，基于測試用例完成測試平臺各種功能的顯示和控制功能。

4 測試驗證

        搭建了圖2所示的測試環(huán)境，航電網(wǎng)絡由兩臺AFDX交換機和一臺具備多總線接口遠程數(shù)據(jù)采集器構成，對航電網(wǎng)絡測試平臺的接口的通信及采集等功能進行了測試驗證，I/O接口的數(shù)據(jù)采集測試考慮到連接線引起的誤差，通過軟件對其測量結果進行了補償校正，測試結果如表1所示。

        表1中溫度輸出和差分電壓輸出接口測試，在量程范圍內由測試平臺控制不同的輸出值，在航電網(wǎng)絡端對輸出值進行采集，并計算測量誤差，測量結果滿足應用精度要求。

        本文結合目前先進飛機的航電網(wǎng)絡架構及其接口類型，設計了一種集成化、多接口、可動態(tài)配置的航電網(wǎng)絡測試平臺，可實現(xiàn)對航電網(wǎng)絡的接口測試、模擬仿真及系統(tǒng)測試功能，通過管腳編程可動態(tài)選擇不同測試配置和測試用例，設計并實現(xiàn)了其硬件平臺及上位機測試軟件，在對航電網(wǎng)絡系統(tǒng)測試的工程實踐中得到了很好的應用。

參考文獻

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