基于AS5463協議的飛行管理仿真系統的設計

王曉梅

摘 要：為了使IEEE 1394在軍事和飛行器中的安全關鍵/任務關鍵系統中應用，對IEEE 1394協議的擴展和約束。提出一種基于AS5463協議的飛行管理系統仿真系統設計方法，探討了AS5463協議在飛管總線中應用的優點及可能性。仿真系統硬件通過AS5463協議通信卡及工控機實現，軟件通過模塊化設計方法實現。通信仿真系統實現了各子系統相關數據的傳送、處理，以及相關信息的實時顯示。測試表明，飛行管理系統仿真系統工作正常、性能良好，能實現測試設備之間高速率的數據傳輸與轉換，具有良好的實用價值。

關鍵詞：飛行管理； AS5463協議； AS5463協議通信卡； 通信仿真系統

中圖分類號：TN964?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0071?03

在飛機的機載設備中，系統之間、系統和部件之間存在著大量信息需要傳遞。這些信息要求通信實時、準確，同時在機載設備中希望飛行管理系統控制起來更加靈活，與其他子系統通信更加合理，所以應盡量降低飛行管理系統中電氣連線的復雜性，那么選用一種合適的總線來承擔此任務是至關重要的。使用AS5643協議的IEEE 1394總線[1?2]其設計思想獨特、性能優良并且可靠性極高[3?4]，可以很好完成上述任務，所以將基于AS5643協議的IEEE 1394總線應用在飛行管理系統的仿真系統中，可以說是對于航空領域應用的一次新的嘗試[5?6]。本文遵循AS5643協議，傳輸總線采用IEEE 1394總線，仿真機的通信系統采用工控機子系統，其整個通信系統拓撲采用總線型拓撲結構。該模型可用于仿真飛機某些子系統的功能、估算總線性能情況，測試仿真系統的執行效率和穩定性，為基于AS5643協議的IEEE 1394總線在航空領域的應用提供案例。

1 仿真系統的功能

基于AS5643協議的IEEE 1394總線飛行管理仿真系統分為CC（控制計算機），RN（遠程節點）和BM（總線監控）三個子系統。該仿真系統必須實現各子系統之間準確、實時的數據傳輸，并能夠根據用戶需求設置各種系統通信參數，諸如發送方式、通信方式、通信速率、周期、定時等，顯示仿真通信參數、本機參數、定時信息、心跳字信息、系統參數等，實時更新展示系統接收的最新數據，保存通信數據。基于AS5643協議的IEEE 1394通信總線仿真系統由軟件和硬件兩部分組成。軟件的主要功能是根據相應工作狀態對數據進行處理、顯示以及傳輸。硬件主要包括PCI_1394，PCIE_1394，CPCI_1394，USB_1394通信接口板、仿真計算機及IEEE 1394總線等，該總線的拓撲結構為總線型拓撲結構。典型的基于AS5643協議的IEEE 1394總線的三余度飛行管理仿真系統的拓撲結構如圖1所示。

2 仿真系統的功能

整個仿真系統硬件設計的關鍵部分是AS5643協議通信卡，主要由三大部分組成，包括PCI/PCI?E總線接口部分、通信控制部分和IEEE 1394總線接口部分。其電路設計的原理框圖如圖2所示。其中使用PCI9052作為PCI協議通信芯片，使用PLX8111作為PCI?E協議通信芯片，并使用512 MB RAM 來緩存數據。

2.1 硬件設計

AS5643協議通信卡的特性包括以下幾點：

（1）采用FPGA處理AS5643協議，設計更加靈活，通過更改FPGA 邏輯就可以實現CC/RN/BM節點功能，而且處理速度更快[7]；

（2）應用API操作接口簡潔，上層應用只需實現系統狀態控制、數據啟動停止，數據填充等基本操作；

（3）為提高系統實時性，AS5643協議全部通過硬件邏輯實現；

（4）FPGA在邏輯設計保留多種通信接口，方便系統設計與維護[8]。

FPGA 器件選型時充分考慮AS5643 協議處理要求，從邏輯規模、資源等方面綜合評估[9]，選用Xilinx公司高速芯片。

2.2 硬件實現

AS5643協議通信卡設計由三部分組成，便于根據需要進行接口變更，包括：PCI/PCIE/USB/CPCI母卡、FPGA子卡和鏈路物理層子卡。CC/RN/BM 上的AS5643協議功能由FPGA子卡上的邏輯實現。同時鏈路物理層子卡上的物理層芯片TSB41BA3B和鏈路層芯片TSB12LV32由FPGA子卡操縱，實現IEEE 1394的物理層特性和鏈路層規程。而PCI/PCIE/USB/CPCI接口控制、AS5643 協議、配置表的硬件加載、硬件邏輯自測試和健康監控等功能由FPGA實現，其原理框圖如圖2 所示。

3 軟件設計

系統軟件開發設計基于是Windows XP操作系統，采用Visual Studio 2008 開發，使用面向對象的設計方法開發。系統軟件的結構分為5層，如圖3所示。

圖2 IEEE 1394總線通信卡電路設計原理框圖

五層中，L0層為驅動，采用DDK進行開發，直接訪問硬件資源和FPGA協調工作。L1層為驅動接口層，提供其他語言的訪問接口。L2層為對L1層采用.NET Framework技術封裝，主要目的是為方便支持.NET Framework的其他對象訪問驅動，并提供對TCP/IP的遠程服務訪問能力。L3層為采用面向對象技術對CC，RN，BM實現業務邏輯和狀態變遷的封裝。L4是應用表示層用于數據呈現。軟件流程圖如圖4所示。

圖3 系統軟件結構圖

圖4 軟件流程圖

3.1 系統主模塊

系統主模塊通過調用相應功能模塊，控制仿真系統初始化，以及整個仿真系統軟件的流程。

3.2 初始化模塊

初始化模塊通過調用API函數進行硬件初始化和軟件初始化。將各子系統之間通信所需的發送方式、通信方式、通信速率、周期、定時等參數進行初始化配置。

3.3 數據管理模塊

數據管理模塊在運行過程中，完成實時編碼要發送的數據和實時解碼接收到相關數據塊。數據處理的主要功能是根據接口控制文件（ICD）文件數據塊的大小，通過配合發送、接收模塊，完成對數據幀的封裝和解析。ICD文件中的參數通過編碼組成相對應的AS5643協議的異步流包的形式進行傳送。

3.4 控制模塊

控制模塊完成系統狀態、通信、總線復位，遠端根節點以及顯示的控制，根據用戶的輸入操作和相關其他節點的相應狀態，確定整個仿真系統的運行狀態與工作方式的控制與切換和相關數據通信控制等操作。

3.5 通信模塊

通信模塊通過訪問通信卡的本地對象、遠程對象或底層的API函數，配合數據發送接收等模塊，實現各子系統的數據發送和接收功能。

3.6 網絡拓撲模塊

拓撲模塊通過獲取鏈路層的寄存器的自標識包，計算出當前的網絡拓撲。由于IEEE 1394設備配置不需要主機干預，是在本地總線上完成的。每當一個新的設備或節點被連入或從總線上移除時，整個總線都要復位并重新配置。在配置中，下面三個步驟必須執行：樹標識、自標識、速度標識。總線初始化之后，節點開始進行樹標識以識別根節點和所有連接節點的網絡拓撲結構。樹標識以后生成一個分層樹結構。樹標識結束后進行自標識，節點在這一過程中開始配置。自標識主要執行以下動作：給每個節點分配物理ID、 鄰近節點交換傳輸速度能力、把樹標識中定義的網絡拓撲結構廣播給所有節點。總線配置完成后，擁有最大節點ID的節點為根結點。如果定義了等時包，那么設置了IRM寄存器的競爭位的根節點將成為等時資源管理器。離根節點最遠節點的節點ID為0。節點號隨著離根節點的距離而遞減[2?3]。因此，對于拓撲結構的生成，必須根據自標識包的信息進行計算，才能得到當前的網絡結構。

3.7 傳輸層協議

由于AS5643 協議只規定物理層和鏈路層的標準，沒有規定傳輸層通信協議，而數據的通信必須按照傳輸層協議來封裝幀、解析幀。考慮到AFDX網絡中的軟件都支持UDP通信，為便于將AFDX上的軟件移植到AS5643上來，為此，為本文提供了UDP協議棧，便于應用系統的移植。

4 結 語

IEEE 1394總線傳輸速度快、傳輸距離長、驅動能力強，系統靈活、可擴展性強，可以實現實時、確定的點對點傳輸。安裝簡單，易于維護，經濟性好[10]。該仿真系統已測試使用。測試結果表明，該飛行管理仿真系統通信卡工作良好，系統工作正常，實現了各子系統之間的通信，人機界面友好，為飛管綜合控制系統不斷發展做好技術和物質準備。

參考文獻

[1] Society of Automotive Engineers. IEEE 1394b interface requirements for military and aerospace vehicle applications [S]. USA： SAE， 2004.

[2] BAI Hao?wei. Analysis of a SAE AS5643 Mil?1394b based high?speed avionics network architecture for space and defense application [C]// Proceedings of 2007 IEEE Aerospace Conference. Minneapolis， USA： Honeywell Labs， 2007： 1?9.

[3] IEEE Computer Society. IEEE Std 1394b TM?2002 IEEE standard for a high performance serial bus amendment [S]. USA： IEEE Computer Society， 2002.

[4] 田澤，李娜，程國建.飛行控制系統中Mil?1394b 仿真節點實現[J].電腦知識與技術，2011（7）：3120?3121.

[5] 王海涌，黃江艷.一種基于IEEE1394 總線的高速數據傳輸設備的設計[J].測控技術，2009，28（6）：65?68.

[6] 劉光遠，張濤，鄭偉波.基于FPGA 的數據采集系統IEEE 1394 接口設計[J].儀表技術與傳感器，2009（12）：46?48.

[7] 杜寧.航電系統中1553B總線監控器的設計[J].科技與企業，2012（4）：304?305.

[8] 王小麗.IEEE 1394接口技術及其應用[J].電子世界，2011（12）：7?9.

[9] 王苗苗，張春熹，史潔琴.IEEE 1394應用于航空電子系統圖像通信的研究[J].微計算機信息，2006（22）：225?227.

[10] 房海濤.總線技術在民用飛機上的應用研究[J].科技傳播，2011（10）：179?180.