基于AFDX的航電激勵系統的研究

詹湘琳，韓紅斌，馬騰達

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

航空電子系統，簡稱航電系統，它的仿真驗證是飛機航電系統開發與設計過程中十分重要的一個環節。通過航電系統的仿真驗證可大大縮短研制周期并降低整個航電系統集成的風險和成本[1]。航電系統需要一些激勵信號，也就是仿真過程中的數據，這就需要設計一個航電激勵系統來為其提供這些激勵信號。而在仿真過程中，激勵系統扮演著一個很重要的角色，它相當于整個仿真系統的心臟，準確地將各仿真組件需要的數據傳輸給它們。

AFDX是波音和空客公司通過已經實現商業用途的以太網技術來建立的下一代航空數據總線，它是基于IEEE802.3以太網通訊技術來實現的，但是采用了虛擬鏈路技術和數據冗余來保證帶寬和服務質量。AFDX擁有100 M/s的帶寬，并且利用光纖進行通信，相比于ARINC429總線，AFDX具有更大的帶寬，并且可以減輕飛機的重量[2]。AFDX更加能適應新型航電系統發展的趨勢，一些新型飛機，如A380、B787已經開始應用AFDX作為其航空電子系統的數據總線[3]。但由于ARINC664協議中有很多地方的敘述都不太明確，所以很多針對AFDX的研究都停留在對協議的分析階段和單個端系統的設計和測試上[4]。而整個航電系統的仿真測試都是基于AFDX的航電仿真系統還比較少。而對于應用AFDX技術的新型飛機來說，這顯然是不夠的，本文通過對ARINC664協議進行分析，在此基礎上對基于AFDX的航電激勵系統進行了研究。

1 AFDX簡介

AFDX全稱為航空電子全雙工交換式以太網，是一種新型的航空數據總線，主要由端系統、交換機組成，并采用了虛擬鏈路技術。其中端系統是航電子系統用于接入網絡的接口設備，通過端系統接口航電子系統可以在AFDX網絡上進行數據的接收和發送。交換機負責在網絡中進行幀過濾、流量管理以及根據目的地址進行數據轉發。虛擬鏈路是AFDX網絡中端系統與端系統之間的一種邏輯上的通信通道，用來建立起由一個源端系統到一個或多個目標端系統之間的一條單向的邏輯通信路徑。其結構如圖1所示，航空電子子系統通過端系統連接到AFDX網絡，并通過虛擬鏈路進行數據交互。

圖1 AFDX中的交換機和端系統Fig.1 Switch and end system of the AFDX

AFDX基于商用以太網標準，采用全雙工交換網絡拓撲結構避免商用以太網傳輸延遲的不確定性，增加冗余提高網絡的可靠性，并且在ARINC664協議的第7部分對AFDX的協議標準進行了詳細的敘述。AFDX擁有100 M的帶寬，由管理者自由分配給每一條虛擬鏈路。AFDX幀的長度為64～1518B，其幀結構如圖2所示，其中以太網幀頭主要包括目的MAC地址、源MAC地址、IP類型，其中目的MAC地址包含虛擬鏈路ID，源MAC地址包含用戶定義ID和接口ID；IP報頭主要包含版本、報頭長度、服務類型、總長度、標識、片偏移、生存周期、傳輸層協議和頭部校驗和等信息，以及源IP地址和目的IP地址；IP數據段主要包括UDP報文頭和UDP數據字段，UDP報文頭包含源端口、目的端口、長度和校驗和，UDP數據字段為負載數據和幀序列號，負載數據不滿17 B時，填充0，負載數據不超過1471 B，幀序列號SN為1～255，幀校驗為CRC校驗。

圖2 AFDX幀數據結構Fig.2 Frame data structure of AFDX

2 基本結構與功能

2.1 功能分析

在航電系統進行仿真和集成驗證時，航電激勵系統需要通過AFDX總線為各個航電組件按照一定的要求提供激勵信號，并對航電組件的響應信號進行接收和處理。在系統仿真過程中，能夠依據需求進行動態仿真和靜態仿真。根據航電系統對激勵參量的需求，航電激勵系統通過AFDX總線為航電組件提供ARINC429、離散量等激勵信號，如VOR、ILS、VHF、HF的調諧頻率，空地信號等參量。

2.2 系統設計原則

航電系統的趨勢是綜合化、模塊化、信息化和智能化，航電系統從最初的開發到投入使用的整個生命周期內，會發生一系列的變化，激勵系統也要做出相應的調整。總結出如下總線激勵系統在設計時應當遵循的主要原則：

（1）靈活性原則。航電系統的仿真驗證過程中，也伴隨著航電系統的更新換代，因此在對航電設備提供激勵信號時，應當考慮到當提供的激勵參量、激勵形式都有可能發生變化時，總線激勵系統能夠靈活的做出適應；

（2）開放性和可擴展性原則。隨著新技術的不斷發展，一些新的設備被不斷制造出來，總線激勵系統應當具備開放性和可擴展性，支持新設備的加入；

（3）通用性原則。不同型號的飛機的航電系統不盡相同，但其航電系統的開發、集成驗證具有相同的設計原則和設計方法，總線激勵系統的設計，應當能夠適應不同型號飛機的具體要求。

2.3 系統結構

該激勵系統采用開放式的工控機機箱，并在此基礎上配置AFDX板卡，并通過該板卡提供的接口函數來實現AFDX數據的接收和發送。如圖3所示為通信導航組件的仿真驗證過程中激勵系統與各通信導航組件的連接圖。該平臺由激勵系統、飛行仿真系統、RDC以及通信導航組件組成，其中RDC為遠程數據集中器，在新型飛機上已經得到應用，其作用為將AFDX總線數據轉換為離散量及ARINC429總線數據或者將離散量及ARINC429總線數據轉換為AFDX總線數據，RDC會提前加載配置文件，依據該文件中的規定的轉發規則將轉換的數據發送到正確的端口。激勵系統通過以太網從飛行仿真系統里接收飛行參數，并將其轉化為激勵信號，通過AFDX發送到RDC，并由其轉化為429信號并轉發到各仿真組件。激勵系統可同時對左右導航通信組件進行激勵，如果再對其他系統、組件或模塊進行驗證的話只需在激勵系統中添加相應的激勵信號即可。

圖3 各系統連接示意Fig.3 Schematic diagram of the system connection

3 AFDX數據的發送和接收模塊設計

本文通過分析ARINC664協議，設計了AFDX的發送接收模塊，激勵系統通過這2個模塊來與各個組件之間進行通信，并且這2個模塊符合ARINC664協議中關于AFDX發送和接收的規定。

3.1 發送模塊設計

發送模塊主要包括流量整型、虛擬鏈路調度和冗余管理3個功能模塊。如圖4所示為發送模塊的結構框圖。

圖4 發送模塊結構Fig.4 Sending module structure diagram

AFDX擁有100 M的帶寬，分配到每條虛擬鏈路主要是以BAG和這2個參數來表示的，其中BAG是帶寬分配間隔，是同一條虛擬鏈路中2個相鄰的幀起始二進制位之間最小的時間間隔，是虛擬鏈路上可傳輸的AFDX幀的最大長度。流量整型的作用主要是將數據的幀間距調整到該組數據發送的虛擬鏈路的BAG值。通過流量整型可以使不同虛擬鏈路傳輸的數據不會發生碰撞。

虛擬鏈路調度是為了保證各種數據傳輸的實時性。飛機上傳輸不同的數據對實時性的要求也不相同，主要有3種類型，第一種是無周期但對實時性要求比較高的數據，如告警等；第二種是周期性的對實時性有一定要求的數據，如各個傳感器信號等；第三種是非周期性的對實時性要求不高的數據，如維護文件等。這樣就要為不同的實時性要求的信號提供相應的調度策略，本文采用基于靜態優先級的輪詢調度算法來實現虛擬鏈路的調度，通過給實時性要求高的虛擬鏈路設計比較高的優先級使得在一個輪詢周期內能夠多次檢查該虛擬鏈路的數據緩沖區，并以此保證達到其對實時性的要求。在輸出模塊中，對于給定的某個虛擬鏈路，數據幀能夠在某個有界的時間間隔中出現。

冗余管理是為了保證其AFDX的可靠性。數據通過2個互為冗余且完全分離的網絡（網絡A和網絡B）到達目標端系統，這樣即使在數據傳輸過程中有一個網絡出了問題，數據還可以通過另外一個冗余網絡來保證正常通信，使得航電系統的正常工作不受影響。

AFDX數據經過以上3個功能模塊，保證了整個傳輸過程中數據的正確性和可靠性。

3.2 接收模塊設計

接收模塊主要包括完整性檢查和冗余管理2個功能模塊。如圖5所示為接收模塊的結構框圖。

接收模塊通過檢查每個幀的SN來檢查數據的完整性。由上文可知，每個AFDX數據都包含有1 B的SN字節，AFDX就通過SN對虛擬鏈路上的每個幀進行順序編號，在進行AFDX接收時通過對SN進行檢查來判斷接收的數據是否完整有效。接收模塊的冗余管理的作用是消除冗余幀。冗余管理模塊一般采用“先到先使用”的策略，即先接收的幀為有效幀，丟棄其冗余幀。通過這2個功能模塊，保證了接收數據的完整性和有效性。

圖5 接收模塊結構Fig.5 Receiving module structure diagram

4 系統軟件結構設計

4.1 軟件流程圖

根據激勵系統的設計思想和要求，激勵系統運行時首先進行軟件和硬件的初始化，然后由用戶確定需要進行的仿真類型，即是從飛行仿真系統讀取環境數據，還是從用戶輸入獲得數據。激勵系統將環境數據進行編碼，通過AFDX總線按照預先配置好的發送方式及通過的虛擬鏈路發送到對應的組件，接收組件的響應信號并進行顯示。系統流程如圖6所示。

圖6 激勵系統的軟件流程Fig.6 Software flow chart of the incentive system

4.2 軟件結構

本文設計的激勵系統的軟件包括激勵控制模塊、響應顯示模塊、綜合顯示模塊和總線監視模塊。

激勵控制模塊主要作用是將環境數據轉化為激勵參量，編碼為AFDX總線數據，并通過激勵系統的發送模塊發送到對應的組件。在激勵系統主控軟件的編寫過程中，充分參考了ARINC664協議及ICD文檔，編寫了AFDX數據總線的編解碼動態鏈接庫，并通過該動態鏈接庫進行AFDX數據的編解碼。靜態仿真主要是為了激勵系統的調試工作，用戶可自由設置AFDX數據中包含的所有信息，通過顯示數據來判斷真實數據是否符合要求；動態仿真是為了測試激勵系統的整體功能，激勵系統從飛行仿真系統獲得環境數據，并將其編碼為AFDX數據，通過預先加載的配置信息，將編碼好的數據按照固定的發送方式和通過的虛擬鏈路發送到對應的航電仿真組件。響應顯示模塊的作用為接收仿真組件對激勵信號的響應，對組件的響應信號進行解碼，并將其詳細的顯示出來。環境參數顯示模塊能夠對環境參數進行顯示。總線監視系統的作用是將激勵系統發送的激勵信號和接收的響應信號進行詳細顯示，包括源設備、目標設備、通過的虛擬鏈路號、源IP地址、目標IP地址、源端口、目標端口及解碼出的數據等。如圖7所示為在C++環境下編寫的激勵系統的主控程序，通過該程序的運行來控制激勵系統的運行狀態。

圖7 激勵系統主控程序界面Fig.7 Main control program interface of the incentive system

5 結語

AFDX作為新一代的航空數據總線，具有帶寬大、可靠性好、安全性高等優點。本文在此基礎上對基于AFDX的航電激勵系統進行了研究，采用模塊化的設計思想，滿足了系統靈活性、可擴展性和通用性的設計要求。通過仿真實驗驗證，該激勵系統能夠很好地為某型飛機的航電系統提供需要的激勵信號，完成了某型飛機航電系統地面測試的要求。

[1]周德新，彭妮娜，馬騰達.航電仿真系統集成驗證平臺設計方法研究[J].自動化與儀表，2015，30（3）：1-5.

[2]許燕婷.AFDX端系統協議棧虛擬鏈路層分析及仿真研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[3]姜麗云.AFDX網絡關鍵技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[4]石鋒.航空電子全雙工交換式以太網編址方案設計[J].電訊技術，2009，49（9）：59-62.