基于均衡線程組的試飛FC總線多科目處理技術

摘 要： 航空總線光纖通道（FC）正逐漸取代傳統的1553B，成為新一代航電系統的構架協議；FC總線具有數據量大等特點，同時試飛工程師需處理的消息數也越來越多，對FC總線多科目數據處理提出了更高的要求；針對飛行試驗多科目總線數據處理的特點，提出了一種基于均衡線程組的試飛航電總線多科目數據處理方法，打破了飛行試驗傳統航電總線多科目處理模式，提高了試飛航電總線多科目處理效率，最后在某試驗機飛行試驗中進行了應用，試驗表明其處理效率是傳統飛行試驗航電總線處理技術的40倍，解決了海量試驗FC航電總線數據多科目處理難題，滿足了現代飛行試驗FC多科目高效處理需求。

關鍵詞： FC總線； 航空總線； 線程組； 多科目； 飛行試驗

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0038?04

Abstract： The fiber channel （FC） of aviation bus has become the architecture protocol of the new generation avionics system， and gradually replaces the traditional 1553B. Since FC bus has the characteristics of large data size， and the test flight engineers need to process more information， a high requirement for FC bus multi?subject data processing is put forward. For the characteristics of the multi?subject bus data processing for flight test， an aviation bus multi?subject data processing method for test flight based on equilibrium thread group is proposed. It breaks the traditional aviation bus multi?subject processing mode for test flight， and improves the aviation bus multi?subject processing efficiency of test flight. This processing technology is applied to the flight test of a certain test aircraft. The test results show that the processing efficiency of the technology is 40 times of that of the traditional flight test avionics bus processing technology. The multi?subject processing problem of the large FC bus data was solved. The technology can satisfy the FC bus multi?subject rapid processing requirement of modern flight test.

Keywords： FC bus； aviation bus； thread group； multi?subject； flight test

0 引 言

在最新的F?35（JSF）飛機上所有的關鍵航電系統采用FC光纖通道總線技術，光纖通道總線[1?3]已經成為國外正在研制的飛機最主要航電總線通信網絡協議。與歐美國家相比，我國現役航空產品中還沒有應用光纖通道總線技術。隨著光纖通道總線技術的逐漸成熟，在我國新一代航空產品將采用光纖網絡。那么在飛行試驗中對FC光纖通道總線數據進行采集和處理就成為新一代飛機試飛的重要內容之一。

隨著光纖網絡取代傳統的1553B總線，在飛行試驗測試采集記錄的航電總線數據量上有了質的激增，同時因為FC總線采用了網絡構建，比傳統總線的測試環境更加復雜，采集的試驗數據結構也就更加復雜，傳統的飛行試驗總線處理技術已不能適應新形勢下的FC總線數據分析。另外，隨著現代飛行試驗技術的發展，綜合性試驗越來越多，單架次的飛行試驗包含了越來越多的試驗科目，傳統的飛行試驗總線數據處理技術在海量航電總線試飛數據多科目高效處理[4?6]上沒有給出解決方案，如何對試驗航電系統FC光纖通道總線數據進行多科目高效處理，以便試飛工程師在最短的時間內獲得試驗結果數據就成為必須解決的實際問題。

1 飛行試驗FC總線數據

光纖通道航空電子環境（FC?AE）在我國航空產品上正逐漸取代傳統的1553B航空總線。

1.1 飛行試驗FC總線數據采集

飛行試驗總線測試系統具有直接記錄FC航電總線數據[7?8]的能力。按照型號飛機測試的需要，機載光纖通道數據采集記錄器能同時采集記錄多路光纖通道數據，對接收到的FC數據幀進行完整性檢測，并根據事先設定的過濾條件對接收到的FC數據幀進行篩選過濾，符合要求的FC數據幀將被逐幀附加上幀到達時刻的時間標記，處理后的數據經打包后存儲在采集記錄器的固態存儲模塊中，待飛行試驗結束后再由地面卸載設備還原進行事后數據處理。

1.2 測試系統光纖通道數據采集記錄格式

測試系統機載光纖通道數據采集記錄器記錄的FC航電總線數據是符合FC協議標準的完整的FC幀數據，且只記錄FC幀數據，經過地面卸載設備還原后，其格式如圖1所示。

2 飛行試驗FC總線多科目數據處理

飛行試驗總線數據的高效分析一直是困擾總線處理的難題，總線多科目統一處理的需求一直存在，隨著FC總線應用于飛行試驗，測試的FC總線數據量、試驗的科目呈數倍增長與多科目總線數據處理效率這一矛盾越來越突出。

2.1 FC總線多科目數據處理

多科目統一處理一直是飛行試驗總線數據處理的重要內容，隨著綜合飛行試驗能力的不斷提升，每架次飛行試驗進行的科目也越來越多。多科目總線數據統一處理信息如圖2所示。

FC總線多科目統一處理除具有一般總線多科目處理特點之外，與傳統的總線多科目處理相比較還具有以下特點：

（1） 每個處理科目就是一個總線消息，有惟一的標識符，在FC總線中，使用Message ID作為消息標識，Message ID在標準的FC數據幀中；

（2） FC總線多科目統一處理的參數越來越多，相對于傳統的1553B航空總線，每條消息的FC總線具有數十倍的負載信息，即需要分析的參數量激增。1553B航空總線數據字長度為16位，每條信息或幀中的數據最多字數為32，而光纖FC航空總線數據字長度為32位，每條FC幀中的數據最多字數可達528；

（3） FC總線多科目統一處理的科目越來越多，隨著綜合飛行試驗能力的不斷提升，現代飛行試驗的綜合性試驗越來越多，在某型號中需處理多達53個科目；

（4） 在傳統的1553B航空總線協議架構下，每飛行試驗架次最多采集記錄的數據量為2 GB左右，而在采用了更加先進更加復雜的FC航空總線協議架構之后，每飛行試驗架次最多采集記錄的數據量是傳統的數十倍。

2.2 傳統的總線多科目處理模式

傳統的多科目處理模式如圖3所示。

在此模式下，如需處理個科目，需打開遍歷原始總線數據文件次進行處理，在以前的飛行試驗數據單架次總線數據量不大的情況下，傳統的多科目總線數據處理模式可以滿足試飛總線數據處理的需求。

隨著FC應用于新一代飛機航電系統，不僅僅飛行試驗記錄的單架次總線數據量激增，同時，航空總線FC數據多科目處理，需分析的信息也隨之激增。雖然在總線處理方法研究上取得了進步，但單次總線處理還需10 min左右，如果按照傳統總線多科目處理模式進行數據處理，必然致使總線數據處理效率低下，按目前單架次多科目高達53個計算，一個完整的試驗總線數據處理將耗時近10 h。

2.3 FC總線數據多科目處理新思路

分析傳統的總線多科目處理模式，耗時較多的在于每處理一個科目就需遍歷一次海量原始試驗總線數據，如果僅遍歷一次原始試驗總線數據，采用多線程并行處理，這樣可避免多次遍歷原始數據文件，節約處理時間，提高處理效率，如圖4所示。

結合總線數據處理的特點，采用多線程并行處理技術是最優方案，如果單架次飛行試驗FC總線需處理的消息數目為53個，那么處理軟件系統需要產生53個線程，一般的機器達不到這種要求。針對FC總線數據處理，結合計算單元的計算資源，設計計算均衡算法，合理并最大化使用計算資源，設計基于計算資源均衡算法的線程組解決這一難題。

3 飛行試驗FC總線多科目數據處理關鍵技術

3.1 FC總線數據幀分析技術

結合測試系統光纖通道數據采集記錄格式，對需要處理的總線多科目所有的消息進行歸納分析，實現FC總線數據幀分析，算法如下：

（1） 按照FC幀結構協議，對FC數據幀進行解包分析，獲取總線消息中的具體數據字，結合FC幀結構中的CRC，EOF對FC幀進行完整性及有效性判定，將錯誤幀、無效幀剔除；

（2） 以MSG_HEAD中的源功能節點ID、目的功能節點ID、應用消息ID進行消息過濾，該方式作為惟一識別特定消息的判斷依據。將當前分析的這些標識信息和需處理的多科目總線消息進行比對，判定當前消息是否為需處理的消息；

（3） 結合ICD校線管理數據庫，在獲取特定所需處理的消息的條件下，依據具體數據字在消息中的偏移量地址獲取相應數據，即取得需要處理的FC總線參數值；

（4） 按ICD中的定義，將該參數值加上校線，轉換成工程量，輸出到結果文件中；

（5） 以上格式編碼方式為十六進制編碼，32位數據位有效；所有消息傳輸順序是高位在前。

3.2 計算單元資源均衡算法

根據計算單元的CPU處理速率和CPU個數的乘積、內存大小、磁盤讀寫速率提出并設計了計算資源均衡算法，合理并最大化使用計算資源：

式中：CPi：CPU的處理速率與CPU個數乘積比例值；MPi：內存容量比例值；DPi：磁盤讀寫速率比例值；UCi：在啟動計算時刻計算單元CPU的整體利用率；UMi：在啟動計算時刻計算單元內存的使用率；UDi：在啟動計算時刻計算單元磁盤平均讀寫速率的使用率。

按照以上算法，得到計算單元的綜合性能。

3.3 均衡線程組算法

針對現代試驗單架次綜合試驗能力不斷提升，多科目飛行試驗集成度越來越高，單次試驗需處理的科目數越來越多，根據式（1）中計算單元的綜合性能，計算多科目處理任務的線程負載：

式中：GPi：為式（1）中的計算單元的綜合性能；PAi：處理參數總數和參數總數比例值；TIMEi：處理時間段總數和100比例值；CLi：處理參數組數和總消息數比例值；CTHi：線程組的最大線程數。

依據具體的計算單元的綜合性能，按照以上均衡線程組負載算法，得到每多科目處理任務的線程數。

3.4 FC總線數據多科目處理

根據以上算法，FC總線數據多科目處理流程如下：

（1） 分析用戶需進行總線數據處理的一個或者多個科目信息，并將該信息從數據庫中讀取到內存中，方便在分析時快速調用；

（2） 按不同處理科目創建不同的結果文件組；

（3） 按3.2節、3.3節計算得到該多科目處理任務的線程數，并啟動相應的處理線程數；

（4） 多線程同步[9]處理開始；

（5） 打開總線數據文件，按3.1節FC總線數據幀分析技術進行幀分析；

（6） 獲得一個需處理的完整的FC幀，將該長幀讀取到內存中，結合科目信息、內存中的科目參數信息，將處理完成的結果數據寫入到相應的結果文件中；

（7） 重復進行FC幀分析，直至原始FC數據文件結束，完成數據處理。

4 試驗結果與性能測試

在某試驗機上，在飛機的航電系統總線構架技術上采用了FC航電總線技術取代傳統的1553B總線技術，試驗機各任務航電子系統通過FC通信交換機進行任務消息傳遞及通信，以FC的標準構建試驗機的機上航電系統，實現試驗機的航電任務信息的交互。使用C++語言開發了FC航電總線多科目處理軟件[10]，應用該軟件對飛行試驗測試采集記錄的FC航電總線數據進行多科目統一處理，其中該試驗機的GPS高度計算結果如圖5所示。

FC總線多科目處理結果表明，采用均衡線程組算法的FC總線多科目處理算法正確，數據結果處理準確。

對該試驗FC總線數據提取25組科目進行處理，共計3 210個參數，試驗FC總線原始數據32 GB，處理共耗時29 min。在相同的飛行試驗數據量下，傳統的飛行試驗總線處理技術處理最少需20 h，相對于傳統的處理模式效率提高40余倍，滿足飛行試驗對FC總線多科目數據處理的需求?；诒疚乃惴ㄩ_發的飛行試驗多科目FC總線數據處理軟件已在飛行試驗中推廣使用。

5 結 語

本文介紹了在現代飛行試驗中海量FC總線數據多科目處理面臨的難題，分析了傳統總線多科目處理模式、總線多科目處理信息、FC總線數據結構特點，提出了一種均衡線程組的FC總線多科目處理新思路，并設計實現，解決了現代飛行試驗FC總線多科目快速處理的難題。經某試驗機試飛實際驗證，該算法的FC總線多科目數據處理效率相比于傳統的多科目處理模式提高了40余倍，為現代飛行試驗提供了技術保障，在飛行試驗總線數據處理方面有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] American National Standards Institute. Fibre channel： avionics environment [R]. New York： American National Standards Institute， 2002.

[2] American National Standards Institute. Fibre sling [R]. New York： American National Standards Institute， 2003.

[3] INCITS. Fibre channel?avionics environment?anonymous subscriber messaging （ASM）/ammendment 1： INCITST11/08?013v1 [R]. US： INCITS， 2008.

[4] 董大偉，周宇江，郭楹.軍用總線發展趨勢研究[J].電子技術應用，2015（7）：7?10.

[5] 唐寧，常青.航空數據總線技術分析研究[J].現代電子技術，2014，37（4）：64?69.

[6] 馬萌.航空專用數據總線技術研究[J].數字技術與應用，2013（10）：61?63.

[7] 鄭小兵，翟正軍.FC?AE?ASM協議網絡層測試方法研究[J].計算機測量與控制，2012，20（2）：324?327.

[8] 郭玉玉，翟正軍.基于FC?AE?ASM的圖像采集系統的設計實現[J].測控技術，2014，33（5）：43?46.

[9] 彭國金，劉嫚婷.非結構化海量網絡數據處理技術研究[J].現代電子技術，2011，34（14）：121?123.

[10] 許應康，彭國金，劉威.飛行試驗數據自檢測系統軟件設計[J].現代電子技術，2015，38（6）：31?35.