一種反射內存網多系統實時數據傳輸協議

喬社娟，高振江，劉雨棣，王 琪（.西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安　70077；.西安航空學院 能源與建筑學院，陜西 西安　70077；.陜西四海測控技術有限公司 技術研發部，陜西 西安　70075）

一種反射內存網多系統實時數據傳輸協議

喬社娟1，高振江2，劉雨棣1，王 琪3
（1.西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安710077；2.西安航空學院 能源與建筑學院，陜西 西安710077；3.陜西四海測控技術有限公司 技術研發部，陜西 西安710075）

為了解決"鐵鳥"試驗臺飛機仿真試驗中多系統間的數據共享問題，使數據在傳輸過程中具有更強的實時性、高效性和異常診斷性，提出了一種反射內存網實時數據傳輸協議，搭建了基于反射內存網的網絡結構，描述了反射內存卡中斷方式傳輸數據的缺陷，介紹了多系統內存分布和數據傳輸協議。理論分析和試驗結果均表明，本協議能夠滿足"鐵鳥"試驗臺飛機仿真試驗中多系統間實時數據傳輸需求，同時能夠快速診斷各系統異常情況，提高了在仿真試驗中飛機飛行的真實性和逼真度。

反射內存網；飛機仿真試驗；多系統；傳輸協議

“鐵鳥”試驗臺與真實飛機按1:1比例設計，使飛控、液壓、起落架等系統的機械安裝接口和安裝方向與真實飛機一樣，保證各種試驗的有效性和真實性。飛機仿真試驗系統是模擬飛機的飛行狀態、飛行環境和飛行條件，給飛行員提供相似的操縱負荷、視覺、聽覺和運動感覺的一種模擬系統［1-3］，是飛機研究領域的一個重要分支。仿真數據源主要來自舵面角度、油門數據、液位等數據采集系統，仿真數據目標主要用于模擬飛機高度、慣導、航姿等決定飛機控制性能的加載、操縱系統，仿真數據源和目標的實時性和準確度決定了飛機飛行的真實度和逼真度。

以往仿真系統與其它系統數據交互采用單機直聯或網絡通訊模式，單機直聯模式具有以下缺點：1）限定了多系統擺放位置，需要將數據交互系統盡可能的集中；2）直聯線纜傳輸會損耗數據值；3）增加了各個系統硬件設計的復雜性和接口的繁多性。目前，高速網絡技術已在航空領域普遍應用，避免了單機直聯的缺點，高速網絡技術主要有光線通道傳輸、千兆以太網傳輸和反射內存網等，反射內存網通過反射內存卡和光纖構成的實時通訊網絡具有穩定的傳輸性、確定的低傳輸延遲、節點多、移植性強、支持硬件中斷等特點［4-6］，成為高速數據傳輸的關鍵技術之一，尤其在仿真技術網絡方面，但是，反射內存卡目前最多只支持3個中斷，對于需要包含較多的其它系統與之間進行高速數據交互的飛機仿真系統僅靠中斷解決不了問題，而且反射內存網目前的異步和周期通訊協議存在不通用性等缺點［7-9］。

文中利用GE PCI-5565反射內存卡和多模光纖設計一種可實現多系統實時高速數據傳輸協議，同時能夠實時判斷出各個系統通訊異常情況，提高了飛機飛行品質和操縱系統的評估性能。

1　網絡結構與需求分析

1.1網絡結構

多系統實時數據傳輸網絡基本采用分布式網絡［10-12］，飛機仿真試驗系統主要與液壓系統、溫度系統、加載系統、操縱系統等試驗系統進行數據傳輸交互，考慮到各系統本身的獨立性，以及各系統之間的關聯性，飛機仿真試驗系統與各系統分別擺放在不同的位置，相隔幾百米，而且所有的系統數據需要試后進行統一管理和相關性分析，因此需要大型數據庫系統和管理系統，所有系統之間主要通過反射內存卡和多模光纖組成網絡與其它系統通訊，網絡結構示意圖如圖1所示。

圖1　反射內存網飛機仿真試驗多系統實時網絡結構

1.2需求分析

由于各節點之間通過反射內存卡分配的內存空間和光纖交互數據，對數據傳輸協議提出幾點性能要求：

1）傳輸實時性：飛機仿真試驗系統決定了飛機飛行的真實性和逼真度，提高飛行品質，高速數據采集系統之間的數據交互延遲不低于10 ms，低速數據采集系統之間的數據交互不低于1 s，例如仿真系統與加載系統之間的數據傳輸延遲不得低于10 ms，仿真系統與溫度系統之間的數據傳輸延遲1 s完全能夠反映出溫度的實時變化。

2）各系統差異處理：各系統的信號變化具有緩急之分，如加載系統和溫度系統在實時性上差異1 000倍，而且數據量差異也較大，因此，針對不同的系統需要不同的傳輸方式和內存空間大小，如果按照一致的傳輸方式將會導致無法保證飛行品質或者浪費效率資源。

3）糾錯能力強：各系統數據傳輸過程中提高傳輸的可靠性，保證數據的準確性，必須采用一定的校驗方法。

4）異常診斷：各系統之間相互獨立，僅有關聯數據進行傳輸，若某個系統出現了異常情況，而仿真試驗系統沒有及時獲取到仍然采用原有數據進行仿真控制，將會導致飛機的安全性，因此，必須及時診斷出各系統的運轉情況，通過判斷采取不同的應急措施。

2　實時數據傳輸協議設計

數據傳輸協議通常都是接收雙方對一包數據的包頭、包尾、信息體格式、速率與糾錯方法的一種規定［13］。每種協議在制定前首先需要了解所選用的網絡原理

2.1反射內存網原理

反射內存網是一種專用的高速實時網絡，主要由反射內存卡和光纖連接組成，網絡中的每個節點需要插入一塊內存卡，支持PCI、PMC等多種總線接口，每個節點中的內存區域中的數據在整個網絡中處于共享狀態。反射內存卡是無需軟件參與僅靠硬件操作的一種傳輸方式，節點之間數據傳輸亦不需要CPU參與，在幾百ns級的確定時間周期內能夠完成數據傳輸，可以滿足高速實時系統快速性要求；同時不需要考慮網絡的通訊協議，軟件讀、寫操作簡單靈活，適合不同反應周期的要求［14-15］。文中采用GE PCI-5565反射內存卡、ACC-5595反射內存交換機和MMF（1 300 nm）設計一種多系統多通訊方式的高速實時數據傳輸協議。

2.2反射內存網中斷缺點

反射內存卡支持中斷方式通知各個節點接收數據，通長支持3個中斷，而且用戶可以定義中斷的優先級與具體功能。但是，反射內存卡的中斷不適合多系統高速數據傳輸，首先，中斷個數有限不能完成3個以上系統的實時中斷數據傳輸方式，其次，中斷請求后得到中斷應答方可進行本次數據的接收，最后，利用中斷方式需要占用CPU使用率。基于中斷缺點，在多系統實時數據傳輸中主要根據整個網絡系統的不同特性要求需要設計不同的數據傳輸協議。

2.3反射內存分布

根據反射內存網的特點：1）反射內存網中每個節點的節點號必須唯一，節點號順序不重要，只需通過NODEID讀取即可；2）同一內存區域不能被多個系統同時進行寫操作，可同時進行讀操作，如同時寫操作必須進行加鎖機制將會導致增加開銷。因此，數據傳輸協議需要給每個系統單獨開辟一塊內存區域，單個系統開辟的指定的內存區域仍需進行詳細劃分便于管理。

針對飛機仿真試驗系統，整個網絡中的系統有12個節點，由于各個系統承載的數據量不同，例如液壓節點承載的數據量遠比溫度節點承載的數據量大，數據庫節點只從各個系統內存中讀取數據，即只需劃分命令字段無需數據字段，所以將網絡中每個系統上的反射內存卡的內存分為大小不同的13塊，飛機仿真試驗多系統反射內存分布如圖2所示。

為了后續維護方便和二次開發，每塊內存區域都具有預留空間，并且針對實際情況，整個內存卡也保留預留，在整個內存房內仍可增加節點系統。

2.4協議結構

為實現多系統之間統一管理、資源節省和實時高速傳輸，協議結構要求：1）將每個節點劃分為5個子區域：命令字段、試驗配置段、通道配置段、數據段和預留段；2）數據庫節點只讀不寫，數據庫節點只有命令字段；3）不同系統需要數據交互的信息不同，數據段分配內存大小不同。單節點協議結構如圖3所示，起始地址是相對每個分系統地址的絕對地址。

圖2　飛機仿真試驗多系統反射內存分布

圖3　單節點協議結構

命令字段的大小和格式各節點完全相同，主要是管理系統對各分系統發送的執行信息和各子系統反饋給管理系統的信息。命令字段主要由信息頭、信息體和校驗位，校驗方式采用和校驗，即：前15個字節和的低八位。命令字段協議結構如圖4所示。

圖4　命令字段協議結構

試驗配置段和通道配置段主要包含每次試驗各個系統試驗通道、采樣率、刷新頻率、物理量轉換關系、信號類型等信息。只要配置信息發生更改實時自動更新反射內存對應區域中的信息。

數據段主要是各分系統當前試驗的數據，包含仿真試驗系統數據源和數據目標，包含數據段字節大小、系統代碼、通道數、傳輸次數、數據和預留，字節大小包含自身大小。為了減少內存開銷，所有分系統的數據以int型存放。數據段協議結構如圖5所示。

圖5　數據段協議結構

命令字段傳輸次數開始都初始化為0，是每個節點連接網絡后周期性向自身系統節點區域的命令字段寫入命令字，系統連接網絡時間不同命令字段的傳輸次數不能作為同步所用，僅作為系統狀態的進一步判斷，命令字段的傳輸次數變化時系統狀態命令字才有效，如果傳輸次數在一定時間內不發生變化，即使命令字段的系統狀態是正常，此時系統已經發生了通訊或者系統本身異常情況，系統狀態的正常僅表示命令字段最后一次更新的內容。

數據段傳輸次數開始初始化為0，是每個節點開始真正試驗傳輸試驗數據時周期性向自身系統節點區域的數據段寫入數據信息，通過硬件同步觸發各個系統同步試驗，所以傳輸最開始值一樣，第一次都為0，但是各個系統有緩急之分，寫入數據的頻率不同，所以后續傳輸次數不相同，但是傳輸次數對于單個系統是一個變化量，亦可作為判斷試驗狀態的依據。

命令字段和數據段的讀/寫操作在兩個線程中完成，命令字段內存操作周期長，試驗數據內存操作周期短，當命令字段和數據段傳輸次數都不發生變化時，命令字段的傳輸次數優先級高，認為單個系統異常；如果命令字段系統狀態正常傳輸次數變化征程，當數據段傳輸次數不發生變化時只作為單個系統的試驗過程異常，比如：液壓系統采集任務發生異常，管理系統根據分系統異常情況決定是否需要將所有系統停止試驗。

2.5協議實現

根據上述飛機仿真試驗系統的協議結構和現場布局的要求，分為13個節點，需要具有8口的反射內存卡交換機兩個，仿真、液壓、加載、操作等高速數據系統數據傳輸間隔設定為10 ms，數據傳輸的讀/寫操作單獨分配一個線程，溫度系統傳輸數據最少，實際占用512字節，液壓系統傳輸數據最多，實際占用2.56 M字節，每張內存卡至少需要128 M反射內存卡，各個系統啟動后，清空反射內存卡中各自內存區域中的內容，初始化協議和各種變量，由于各個系統緩急不同，而且命令字段和數據段的傳輸頻率不同，因此各系統將命令字段和數據段的傳輸單獨處理，不同系統數據段的傳輸周期單獨處理。采用測控系統中圖形化編程環境LabWinows CVI 2012，使用線程池的多線程技術，選用GE PCI-5565內存卡，主要API定義如下：

1）STDRFM2GCALLRFM2gOpen（char *DevicePath，RFM2GHANDLE*rh），啟動內存卡，返回內存卡連接句柄rh，后續所有對內存卡的操作都以rh作為唯一身份識別；

2）STDRFM2GCALL RFM2gClose（RFM2GHANDLE*rh），退出內存卡，試驗結束，退出內存卡；

3）STDRFM2GCALL RFM2gNodeID（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_NODE*NodeIdPtr），獲取內存卡 NODEID，利用NODEID在網絡中的唯一性作為各系統的系統代碼；

4）STDRFM2GCALL RFM2gRead（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32Offset，void*Buffer，RFM2G_UINT32 Length）；讀操作，根據輸入的內存卡句柄rh、內存卡的決定地址偏移量Offset和讀取長度Length返回對應地址區域內的信息Buffer。根據實際情況和各字段內的結構分解命令或數據；

5）STDRFM2GCALL RFM2gWrite（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void*Buffer，RFM2G_UINT32 Length），寫操作，將Buffer中的內容寫入到指定句柄rh、指定偏移量和指定長度的內存區域中。

3　測試與分析

3.1測試環境

通過光纖MMF（1 300 nm）將各個系統的反射內存卡PCI-5565連接在高速互聯交換機ACC-5595-208，交換機與系統之間最遠距離是200 m，最近距離是2 m，啟動12個節點，各節點設置為自身試驗飽滿狀態，各個系統命令傳輸次數為1 次/秒，其它參數配置如表1所示。

表1　各節點參數配置

3.2測試結果及分析

首先，啟動12個節點系統，自動連接網絡，各系統按照周期為1 s的速度發送命令字段，主要是呈現各節點的系統改狀態，管理系統獲取各節點系統狀態，待所有系統狀態連接正常并且處于空閑狀態。

其次，除管理和數據庫節點各系統配置參與試驗的通道，設置試驗配置參數，并且將試驗配置和通道配置實時更新在內存區域中，同時更新系統狀態為軟件配置參數已與硬件狀態一致。

再次，管理節點確認所有參與系統的配置完成后，下發同步啟動命令，采集系統接收到命令后完成硬件采集配置，接收到硬件同步觸發信號后開始采集，仿真系統時刻獲取采集系統數據經過一定算法計算出加載、操縱等控制系統的數值，時刻寫入到內存區域中。

最后，管理系統周期性獲取命令字段和數據段信息，考察系統狀態和傳輸次數決定是否系統出現異常或者試驗系統出現異常，根據異常情況采取終止試驗等措施。

反射內存多系統實時數據傳輸協議主要考察多系統不同輸出速率和傳輸數據大小的實時性和異常診斷性。經過反復多次試驗，本協議嫩能夠滿足飛機仿真多系統試驗要求，具體數據如表2所示。異常診斷根據實際要求，表2中是按照數據傳輸次數3次未發生變化時得出的異常診斷時延

表2　反射內存多系統數據傳輸協議性能

4　結束語

文中設計了一種基于反射內存網的多系統數據傳輸協議，介紹了針對飛機仿真試驗中，不同緩急系統、不同傳輸實時性的12個系統節點的數據共享協議結構，協議具有通用性、實時性和異常診斷性。該協議已在某大型“鐵鳥”試驗臺飛機仿真試驗系統中得以應用，試驗結果表明本數據傳輸協議能夠實時解決飛機仿真試驗中12個系統數據傳輸問題，同時能夠快速發現各系統異常情況，避免了反射內存網中斷的限制和CPU占用率高的問題，提高了飛機飛行的真實性和逼真度，為進一步研究大型飛機提供一定基礎。

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A kind of real-time data transmission protocol based on reflective memory network in multi-system

QIAO She-juan1，GAO Zhen-jiang2，LIU Yu-di1，WANG Qi3
（1.School of Electronic Engineering，Xi'an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；2.School of Energy＆amp;Architecture，Xi'an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；3.Shaanxi Sunhigh Measurement and Control Technology co.ltd，Xi’an 710075，China）

In order to solve the problem of the data sharing in aircraft simulation test system of"iron bird"test-bed，more real-time，efficient and abnormity diagnosis in the transmission process.A kind of real-time data transmission protocol based on reflective memory network is proposed，the network structure is built，and the defects of interrupt mode in reflective memory card itself are described，memory allocation and data transmission protocol are introduced.Theoretical analysis and test results show that this protocol can meet the real-time requirements of data transmission between multi-systems of"iron bird"test-bed，and can quickly diagnose the abnormal situation of the system.The authenticity and fidelity of the aircraft flying in the simulation test were improved.

reflective memory network；aircraft simulation test；multi-system；data transmission protocol

TN919

A

1674－6236（2016）11-0137-04

2016-02-16稿件編號：201602050

國家自然科學基金資助項目（61302066）

喬社娟（1982—），女，陜西渭南人，碩士，工程師。研究方向：自動化與測控技術。