某型總線監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 聰，周 龍，徐歷春，王利祥

(航空工業(yè)洪都，江西南昌330024)

0 引言

隨著三代機(jī)及更先進(jìn)飛機(jī)的相繼投入使用，航空總線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用航空總線技術(shù)能大大提高飛機(jī)數(shù)據(jù)通訊的通訊量和傳輸精度、抗干擾性等。

在飛機(jī)的研制和使用過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)航空總線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以便進(jìn)行故障診斷；總線信號(hào)監(jiān)控儀就是為了完成對(duì)航空總線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控而研制的。

現(xiàn)有的總線信號(hào)監(jiān)控儀多基于機(jī)型的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行定制，一般能服務(wù)于設(shè)計(jì)時(shí)定制的機(jī)型，但很難做到通用化，每次進(jìn)行新的型號(hào)研制工作時(shí)，又要重新研制總線信號(hào)監(jiān)控儀。為此，本文提出了基于數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬硬件層的通用型總線信號(hào)監(jiān)控儀，該設(shè)備能實(shí)現(xiàn)跨機(jī)型、跨硬件平臺(tái)使用，減少后續(xù)研發(fā)與維護(hù)的重復(fù)工作，降低項(xiàng)目的研發(fā)與維護(hù)成本。

1 概述

本文所述的總線信號(hào)監(jiān)控儀的主要功能是采集、監(jiān)控、分析、記錄和仿真國(guó)內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)289A、HB6096、RS422總線數(shù)據(jù)，為了使監(jiān)控儀具有通用性與易操作性，主要采用的技術(shù)如下：

1)基于虛擬硬件層技術(shù)，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的硬件平臺(tái)；

2)建立基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的ICD管理系統(tǒng)；

3)對(duì)監(jiān)控到的總線數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)解析；

4)能夠以曲線圖形表現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化。

2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 系統(tǒng)組成

總線監(jiān)控儀主要由便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、ICD數(shù)據(jù)管理軟件、航電數(shù)據(jù)監(jiān)控分析軟件組成，其中，航電數(shù)據(jù)監(jiān)控分析軟件主要包括總線數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)回放軟件和數(shù)據(jù)仿真軟件。

2.1.1 便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為總線監(jiān)控儀的運(yùn)行提供硬件平臺(tái)，除了便攜式計(jì)算機(jī)外，還包括接口卡和電纜接插件，這些硬件設(shè)備共同完成GJB289A、HB6096、RS422總線數(shù)據(jù)的采集與輸出工作，便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.1.2 虛擬硬件層

總線信號(hào)監(jiān)控儀作為數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷的重要設(shè)備，使用場(chǎng)景已經(jīng)不再局限于試驗(yàn)室，而是擴(kuò)充到總裝車間、試飛現(xiàn)場(chǎng)及外場(chǎng)，這些使用場(chǎng)景不像試驗(yàn)室，具有溫度和濕度控制設(shè)備，對(duì)設(shè)備的使用環(huán)境也存在不同的要求，因此對(duì)設(shè)備板卡硬件也有不同的選擇；作為一款通用型總線監(jiān)控儀，該系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)不同硬件板卡，實(shí)現(xiàn)跨硬件平臺(tái)的使用。為此，在真實(shí)的硬件層和總線監(jiān)控軟件之間構(gòu)建了虛擬硬件層，通過(guò)虛擬硬件層驅(qū)動(dòng)真實(shí)板卡服務(wù)于軟件應(yīng)用層，如圖2所示。

虛擬硬件層將不同廠家的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行封裝，提供統(tǒng)一的接口供軟件應(yīng)用層調(diào)用，當(dāng)總線監(jiān)控軟件需要適配不同板卡時(shí)，用戶接觸到的軟件應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何更改，只需將虛擬硬件層與新的硬件板卡進(jìn)行適配。虛擬硬件層將底層硬件和上層應(yīng)用軟件有效的隔離，從而保證了應(yīng)用軟件的一致性、延續(xù)性和可移植性，大大減少了工作量和工作周期。

2.1.3 航電數(shù)據(jù)監(jiān)控分析軟件組成

航電數(shù)據(jù)監(jiān)控分析軟件又由總線數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)回放軟件和數(shù)據(jù)仿真軟件組成，其組成如圖3所示。

2.2 ICD(接口控制定義文件)數(shù)據(jù)管理軟件

飛機(jī)各個(gè)設(shè)備之間大量采用國(guó)內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)289、HB6096、RS422數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通訊，不同型號(hào)飛機(jī)之間每種總線的接口控制定義又不完全相同，而且在實(shí)際的型號(hào)研發(fā)過(guò)程中，會(huì)不斷對(duì)接口控制協(xié)議進(jìn)行更改，產(chǎn)生不同版本的ICD，因此有數(shù)量龐大的ICD文件需要管理。傳統(tǒng)ICD信息一般通過(guò)眾多的紙質(zhì)文件展現(xiàn)的，而且只能人工解讀，既不方便文件的管理，也不利于后續(xù)科研生產(chǎn)活動(dòng)中ICD文件的查找和解讀，增加了工作難度，降低了工作效率。

本文介紹的通用總線信號(hào)監(jiān)控儀建立了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理存在于本地的ICD文件信息，并利用ICD數(shù)據(jù)管理軟件提供的人機(jī)交互接口方便使用人員創(chuàng)建、導(dǎo)入、導(dǎo)出和瀏覽ICD文件，方便了使用人員對(duì)ICD文件的管理與使用，如圖4所示。

2.2.1 存儲(chǔ)ICD信息數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

雖然不同型號(hào)飛機(jī)的ICD信息并不完全相同，但是很多型號(hào)之間部分ICD文件是可以通用的；在相同機(jī)型不同版本的ICD文件之間，雖然部分ICD文件存在改變，但是大量的ICD文件依然相同，通過(guò)建立多張索引表能夠很好的重復(fù)利用存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的ICD文件，這樣既實(shí)現(xiàn)了所有機(jī)型不同版本ICD文件管理的數(shù)字化，同時(shí)還能最大限度的重復(fù)利用已有資源，如圖5所示。

用戶在使用本文所述的總線信號(hào)監(jiān)控儀時(shí)，首先要錄入相應(yīng)的ICD信息文件，該文件錄入過(guò)程，便是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)操作過(guò)程。用戶在錄入ICD信息文件前需要通過(guò)管理軟件的人機(jī)交互界面輸入 (新增)或者選擇(已有)飛機(jī)型號(hào)、ICD名稱和版本，軟件后臺(tái)會(huì)根據(jù)這些信息建立機(jī)型索引、ICD名稱及版本索引。機(jī)型索引為頂層索引，它反饋的是用戶輸入或者選擇飛機(jī)型號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的飛行型號(hào)的關(guān)系，每種機(jī)型占用機(jī)型索引表中的一個(gè)記錄項(xiàng)；ICD名稱及版本索引是二級(jí)索引，該索引反饋的是數(shù)據(jù)庫(kù)中某機(jī)型下已有ICD文件名稱和版本信息，同種機(jī)型不同ICD名稱，相同的ICD名稱不同的版本都占用二級(jí)索引表的一個(gè)記錄項(xiàng)；ICD文件索引為三級(jí)索引，該索引反饋了某版本的ICD的具體接口控制信息。

用戶通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件的人機(jī)交互界面選擇機(jī)型、ICD文件名稱和ICD版本，ICD數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)相關(guān)索引可以方便、快捷的找到所需文件。由于該數(shù)據(jù)庫(kù)存在于總線數(shù)據(jù)監(jiān)控儀中，這也為后文所述總線監(jiān)控儀自動(dòng)解析監(jiān)控到的總線數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2 WORD格式ICD文件導(dǎo)入及導(dǎo)出

現(xiàn)有的ICD信息文件大多數(shù)為人工編輯，多采用WORD格式，而且各個(gè)單位的WORD文件有很大的差異性。如果通過(guò)手工錄入的方式將這些ICD信息錄入到ICD數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件中，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。因此在項(xiàng)目研制過(guò)程中設(shè)計(jì)了一個(gè)WORD格式導(dǎo)入工具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)WORD格式ICD文件的導(dǎo)入，其識(shí)別率可達(dá)90%以上，大大節(jié)約了人力成本和時(shí)間成本。

ICD數(shù)據(jù)管理軟件還可將數(shù)據(jù)庫(kù)中指定飛機(jī)版本的定義信息以WORD文件格式導(dǎo)出，方便對(duì)已修改的ICD信息進(jìn)行打印、備份和留存。導(dǎo)出的WORD文件格式進(jìn)行了統(tǒng)一化處理，可為以后對(duì)WORD格式的ICD文件統(tǒng)一化奠定基礎(chǔ)；此外，由于很多ICD不同版本之間的差異不是太大，因此可以將舊版本ICD信息導(dǎo)出,按照新的控制文件要求更改導(dǎo)出的文件，將更改后的文件重新導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)便實(shí)現(xiàn)了新版本ICD信息的錄入。

2.3 總線數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件（圖6）

現(xiàn)有的總線信號(hào)監(jiān)控儀多采用以下兩種方式：

1）使用貨架產(chǎn)品進(jìn)行總線信號(hào)原碼監(jiān)控，這種方式通常是將采集到的總線信號(hào)以十六進(jìn)制的形式數(shù)據(jù)展示，這種方式雖然能夠最貼近的反映總線上傳輸?shù)男盘?hào)信息，但是監(jiān)控儀使用人員需要結(jié)合接口控制文件對(duì)監(jiān)控到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工解讀，工作量大，效率低，并且對(duì)監(jiān)控儀使用人員的技術(shù)要求較高。

2）基于飛機(jī)的技術(shù)狀態(tài)定制總線信號(hào)監(jiān)控儀，這種方式研制的設(shè)備一般能服務(wù)于設(shè)計(jì)時(shí)選定的機(jī)型，但是很難兼顧其他機(jī)型，無(wú)法在不同機(jī)型間通用。進(jìn)行新的型號(hào)研制工作時(shí)，需要重新研制相應(yīng)的總線信號(hào)監(jiān)控儀，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的更新?lián)Q代，總線信號(hào)監(jiān)控儀的作用越來(lái)越重要，使用場(chǎng)景由具有較好使用環(huán)境的試驗(yàn)室擴(kuò)充到總裝車間、試飛現(xiàn)場(chǎng)及外場(chǎng)，使用者也將逐漸由專業(yè)的技術(shù)人員擴(kuò)充到試驗(yàn)人員、外場(chǎng)技術(shù)人員，因此，有必要研制一型使用技術(shù)要求低、能適應(yīng)各種使用環(huán)境的通用型總線信號(hào)監(jiān)控儀。

本文所述的監(jiān)控軟件能夠記錄監(jiān)控到的所有數(shù)據(jù)，并且提供了3種實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的方式：即原碼數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)和曲線數(shù)據(jù)。

原碼數(shù)據(jù)：將采集到的總線信號(hào)直接以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)形式展現(xiàn)。這種方式比較符合傳統(tǒng)的監(jiān)控儀器數(shù)據(jù)查看習(xí)慣，原碼數(shù)據(jù)需要專業(yè)人員通過(guò)查看接口控制文件進(jìn)行人工解讀，此外這種方式監(jiān)控出來(lái)的數(shù)據(jù)直接反應(yīng)的是總線物理通道上傳輸?shù)男畔ⅲ瑪?shù)據(jù)可靠性較高。

工程數(shù)據(jù):利用存儲(chǔ)在本地ICD數(shù)據(jù)庫(kù)中的ICD信息，將監(jiān)控到的原碼數(shù)據(jù)由軟件自動(dòng)解析，實(shí)時(shí)顯示結(jié)算出的工程量數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、直觀，監(jiān)控人員能夠非常方便的查看想要的數(shù)據(jù)值，但是工程數(shù)據(jù)解算強(qiáng)烈依賴于ICD數(shù)據(jù)庫(kù)中的ICD信息，因此數(shù)據(jù)的可靠性不如原碼數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)曲線：以最近的2000個(gè)周期采集的數(shù)據(jù)作為采樣點(diǎn)，畫(huà)出平滑的數(shù)據(jù)曲線。這種數(shù)據(jù)曲線反應(yīng)的是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)隨著周期 (時(shí)間)推進(jìn)的變化情況，在不關(guān)心具體數(shù)據(jù)值，只需觀察數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)時(shí)比較直觀。

對(duì)于要顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容，國(guó)內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)289A總線數(shù)據(jù)可以通過(guò)選擇A/B通道、RT地址、子地址以及收發(fā)標(biāo)記進(jìn)行篩選，HB6096總線數(shù)據(jù)最多可以監(jiān)控8路通道數(shù)據(jù)，RS422總線數(shù)據(jù)最多可以監(jiān)控6路通道數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)回放軟件（圖7）

在試驗(yàn)生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要對(duì)某一個(gè)時(shí)間段(為了便于描述，我們稱一個(gè)時(shí)間段內(nèi)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的某些時(shí)間段數(shù)據(jù)為“典型時(shí)間段數(shù)據(jù)”)的總線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此，應(yīng)對(duì)保存下來(lái)的總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀、回放。數(shù)據(jù)回放軟件就是用于將總線監(jiān)控軟件記錄的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行回放再現(xiàn)。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)回放軟件通常是采用單幀數(shù)據(jù)回放的格式，這種方式便于對(duì)典型時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但是，如果保存的數(shù)據(jù)時(shí)間比較長(zhǎng)，則難以在這個(gè)長(zhǎng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)中找出需要分析的典型時(shí)間段數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文介紹的總線信號(hào)監(jiān)控儀采用了數(shù)據(jù)曲線圖回放和單幀數(shù)據(jù)回放相結(jié)合的顯示方式。

數(shù)據(jù)回放軟件通過(guò)添加篩選條件篩選出需要回放的數(shù)據(jù)內(nèi)容，回放軟件讀取監(jiān)控軟件記錄下的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)篩選條件將相應(yīng)的每組數(shù)據(jù)作為一個(gè)記錄顯示在界面窗口中。對(duì)于時(shí)間段較短的數(shù)據(jù)，直接采用單幀回放的方式顯示數(shù)據(jù)。對(duì)于時(shí)間段長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，可以先通過(guò)數(shù)據(jù)曲線圖回放的形式快速查看完整的數(shù)據(jù)變化過(guò)程，根據(jù)數(shù)據(jù)變化的過(guò)程找出典型時(shí)間段數(shù)據(jù)，然后對(duì)典型時(shí)間段采用單幀數(shù)據(jù)回放進(jìn)行具體的解讀分析。通過(guò)兩種回放顯示方式的結(jié)合使用，能夠讓數(shù)據(jù)分析人員比較快速的找到典型數(shù)據(jù)，從而有針對(duì)性的進(jìn)行分析，減少了大量傳統(tǒng)單幀回放方式浪費(fèi)在分析無(wú)用數(shù)據(jù)上的時(shí)間。

2.5 數(shù)據(jù)仿真軟件（圖8）

數(shù)據(jù)仿真軟件用來(lái)模擬發(fā)送各類總線數(shù)據(jù)，包括對(duì)國(guó)內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)289A總線上遠(yuǎn)程終端 (RT)的仿真和HB6096總線數(shù)據(jù)的仿真。用戶在仿真界面選擇所需仿真的數(shù)據(jù)種類，由數(shù)據(jù)仿真軟件后臺(tái)加載存儲(chǔ)于ICD數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)ICD文件來(lái)自動(dòng)配置的仿真數(shù)據(jù)的參數(shù)，然后用戶在仿真界面窗口手動(dòng)設(shè)置所需發(fā)送的數(shù)據(jù)值，發(fā)送的數(shù)據(jù)值可以設(shè)置為一定范圍的隨機(jī)值和固定值兩種情況，數(shù)據(jù)仿真軟件將設(shè)置好的數(shù)據(jù)值按照預(yù)先設(shè)定的周期發(fā)送出去，從而達(dá)到模擬仿真其他終端的目的。

該軟件可以利用存儲(chǔ)于ICD數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)的ICD文件信息，后臺(tái)自動(dòng)根據(jù)ICD文件提供的信息進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的解析，所以人機(jī)界面比其他仿真設(shè)備更加人性化，方便操作。

3 結(jié)語(yǔ)

某型總線信號(hào)監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控功能覆蓋了現(xiàn)有常用的航空通用總線，可以兼容其他機(jī)型的使用。該設(shè)備在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的同時(shí)還能將監(jiān)控的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。同時(shí)，還集成了數(shù)據(jù)仿真功能，能夠根據(jù)ICD配置文件仿真出多個(gè)系統(tǒng)發(fā)送的航電數(shù)據(jù)，為綜合航電系統(tǒng)的測(cè)試、分析和地面保障等工作提供了便利。

[1]航空數(shù)據(jù)總線1553B/ARCINC429基礎(chǔ)培訓(xùn)介紹.

[2]MIL_STD_1553 Tutorial.

[3]某型總線監(jiān)控儀技術(shù)協(xié)議書(shū).