非航空電子系統監控處理機設計技術研究

周前柏 王建生 王劍博

摘 要：為解決非航空電子系統本身沒有計算機，無法對自身的故障進行檢測、診斷和隔離。通過采用非航空電子監控設計技術，利用非航空電子監控處理機（NAMP）構建非航空電子監控系統，初步實現航空電子與非航空電子的系統綜合，改善全機的可測試性和可維修性，減少飛機維護的工作時間和工作難度。以某型飛機為基礎，根據航空電子系統所要完成的多種飛行任務，非航空電子監控處理機的功能和性能，進行了NAMP處理機的系統設計，并對該系統的設計方法、關鍵技術、動態仿真試驗進行了研究，為機載計算機軟硬件的模塊化和層次化設計提供了設計依據。

關鍵詞：非航空電子監控技術；NAMP；層次化模塊化設計；動態仿真

文獻標志碼：A

Abstract：To solve the Non-Avionics system of provincial without computer，not on his own，fault detection，diagnosis，and isolation.Through the adoption of the non-aviation electronic monitoring techniques，using NAMP build non-aviation monitoring system，preliminary implementation avionics and non-avionics integrated system，to improve the testability of the whole machine and maintainability，reduces the cast time of aircraft maintenance work and work difficulty.Based on a certain type of aircraft，according to the avionics system to complete a variety flight tasks，as well as on the functions and performances of NAMP，the NAMP processor system is designed，and the design method of the system，key technology，dynamic simulation test are studied，all of which provides a design base for the modular hierarchy design of airborne computer software and hardware.

Key words：non-avionics monitoring technology；NAMP；Hierarchical modular design；dynamic simulation

傳統的對機載非航空電子系統設備的監控方法，是將所有設備的信號、狀態通過座艙內的儀表或燈光信號報告給飛行員，造成座艙布局緊張、飛行員負擔重、信息共享差、故障分析困難等問題。隨著綜合化航空電子技術、計算機技術的迅速發展，航空電子系統的功能不斷增強[ 1-2 ]，越來越多的利用非航空電子系統監控處理機（NAMP）構建非航空電子監控系統，初步實現航空電子與非航空電子的系統綜合，改善全機的可測試性和可維修性，減少飛機維護的工作時間和工作難度。通過NAMP計算機來實現對非航電系統的綜合控制管理與調度、狀態監控、檢測、信息上報、告警輸出控制以及負責轉發飛機狀態信息進行記錄等工作，構成了一個具有三層結構的信息綜合傳遞網絡[ 3 ]。一種NAMP與航空電子系統和非航電系統體系結構如圖1所示。

NAMP主要實現如下功能：

1）狀態綜合顯示：NAMP將監控到的非航電子系統狀態通過GJB289A總線上報顯示，給飛行員或操作員提供飛機狀態參考；

2）故障告警：NAMP將監控到的非航電子系統的異常或故障信息通過GJB289A總線上報飛行員或操作員，并對關鍵故障給出應急處置表，提示飛行員或操作員進行應急處理，最大化的保障飛行安全；

3）非航電子系統的維護：NAMP通過GJB289A總線接收維護命令，啟動非航電子系統設備的維護檢查，并進行結果顯示，大大的減輕了操作員進行非航電子系統維護的負擔；

4）數據記錄：NAMP將監控到的非航電子系統狀態信息發送到數據傳輸設備和飛機參數記錄儀系統進行記錄；

5）自身維護：進行NAMP計算機自身的加電自檢和啟動自檢。

1 軟件功能及系統工作模式要求

根據系統頂層需求分解，NAMP軟件需完成的主要功能是：

1）周期性（周期大小根據飛機總體系統實時性要求確定）采集航電系統和非航電系統輸入的數據：數字量、離散量、模擬量、角度信號；

2）根據輸入的航電系統輸入的指令信息，按照指令要求完成相應工作方式下工作和指令的正確響應；根據航電系統和非航電系統輸入的狀態參數信息進行信息轉發共享及故障綜合處理告警；

3）告警分級處理，根據告警信息按照告警級別的不同，需要采取不同的處理方式。

2 層次化模塊化設計方法

隨著綜合化航電技術的發展，非航空電子系統監控處理機的功能日益強大、系統接口也越來越復雜。傳統的緊耦合設計方法已很難適應未來的復雜系統的軟件硬件維護、修改及系統升級。換而言之，層次化模塊化概念在NAMP設計中得到進一步強化。層次化模塊化設計是將一個復雜系統劃分為若干個便于實現的功能層或模塊，從而簡化了系統設計的復雜度，并使系統軟件、硬件模塊可以并行開發[ 4-6 ]。模塊包括硬件模塊和軟件模塊，既是相對獨立的功能劃分，也是一種先進的封裝及安裝形式，是航空電子系統綜合化實現各種高級特性不可缺少的物理基礎。

2.1 硬件層次化模塊化設計

按系統功能需求分解及層次化模塊化結構設計方法，將NAMP計算機劃分為9個物理模塊，分別為數據處理模塊（DPM）、GJB289A總線接口模塊（MBI）、離散量處理模塊（DIM1/DIM2）、離散量輸出模塊（GPI）、RS422通信接口模塊（SIM）、ARINC429通信接口模塊（SPM）、模擬量處理模塊（APM）及電源模塊（PS）。NAMP計算機系統結構如圖2所示。

2.2 軟件層次化模塊化設計

按層次化、模塊化設計方法，NAMP軟件的層次化體系結構如圖3所示。

1）應用層。應用層是軟件的最高層，負責控制任務的啟動、停止、測試及維護，并進行系統信息提取、組織及系統的故障管理，駐留在DPM模塊上。

2）驅動層。是應用層與底層之間的一個功能軟件包（含函數庫），實現主機對各模塊的控制功能（如模塊的讀、寫操作等），并對模塊中斷進行處理，它駐留在DPM模塊上。

3）硬件模塊。是系統的底層，實現全部硬件處理功能。

3 關鍵技術研究

NAMP實時監控燃油、電源、燈光、液壓、環控、起落架、發動機、電傳等17個非航電子系統設備的狀態，需及時完成信息采集并進行故障狀態的綜合判定。其中，實時、準確故障檢測設計技術，系統的安全性設計技術，計算機平臺設計的小型化技術，模塊智能化設計設計，以及系統的動態仿真綜合試驗等關鍵技術成為研制前期的關鍵問題。

3.1 實時、準確故障檢測設計技術

NAMP要求能適時、準確的監控并報告非航電子系統的狀態和故障。

采用實時操作系統VxWorks作為NAMP的軟件設計平臺，同時采用多任務搶占和優先級調度方式的周期任務管理[ 7-8 ]。在系統中將實時性高的任務放在優先級較高的50ms、100ms的周期任務中運行，保證了故障檢測的實時性。慢速率變化的系統在200ms、400ms、500ms、1000ms的周期任務中執行。同時還采用軟件瞬態故障濾波、硬件紋波抑制[ 9-10 ]等故障處理技術和故障判斷邏輯，減少了虛警的次數，保證故障檢測準確性。

3.2 系統安全設計技術

系統要求NAMP自身故障不能影響非航空電子系統的正常工作，對NAMP的安全性設計提出了很高的要求，主要從從軟硬件兩方面給出了NAMP安全性的設計方法。

在硬件設計中，設計有抗尖峰浪涌電路、靜電保護電路、電壓箝位電路、防反向電路、系統共地等保護性電路。離散量輸出接口設計有聯鎖保護電路，保證NAMP的故障不會導致誤輸出；還設置了限流保護機制，保證外部短路不會損壞NAMP的功能輸出；同時也設置了抗尖峰浪涌電路和共地保護電路。在硬件設計上最大限度的保護系統的安全。

在軟件設計中，應用軟件模塊執行過程中均設有“看門狗”機制，可以防止軟件跑飛而造成的系統癱瘓[ 11 ]；同時在系統軟件中設計了超時處理和異常處理[ 12 ]，保證系統在發生異常時可以及時的做出應急處理，并將故障進行記錄以備后期維護；系統軟件中還設計了資源沖突管理，保證多任務訪問時對共享資源的保護。

3.3 小型化技術

由于機上體積和重量的限制，確定NAMP計算機的設計僅能采取1/2ATR結構的機箱設計，同時NAMP系統監控管理的非航電子系統較多，接口復雜，綜合功能較多，在此情況下，我們采取相應措施，選用了部分新型封裝器件和中、大規模的可編程芯片[ 13 ]，同時在計算機硬件的設計上采用通用化、標準化和模塊化設計，使計算機體積和重量大大降低，為小型化技術奠定基礎。

3.4 系統動態仿真技術

在動態仿真的研究中，按照飛機的頂層設計文件的相關要求，設計一套NAMP動態仿真測試驗證設備，將NAMP所監管的非航電子系統進行系統功能和接口性能的模擬，為NAMP提供模擬信號源；同時仿真NAMP所在的航電總線的管理功能，對NAMP進行綜合管理，可實現非航電系統和航電系統的半物理仿真綜合[ 14 ]，快速、全面地進行充分的需求驗證并檢查出NAMP頂層設計和所開發軟件上的功能邏輯錯誤，提高飛機級系統綜合測試的功能檢查覆蓋率和測試效率并完成NAMP產品自身的功能動態仿真測試驗收，保證系統綜合試驗的順利進行。

3.5 智能化模塊設計技術

在NAMP的設計過程中，通過對系統需求的分析，發現系統對ARNIC429和RS422通信的信息需求量較大，在多周期的任務條件下，ARINC429和RS422通信產生的中斷數量多，對NAMP系統的中斷響應、任務管理和周期調度產生了很大的壓力，設計了智能模塊對兩類通訊進行智能化管理，它可以實時處理串行數據的接收和發送而不用主處理器的干預，與主處理模塊間通過雙口存儲器進行數據交互[ 15 ]，提高了NAMP系統任務調度的實時性和穩定性。

4 結語

在國內，多數3代和3代半飛機都采用了NAMP進行集中式監控管理，由于采用層次化模塊化設計方法并對相關模塊進行了智能化設計，使得產品硬件和軟件的調試、調度、管理更加方便，設計更加合理可靠。

飛機上安裝了非航空電子系統監控處理機后，實現了非航空電子系統的集中顯示和集中監控，方便飛行員操縱及維護人員對飛機的維護，縮短維修時間；提高飛機的出勤率和戰備完好率，大大提高非航空電子系統的維護性，與原俄制機內監測和告警綜合系統的比較對比結果見表1。

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基金項目：中航工業技術創新基金（2014D63129R）

作者簡介：

周前柏（1984-），男，工程師，研究領域為機載嵌入式計算機應用技術，機電管理系統計算機設計；

王建生（1966-），男，研究員，研究領域為并行計算及并行計算機系統；

王劍博（1988-），男，助工，研究領域為嵌入式計算機設計。