新型飛機的機載CMCF通訊模型實現

樊智勇　閆小謙

摘要：針對國內缺乏對新型飛機通訊模型研究的狀況，本文在研究波音787和空客380通訊模型基礎上，按照ARINC624規范，建立了一種中央維護計算功能（CMCF）系統的通訊模型，并經過搭建硬件測試平臺和系統數據測試，驗證模型符合ARINC規范，這對國內對機載維護系統的研究和對國產大飛機C919的的研究有一定的現實意義。

關鍵詞：ARINC624規范；CMCF；AFDX；通訊模型

中圖分類號：R730.58文獻標志碼：A

Abstract：Aiming at the lack of research on the communication model of aircraft，The anthor of this paper studyed the communication models of the new aircrafts such as the Boeing 787 and Airbus 380，established a central maintenance calculation function （CMCF） communication system model based on the ARINC624 standard；and then built a hardware test platform to verify the model conforms to the ARINC standard.the reserch has certain practical significance on the research of domestic onboard maintenance system and China made aircraft C919.

Key words：CMCF；AFDX；arinc624；communication model

1引言

隨著航空電子系統朝著綜合模塊化的發展，新型飛機對航電系統的通訊容量和傳輸速度都有了更高的要求，最新系統通訊網絡基于AFDX，相較于上一代航空總線ARINC429，其傳輸速度由最高100Kbs增至最高100Mbs。國外基于對此的研究已有相對前沿的新一代OMS系統研究成果，并應用于B787和A380飛機。隨著大飛機項目成為國家“十二五”重點項目，目前我國各科研單位對此研究越來越重視，但還處于技術跟蹤和理論研究狀態，尚未有獨立成熟的理論應用成果。本文基于ARINC624規范和AFDX網絡，建立CMCF的通訊模型，對通訊模型各個層次的協議進行了詳細的設計，并驗證模型的準確性、高效性和可靠性。

機載CMCF是飛機的重要系統，其功能是收集所有和它相連的所有子系統BITE故障數據，并能對這些數據進行綜合分析和處理，得到準確的故障報告和故障隔離，提出維修計劃建議，提高飛機維護效率。此外，就是機載維護系統最也可以進行發送用戶初始測試指令，主動獲取飛機相應成員系統的狀況，CMCF與成員系統的簡單框圖如圖1。CMCF與成員系統之間可以通過以太網或者AFDX進行數據傳輸。此外，成員系統與CMCF通訊采取多冗余設計，這樣對數據實現多份備份，防止了某一條虛擬鏈路失效引起的數據丟失，提高了可靠性。

2CMCF通訊模型

ARINC624規范對CMCF通訊模型做了以下規定：

（1）靈活性。滿足當前和以后發展的需求。

（2）兼容性。成員LRU中的BITE報告功能的變化不需要強制改變CMC。然而，為了保持與成員LRU改變的兼容性進行的CMC改變需要盡可能的實現最大性能。

（3）數據量最小化。總線上的數據總量應該最小化。

（4）處理器高效性。在LRU和CMC中的處理器的要求數量應該最小化。

（5）協議簡潔性。為了保證系統第一次就開始運作，基本協議應盡可能的完善且清楚的描述出來。

（6）一致性。協議應與飛機上其它目的的通信協議保持一致。

（7）適應性。沒有要求完全重寫協議時，某種總線（例如，ARINC 629）的協議改進應與其它總線相適應，例如ARINC 429、光纖分布式數據接口（FDDI）或以太網LAN。

21傳輸協議棧的設計

協議各層，可以用構成系統的層與層之間的關聯關系的集合進行描述。在數學上，對于分層后的系統S可描述為：

S={Li，Rs}（2-1）

S={L1，L2，L3，…，Li}（2-2）

RS={RS，1，2，RS，2，3…，RS，3，i}（2-3）

式中：S表示系統的分層集合；Li表示第i層；RS表示層與層之間的關聯關系集合；Rs，（i-1），i表示第（i-1）層和第i層之間的關聯關系集合。

數據傳輸層應接收來自各個端口發送的數據，實現CMCF與成員系統的數據交換。這里采用UDP協議，UDP是一種無連接傳輸協議，從而這樣一臺主機可同時與多臺客戶機進行數據交互，同時UDP協議通過端口號識別不同程序的數據傳輸通道，采用UDP協議編寫傳輸層的數據格式既符合CMCF的數據交互需求，又簡化消息響應機制。當CMCF接收到成員系統的數據時，對UDP數據報頭進行解析，得到數據包的源端口、目的端口、報文長度及校驗值。在進行數據校驗后，將得到的有效數據通過端口號識別成員系統，并將UDP數據包送入對應的編解碼層進行數據解析。當CMCF需要向成員系統發送數據時，先將數據送入緩存區，等待編解碼區完成對UDP數據的打包后送入傳輸層，由傳輸層再封裝并送往對應的成員系統端口。在建立CMCF模型時可對數據傳輸層的數據流進行記錄并存儲到通信數據庫中，以便后續對CMCF模型進行分析調試。通信數據庫的存儲內容主要包括：接收（發送）數據時間、源地址IP、源端口號、目標地址IP、目標端口號、數據長度、UDP數據內容。endprint

IP網絡層接收用戶數據電報協議數據包，通過與最大虛擬鏈路標準數據包Lmax比對，確定此數據包是否需要分段。接著添加IP報頭、消息等，以太網頭，并且在子虛擬鏈路隊列里，為以太網幀創建隊列。鏈路級負責調度用于傳輸的以太網幀，添加虛擬鏈路序列號碼，并越過幀寫入到冗余管理單元，同時以太網源地址在傳輸幀的物理端口上進行編號更新。AFDX數據發送協議棧如圖2所示。數據存取，通過PushToBuffer（）函數將解碼信息存儲到采樣緩沖區，緩沖區存儲功能提供互斥訪問數據；通過PopFromBuffer （）函數將采樣緩沖區中的信息取出，緩沖區取出功能同樣提供互斥訪問數據。

AFDX數據接受協議棧如圖3所示。接收是發送的反過程。這一過程開始于一個以太網幀的接收，首先幀校驗序列對它做正確性檢查。如果沒有錯誤，幀校驗序列退出檢查，AFDX幀進行完整性檢查和冗余管理。最后數據包傳遞給IP網絡層。網絡層負責IP檢查值區域校驗和用戶數據電報協議數據包重組。用戶數據電報協議數據包被傳遞給用戶數據電報傳輸層。

22通訊交互過程

以CMCF與成員系統的數據交互為例。按照通訊協議，CMCF與MS（MEMBER SYSTEM，成員系統）之間通訊，首先輸入測試ID，并確認執行測試，開始CMCF與成員系統之間的通信握手。CMCF先以廣播的方式發送HMPTT命令字，經過一定時間響應，開始進入測試狀態即Run Test狀態。相應的成員系統收到廣播信息并與相應編碼匹配，向CMCF發送請求信息，并自動進入測試狀態即InTest狀態。接著CMCF向成員系統發送ACK確認信息。

3測試

31網絡配置

按照以上的設計，在已裝好AFDX板卡的Techsat設備上對機載維護系統進行配置。設定機載維護系統（CMCF）的IP地址為10.1.2.1，UDP端口號為61159，成員系統模擬組件IP地址為10.1.1.1，錯誤檢查編碼ID為61159，虛擬鏈路物理地址為03：00：00：00：03：E8，通過CMCF對成員系統模擬組件發送飛機信息命令進行測試。飛機信息發送周期為1000ms，飛行階段默認靜態。

32測試過程

從以下三個方面對模型進行測試，即數據傳輸的準確性、高效性和可靠性。

CMCF的功能實現建立在與飛機成員系統之間的數據收發基礎之上，機載CMCF對成員系統模擬組件的變量設置最終經數據編解碼生成AFDX數據幀，通過配置好的AFDX網絡進行發送。通過對監控計算機抓取的AFDX數據報文進行拆解分析，與CMCF發送的底層編碼進行對比，可以判斷仿真系統數據傳輸功能是否正常。

通過仿真系統對成員系統模擬組件發送飛機信息命令進行發送測試。表1為發送的飛機信息，飛機信息發送周期為1000ms，飛行階段默認靜態。對CMCF的AFDX網絡進行配置，將監控計算機和成員系統模擬組件通過AFDX交換機接入AFDX網絡，并通過專業的WFDX軟件計算機內對機載CMCF仿真系統發送的數據進行抓取并分析，與原發送數據進行對比。如表2為抓取的系統發送的部分AFDX數據包及解析結果，以及傳送時間有效性。通過對比發現，飛機狀態信息傳輸正常。

接著對飛機構型信息進行測試，測試結果如表3。對監控計算機抓取的數據包進行解碼，其源IP地址、目的IP地址、源端口號、目的端口號、設備號、序列號以及解析出的有效載荷與CMCF發送數據一致，滿足測試要求，因此CMCF發送功能正常，能夠正常對AFDX數據報進行編碼和發送。

4結論

通過測試，對監控計算機抓取的AFDX數據包進行解碼后得到的絕對時間、相對時間、端口號、消息狀態、時間狀態、設備號、硬件號以及軟件狀態號等有效信息一致，滿足測試要求，因此模型有效并且符合符合ARINC624規范。

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