網絡化機載測試系統(tǒng)的集成與測試

摘 要：為驗證網絡化機載測試系統(tǒng)的基本性能，設計并集成網絡化機載數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)，研究測試系統(tǒng)的配置和調試方法，提出網絡化機載測試系統(tǒng)的時間精度、同步時間、丟包率、遙測傳輸?shù)葴y試原理及方法。通過這些方法可以檢查所建立的機載測試系統(tǒng)基本性能，掌握整個測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于后期對測試系統(tǒng)進行更改、擴容等，并為C919大型客機機載測試系統(tǒng)的建立提供依據(jù)和參考。

關鍵詞：機載測試系統(tǒng)；時間精度；同步時間；丟包率

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0135-04

Abstract： To verify the basic fundamental characteristics of network airborne testing system， this paper designs and integrates the network airborne testing system， and also studies the configuration and debug method of testing system. This paper proposes testing theories and methods for time precision， synchronization time， packet loss rate and telemetry transmission of this system. Through these methods， the engineers can check the basic capability of the airborne test system， master the working state of the whole test system， and also make it very easy to upgrade and expand the testing system in the later period. At the same time， this paper provides basis and references for the establishment of C919 airborne testing system.

Keywords： airborne testing system； time precision； synchronous time； packet loss rate

0 引 言

隨著科技的進步，現(xiàn)代化飛機在試飛過程中需要測試的參數(shù)越來越多，且數(shù)據(jù)類型更加復雜，歐洲空客A380飛機試飛測試的參數(shù)達到40 000個左右[1]，傳統(tǒng)的基于PCM架構機載測試系統(tǒng)已不能滿足試飛測試需求，需要采用基于iNET技術框架的網絡化機載數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)[2]。分析國際上最先進的民用飛機，無論是空客A380還是波音787，均研究并采用了網絡化測試架構，建立的機載測試系統(tǒng)滿足飛行試驗過程中數(shù)據(jù)的采集、記錄、遙測等需求，因此機載測試系統(tǒng)向網絡化發(fā)展是大勢所趨[3]。參考新支線ARJ21飛機建立的PCM和以太網相相結合的技術模式[4]，本文建立一套數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)記錄完全網絡化的測試系統(tǒng)，研究機載測試系統(tǒng)集成、調試的方法，對建立的網絡化機載測試系統(tǒng)的時間精度、同步時間、丟包率、數(shù)據(jù)遙測等進行測試，并進行了網絡數(shù)據(jù)記錄、網絡數(shù)據(jù)分析、PCM數(shù)據(jù)分析等測試，為C919飛機機載測試系統(tǒng)的設計和建立提供依據(jù)和參考。

1 測試系統(tǒng)結構和測試原理

C919大型客機機載測試系統(tǒng)采用了基于FPGA設計的采集器、基于CPU設計的交換機、網絡化記錄器、遙測設備、GPS設備等。其中基于FPGA設計的采集器上電后很快就投入工作，非常適合機載環(huán)境，但測試系統(tǒng)的配置和采集器編程對測試工程師的能力要求高；基于CPU設計的交換機具有操作系統(tǒng)，測試設備的功能強大，軟件編譯靈活，但設備掉電后重新啟動的時間長。

1.1 測試系統(tǒng)的結構

本次試驗建立的網絡化機載測試系統(tǒng)核心是網絡數(shù)據(jù)采集器和交換機[5]，系統(tǒng)集成了2臺機載網絡交換機和5臺數(shù)據(jù)采集器，其中2臺交換機分為1臺千兆主控交換機和1臺百兆子交換機；5臺采集器中的4臺連接在子交換機上，編號1#至4#，另外一臺交換機連接在主控交換機上，編號5#。5#采集器內部包含有一個PCM偵聽模塊，可以偵聽整個測試系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)，并編碼生成PCM數(shù)據(jù)流，所以該采集器不僅具有數(shù)據(jù)采集的功能，也具有PCM網關的功能。5#采集器可以通過交換機挑出其余4臺采集器中的數(shù)據(jù)，并將這5臺采集器中的數(shù)據(jù)融合成一條PCM輸出。測試系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)測試原理

為了得到具有說服力的數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)的輸入選擇同一個標準信號，分別由1#和5#采集器采集，通過不同的數(shù)據(jù)傳輸路徑A和路徑B，最后由示波器、記錄器等設備進行數(shù)據(jù)的捕獲、記錄，事后也可以對記錄的數(shù)據(jù)進行處理、分析。路徑A在整個機載測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸距離最遠，路徑B距離最近，因此具有一定的代表性，通過對比路徑A和路徑B傳輸?shù)耐粋€信號，最終確定整個機載測試系統(tǒng)的時間精度、同步時間、丟包率等性能指標。

2 測試系統(tǒng)的集成

本次試驗建立的機載測試系統(tǒng)，主要包含KAM4000網絡采集器、NSW網絡交換機和miniR700數(shù)據(jù)記錄器，均是當前國際先進的機載測試設備，各設備具有專用的編程環(huán)境。采集器配置了模擬量、數(shù)字量等測試模塊，交換機配置了路由關系，記錄器配置了網絡數(shù)據(jù)采集模塊，并按照圖1的結構對系統(tǒng)硬件進行了相應的連接，在實驗室完成的機載測試系統(tǒng)配置如圖2所示。

2.1 測試參數(shù)編程

按照測量原理的不同，每個采集器都配置了對應的測試模塊，每個測試模塊可以測量大量的參數(shù)。對每個采集器中的測試參數(shù)進行采集編程，并按照采樣率對所有參數(shù)進行分類，編輯多個網絡數(shù)據(jù)包，主要編包規(guī)則包括：發(fā)往不同目的地的數(shù)據(jù)一般封裝在不同網絡包內；高速采樣和關鍵的有效參數(shù)應封裝在能定時傳送的網絡包內；緩變和非關鍵的有效參數(shù)可以封裝在一個數(shù)據(jù)包內，按采樣周期正常發(fā)送[6]。

2.2 采集器和交換機配置

機載數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)是一個測試網絡，需要對每個網絡節(jié)點進行配置。采集器的配置內容主要包括網絡輸出模塊的IP、網絡數(shù)據(jù)包IP、數(shù)據(jù)包Key等。交換機的配置主要是路由關系，按照圖1中測試系統(tǒng)的拓撲結構，對交換機每個端口進行相關設置，具體如表1所示。

2.3 測試系統(tǒng)調試

機載測試系統(tǒng)中的采集器和交換機設備完成各自的程序編輯，并配置好整個測試網絡的路由邏輯后，對整個測試系統(tǒng)進行測試程序的加載，確保整個測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸暢通。利用Wireshark軟件測量測試系統(tǒng)中各節(jié)點數(shù)據(jù)流量，并對數(shù)據(jù)量大的節(jié)點進行調整，確保整個測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸均衡，整個測試網絡工作穩(wěn)定。

使用Wireshark軟件對每臺采集器、PCM gateway和記錄器端口的位速率進行測試，具體結果如表2所示。

3 測試系統(tǒng)的測試

網絡化機載測試系統(tǒng)性能指標要求較多，最重要的測試內容主要包括時間精度測試、同步時間測試、丟包測試、數(shù)據(jù)遙測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等[7-8]。測試儀器包括高精度示波器、網絡數(shù)據(jù)記錄器、GPS天線、功率計、秒表等，還包括丟包分析軟件、PCM分析軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等專用軟件。

3.1 時間精度測試

時間精度是指測試系統(tǒng)中任意設備與基準時間的差值。依據(jù)IEEE1588協(xié)議，測試系統(tǒng)由主控交換機授時和修正，一般認為主控交換機的時間為基準時間。試驗時采用高精度示波器測量系統(tǒng)內任意兩臺設備的秒脈沖（1PPS），即可得到這兩臺設備的時間差值。分析圖1測試系統(tǒng)架構，1#采集器和5#采集器的數(shù)據(jù)傳輸路徑最長，所以理論上這兩臺設備的時間差值應該最大。測量結果如圖3所示，在不考慮時間信號幅值的情況下，對比1#采集器和5#采集器的秒脈沖，監(jiān)控兩臺設備的時間差值在一定的范圍內變化。通過測試，本次試驗建立的測試系統(tǒng)時間精度在80～200 ns之間。

3.2 同步時間測試

同步時間是指整個測試系統(tǒng)從上電開始，直到測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定所用的時間。機載測試系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)內部會根據(jù)主控交換機的時間指令，對每個采集器的時間進行授時并修正，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的時間同步，在此過程中，以主交換機的時間為基準，其他測試設備的時間是一個相對收斂并穩(wěn)定的過程。使用示波器捕捉任意兩臺采集器或一臺采集器和交換機輸出的1PPS的波形，使用秒表，測試兩個波形相對穩(wěn)定所用的時間。由于本次試驗建立的測試系統(tǒng)中主控交換機具有CPU和操作系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的同步時間較長，約為180 s±20 s。

3.3 丟包測試

采集器生成的網絡數(shù)據(jù)包，其內部包含該包的各種信息，例如數(shù)據(jù)包IP、數(shù)據(jù)包Key字等，其中有一項為該包發(fā)送次數(shù)相關信息，每發(fā)送一次數(shù)據(jù)包計數(shù)器累加一次，通過專用丟包分析軟件對每條網絡數(shù)據(jù)包進行分析，提取該數(shù)據(jù)包內部的計數(shù)信息，檢查其是否連續(xù)，即可知道是否丟失數(shù)據(jù)包。運用網絡記錄器多次記錄數(shù)據(jù)，通過丟包分析軟件檢查所記錄的數(shù)據(jù)是否有丟包現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象顯示為PASS，丟包是顯示為FAIL，本次試驗家里的測試系統(tǒng)丟包檢查結果如圖4所示。

3.4 數(shù)據(jù)PCM遙測測試

未來的數(shù)據(jù)遙測模式正在向網絡化方向發(fā)展[9]，但目前主流的遙測仍然以IRIG 106標準，本次試驗建立的機載測試系統(tǒng)采用了該標準實現(xiàn)PCM遙測。本次試驗遙測要求是可以滿足4 Mb/s的PCM數(shù)據(jù)流遙測距離達到300 km，依據(jù)該要求對采集程序進行配置，使得遙測下傳的PCM的位速率為4 Mb/s，使用示波器檢測PCM波形，檢查內容包括PCM的時鐘曲線和PCM數(shù)據(jù)曲線[10]，確認測試系統(tǒng)輸出的PCM是否滿足遙測設備的輸入要求。通過檢測，本次試驗測試系統(tǒng)輸出的PCM數(shù)據(jù)流正常，PCM波形如圖5和圖6所示，PCM時鐘和數(shù)據(jù)曲線的幅值為±（5～6）V，周期為250 ns（由PCM速率確定），滿足遙測接收設備的輸入要求。

3.5 數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理

完成測試的系統(tǒng)集成、測試后，需要按照具體的需求，編輯參數(shù)的采樣率、測試系統(tǒng)的網絡包等信息，并將這些信息加載到測試系統(tǒng)中，然后使用網絡數(shù)據(jù)記錄器記錄這些數(shù)據(jù)，再通過專用軟件卸載所記錄的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理和詳細分析，最終確認測試系統(tǒng)工作正常。

4 結束語

本文設計并建立了滿足需求的測試系統(tǒng)，集成多臺數(shù)據(jù)采集器和交換機，提出網絡化機載測試系統(tǒng)的測試方法，對測試系統(tǒng)的性能指標進行了測試。采用本文的方法可以測量到整個系統(tǒng)的時間精度、同步時間、丟包率、數(shù)據(jù)遙測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等，掌握整個測試系統(tǒng)的基本能力，便于后期對測試系統(tǒng)進行更改、擴容等。同時，通過研究網絡化機載測試系統(tǒng)的集成和測試，也可為C919大型客機機載測試系統(tǒng)的設計提供技術參考和經驗借鑒。

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（編輯：李剛）