某型A320飛行模擬機的接口技術原理分析

羅國慶

摘?要：本文介紹了飛行模擬機引入接口系統的原因與意義，并分析了某型A320飛行模擬機兩種不同電子設備接口系統的實現方式。

關鍵詞：飛行摸機器;接口系統;以太網接口;ARINC接口系統

飛行模擬機技術是以計算機仿真技術、通信技術、信息技術以及其應用相關專業技術為基礎，以工業計算機、通信設備和航空電子設備為工具，利用仿真系統模型對飛行系統進行包含有人回路的實時仿真系統。飛行模擬機接口系統能使仿真計算機和駕駛艙電子設備進行快速通信。飛行模擬機接口按照系統分類管理，快速準確的完成數據交換，并實現跟真實飛機相同操作訓練功能，飛行模擬機采用多種接口模式通信，保證了計算機與座艙設備實時、高效和靈活的完成數據通信。

1 飛行模擬機引入接口系統的意義

我們先來看一個例子，如圖1所示，是一個非常簡單的燈泡控制電路，主要由28V電源、跳開關SW、開關CB和燈泡組成。當需要燈泡工作時，只需閉合SW開關，燈泡就可以點亮正常工作。但是對于飛行模擬機，由于模擬機飛行訓練需求，經常要使駕駛艙電子設備工作在非正常狀態下。按照圖1實現起來需要添加許多額外的控制電路。我們換一種思路，在飛行模擬機上我們引入接口系統，把各個單元的功能模塊化。我們把座艙中的設備如跳開關SW、開關CB和燈泡都當成接口系統輸入與輸出的一部分，接口系統負責對設備的輸入進行集中數字化處理，而計算機通過接口系統的輸入獲取開關的狀態信息。這些開關位置不直接決定燈泡的工作狀態，而是根據仿真計算機邏輯運算后產生控制信號，再通過接口的輸出通道來控制燈泡的狀態。這樣設計的精妙在于飛行教員可以根據訓練要求，靈活設置飛行故障，達到控制駕駛艙電子設備的目的，且取消飛行設備故障簡單。而訓練的飛行員卻覺察不到飛行模擬機和真實的飛機有什么不同。

2 模擬機接口系統的原理概述

從上面的論述我們知道，我們把飛行模擬機按照功能進行了模塊化設計，分成了仿真計算機、系統接口和機載電子設備。飛行模擬機的接口系統充當了仿真計算機和機載電子設備相互通信的橋梁。首先機載電子設備信號通過接口系統數字化處理發送給仿真計算機，數據通過計算機實時仿真程序運算，向接口發送數據，數據通過接口數據處理后返回機載電子設備，實現飛行模擬機一個完整的實時數據交流環路。

2.1 某型A320飛行模擬機接口系統

由于飛行模擬機上電子設備通常包括飛機真件和實物仿真件，首先仿真件與真件它們的驅動信號方式是存在差異的，同一設備也可能需要多種不同類型信號進行驅動。A320飛行模擬機上主要的驅動信號主要由DI、DO、AD、DA、PWA、arinc429等組成。由于不同類型的驅動信號在傳輸數據類型與速率上不同，飛行模擬機需要根據不同數據類型采用了不同的接口系統。其主要驅動信號方式由以太網接口系統、ARINC接口系統來進行驅動等。

2.2 以太網接口系統

以太網接口系統主要通過使用MIO-e（Modular Input Output-Ethernet）卡處理主計算機與機載設備的實時數據信號。計算機主機由運行實時操作系統VERTEX的多塊RECE卡組成，飛行仿真程序按照類別加載在不同的RACE卡內存單元上，這些RACE通過HSSL光纖環路組成光纖環路，其通信協議為Reflect Memory（共享內存交換數據）。同時計算機主機上的以太網網卡通過主板上的PCI總線與某塊處理IO信息的RACE卡內存進行數據交換，網卡使用UDP網絡協議將數據地址和數據傳送到以太網總線上，IO網卡設置TCP/IP地址協議，通過路由器將總線數據按照路由地址分送到不同區域的接口單元，這些接口單元通常稱為一個接口模塊單元，在該型號飛行模擬機上一共有7個接口模塊單元，分別與駕駛艙不同的電子設備通信。在每個模塊單元上Slot10位置MIO-e卡設為主控制卡，負責上傳和下載PCI總線數據，該位置MIO-e卡可以通常母板上高速串行接口與該組件單元上其它從屬MIO-e卡交換數據。所有MIO-e按照系統配置定義文件將計算機數據轉換成指定信號傳輸給駕駛艙電子設備，同時駕駛艙電子設備反饋數據信號也通過主MIO-e卡完成數據轉換再通過以太網傳回計算機主機。由于每個接口組價單元卡槽限制，其母板能安裝MIO-e卡的最大數為6張。其中每張MIO-e卡能最大可以處理56個數字信號和16個模擬信號。也就是說每張MIO-e通過文件配置最大管理56個 DI/DO和16個AI/AO通道數據轉換。同時每一MIO-e卡上裝有一對常閉繼電器，可以實現自我故障診斷，并把狀態信息同時主MIO-e卡反饋給主計算機上的監控系統。

2.3 ARINC接口系統

飛行模擬機器是能夠復現飛行器及空中環境并能夠進行訓練操作的模擬設備。飛行模擬機上由于集成了許多機載航電設備，這些航電設備除了需要一般控制信號外，還需要跟真實飛機上一樣的ARINC信號，由于標準的工業計算機主機通常無ARINC數據總線接口，需要飛行模擬機的接口系統將計算機主機的數據格式轉化成標準的ARINC數據總線與機載航電設備通信。

如圖3所示，ARINC接口系統主要由計算機主機、VPC（VME PMC Carrier）母板卡、和駕駛艙電子設備組成。在計算機主機上，飛行模擬機的ARINC程序被運行在主計算機PCI Slot16位置的RACE卡上（上文已經提到），主計算機上RACE可以通過HSSL RM模式與其它RACE卡進行內存共享。除此之外該位置RACE卡還采用高速光纖網絡HSSL BR模式與模擬機不同位置上的VPC母卡組成回路拓撲網絡。VPC卡分布在每個接口單元組件，通常在其Slot3和Slot4位置上，在每張VPC卡上有兩塊獨立工作PAI（PMC ARINC429 INTERFACE）子卡，每張PAI卡通過其接口組件單元上VME BUS總線與VPC通信。其中PAI板卡是ARINC接口系統的處理核心，每塊PAI卡最大可以同時處理24個ARINC429信號通道，其總線尋址地址為32BIT，工作頻率為12.5MHZ。每張PAI卡在上電初始化時通過內部FPGA 來配置每張PAI卡的端口，PAI卡的0-15號設置為發送端口，16-23號設置為接收端口。以PAI卡接收數據為例，當PCI地址總線上有地址總線申請時，PAI卡先把PCI總線上的數據存入到RAM內存中，通過其內部FPGA對32BIT地址信息進行譯碼，選擇對應的端口，將RAM內存數據通過選擇的端口完成ARINC429數據格式轉化，再通過WDA繞線組件與其它信號線一起組成完整的電纜線完成與機載航電設備通信。

3 接口系統的主要評價標準

①實時性：由于飛行模擬機包含了計算機、接口系統和機載設備等，這些設備在處理數據時存在反應時間，所以飛行模擬機必須按照模擬機鑒定測試指南測試模擬機的傳輸延時，保證飛行模擬機實時性符合要求。②抗干擾性：由于計算機、接口系統和機載設備在空間上存在一段距離，且布線采用集中布線方式，線纜存在著相互干擾和信號衰減問題，這就需要接口系統選用抗到干擾衰減能力更強的設備，或者添加中繼設備增強信號強度，以及做好線纜之間的屏蔽措施。③穩定性：由于模擬機的接口系統通常安裝在模擬機駕駛艙附近，由于模擬機訓練振動，需要在設計安裝時，考慮接口的抗震性和穩定性。防止接口板卡或者接頭在使用中松動。除此之外，接口系統還應注意接口系統自診斷和易維護性等。

4 結語

本文分析了某型A320飛行模擬機兩種接口系統設計的原理及意義，并對兩種不同接口方式的系統設計進行了分析，希望大家對了解飛行模擬機接口有所幫助。

參考文獻：

[1]R7系列模擬機操縱與技術手冊.美國L3民用飛行模擬機公司，2014.

[2]飛行模擬機鑒定與測試指南.中國民用航空軍，2005.

[3]現代飛行模擬機論證概要.中國民航飛行學員學報，2001.