多電飛機(jī)BPCU自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)總線通訊技術(shù)研究

2020-01-03 01:24:24

計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2019年12期

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

0 引言

隨著航空綜合技術(shù)的快速發(fā)展，多電飛機(jī)供配電系統(tǒng)已由集中的供配電形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У姆植际阶詣?dòng)供配電形式。而BPCU(即匯流條功率控制器)作為供電系統(tǒng)的管理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵性和重要性也日益突出，因此有必要建立BPCU的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)目前關(guān)于匯流條功率控制器自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)和研究成果較少，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)模擬飛機(jī)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，通過以太網(wǎng)TCP協(xié)議將故障指令發(fā)送給下位機(jī)，同時(shí)測(cè)試BPCU的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試。但由于研究時(shí)間較早，模擬電網(wǎng)以及總線通訊技術(shù)的研究不能很好滿足實(shí)際BPCU性能測(cè)試的要求。

本文搭建的BPCU自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)主要包括BPCU測(cè)試樣機(jī)、模擬電網(wǎng)、測(cè)試管理計(jì)算機(jī)、電網(wǎng)管理計(jì)算機(jī)以及通訊管理計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備，其通訊網(wǎng)絡(luò)包括AFDX通訊、以太網(wǎng)通訊、TTP/C通訊等不同的通訊方式。使用編程軟件建立統(tǒng)一的通訊網(wǎng)絡(luò)，并且保證通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及高效性，是通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 BPCU測(cè)試平臺(tái)通訊架構(gòu)

BPCU，即匯流條功率控制器，是多電飛機(jī)供電系統(tǒng)的重要組成部分。其功能是對(duì)飛機(jī)的供配電系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，完成對(duì)飛機(jī)不同工作狀態(tài)下的供電模式轉(zhuǎn)換，在緊急情況下完成功率分配，保證應(yīng)急匯流條供電情況正常等，并把狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給機(jī)電管理系統(tǒng)顯示，同時(shí)通過警報(bào)裝置顯示供電系統(tǒng)的故障信號(hào)[2]。

針對(duì)BPCU的功能和性能，本文構(gòu)建了多電飛機(jī)BPCU測(cè)試平臺(tái)的電網(wǎng)控制邏輯架構(gòu)以及通訊系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 BPCU 測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

BPCU測(cè)試平臺(tái)的通訊系統(tǒng)主要由通訊管理計(jì)算機(jī)完成信息的管理和傳輸。測(cè)試系統(tǒng)的通訊程序由兩部分構(gòu)成：

1)通訊管理計(jì)算機(jī)通過AFDX總線與AFDX交換機(jī)連接，通過AFDX交換機(jī)，通訊管理計(jì)算機(jī)可以與多個(gè)終端進(jìn)行通訊。本文的測(cè)試系統(tǒng)中BPCU包括左BPCU(LBPCU)與右BPCU(RBPCU)。另外，兩臺(tái)BPCU也通過TTP/C總線與通訊管理計(jì)算機(jī)連接，將LBPCU和RBPCU作為TTP/C總線的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)BPCU之間的信息交互[3]。

2)通訊管理計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)線纜與以太網(wǎng)交換機(jī)連接，通過以太網(wǎng)交換機(jī)，與電網(wǎng)管理計(jì)算機(jī)以及測(cè)試管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。電網(wǎng)管理計(jì)算機(jī)執(zhí)行的任務(wù)主要包括：控制模擬電網(wǎng)及程控電源，通過LabVIEW軟件控制模擬電網(wǎng)運(yùn)行于匯流條有電與沒電狀態(tài)，并模擬二次電源運(yùn)行、電流狀態(tài)、接觸器狀態(tài)等。測(cè)試管理計(jì)算機(jī)執(zhí)行的任務(wù)主要包括：自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目的管理以及電網(wǎng)狀態(tài)的檢測(cè)，通過LabVIEW界面顯示模擬電網(wǎng)運(yùn)行的情況。

表1 通訊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

2 ARINC664雙端口終端網(wǎng)卡

測(cè)試平臺(tái)通訊管理計(jì)算機(jī)使用的AFDX通訊板卡為ARINC664高性能 AFDX 終端網(wǎng)卡，主要實(shí)現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸功能。

PCI/PMC/PXI-3500板卡的系統(tǒng)如圖2所示，主要由前面板接口、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、FPGA控制模塊和 PCI橋芯片模塊組成。其中，網(wǎng)絡(luò)接口模塊提供相互獨(dú)立的兩路發(fā)送通道和兩路接收通道，也可以作為一對(duì)冗余端口使用。通過 HDMI 接插件可以提供IRIG-B時(shí)鐘同步接口，TRIG觸發(fā)輸入和輸出，RS232接口。網(wǎng)絡(luò)接口模塊與PCI橋芯片間的通信由FPGA控制。ARINC664提供了DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過調(diào)用CAPI函數(shù)可以方便地使用板卡的相應(yīng)功能。所有的C-API函數(shù)及其所需參數(shù)都在頭文件AFDX_Card.h中有定義。

3 通訊程序軟件設(shè)計(jì)

與通訊管理計(jì)算機(jī)相互連接的終端包括兩臺(tái)管理計(jì)算機(jī)和兩臺(tái)BPCU，其中兩臺(tái)管理計(jì)算機(jī)基于windows操作系統(tǒng)，使用Labview編程；BPCU基于Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用VC++環(huán)境編程。針對(duì)通訊終端的不同操作環(huán)境，通訊管理計(jì)算機(jī)選擇windows操作系統(tǒng)，采用VC++環(huán)境設(shè)計(jì)軟件程序，利用接口函數(shù)將多種通訊技術(shù)結(jié)合提高通訊效率。

3.1 Windows系統(tǒng)下以太網(wǎng)通訊

圖3顯示了通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行信息傳輸?shù)娜_(tái)管理計(jì)算機(jī)的連接方式，包括主機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī)中的協(xié)議、通訊程序與Winsock API之間的關(guān)系。通訊程序通過Winsock API以虛擬的方式訪問UDP/TCP提供的服務(wù)。

圖3 使用winsock以太網(wǎng)通訊框圖

套接字是支持TCP/IP通信的基本操作單元，windows系統(tǒng)下使用的winsock是網(wǎng)絡(luò)編程的規(guī)范，同時(shí)也是一種標(biāo)準(zhǔn)API和網(wǎng)絡(luò)編程接口。套接字通訊可以分為兩種，即面向連接的套接字(TCP)和面向無連接的套接字(UDP)，為不同需求的通訊程序提供了解決手段[4]。圖4是面向無連接的套接字通信工作的流程和基本原理。

圖4 面向無連接的套接字通信工作的流程

通常情況下，Ethernet通訊使用TCP協(xié)議，由于TCP通訊需先建立USER與SERVER之間的連接，因此能保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。而UDP協(xié)議由于保證實(shí)時(shí)性和高效性而犧牲了傳輸?shù)目煽啃裕邮斩藷o法保證能夠準(zhǔn)確接收到對(duì)應(yīng)發(fā)送端的信息。但AFDX使用冗余管理的方式克服了UDP通訊的可靠性問題，因此本程序中以太網(wǎng)通訊也選用UDP保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，對(duì)于可能出現(xiàn)的丟包、誤碼情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試后判斷是否滿足要求[2]。

3.2 AFDX冗余通訊管理

AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)即航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)，是在以太網(wǎng)(IEEE 802.3)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種確定性網(wǎng)絡(luò)，遵循ARINC664協(xié)議的定義，主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性[5]。AFDX系統(tǒng)由終端機(jī)、AFDX交換機(jī)和VL鏈路組成，采用全雙工(Full Duplex)方式連接，如圖5所示。

圖5 航空電子AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)

AFDX終端一般是指符合ARINC664標(biāo)準(zhǔn)的板卡，板卡為用戶提供了API函數(shù)接口，方便了各設(shè)備的通訊程序編寫。AFDX交換機(jī)是在以太網(wǎng)交換機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，能實(shí)現(xiàn)全雙工互聯(lián)的設(shè)備，主要完成Ethernet數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的功能。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用動(dòng)態(tài)路由的尋址方式使得傳輸路徑不確定，而AFDX網(wǎng)絡(luò)是一種確定性網(wǎng)絡(luò)，采用虛鏈路來實(shí)現(xiàn)路由的選擇，虛鏈路VL將一條物理鏈路分成多條邏輯上獨(dú)立的 VL，每條VL都有其獨(dú)立的參數(shù)，通過這些參數(shù)的設(shè)置來控制數(shù)據(jù)在VL上的傳輸[6]。

本測(cè)試系統(tǒng)的通訊軟件使用ARINC664終端網(wǎng)卡提供的API函數(shù)庫(kù)。函數(shù)庫(kù)中包含消息發(fā)送函數(shù)AfdxCardComSendMsg以及消息接受函數(shù)AfdxCardComRecvMsg，因此在編程過程中無需重復(fù)以太網(wǎng)通訊的調(diào)用winsock API設(shè)置UDP端口的工作。

調(diào)用板卡API時(shí)，需要對(duì)AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)的雙余度冗余管理模式進(jìn)行設(shè)置。雙余度冗余通訊是指AFDX通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)置多條通訊鏈路，兩個(gè)終端在傳輸信息時(shí)一般由兩條鏈路同時(shí)傳輸相同信息，保證數(shù)據(jù)不會(huì)由于意外或傳輸?shù)牟环€(wěn)定性而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，這樣可以有效地避免UDP通訊的不可靠性對(duì)系統(tǒng)造成的影響，如圖6所示。

圖6 冗余管理示意圖

根據(jù)ARINC664終端網(wǎng)卡提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TAfdxVlCfg中定義的網(wǎng)絡(luò)完整性校驗(yàn)使能參數(shù)、冗余使能參數(shù)以及最大Skew值，冗余管理需要經(jīng)過完整性檢查和冗余判斷兩個(gè)步驟。AFDX在打包數(shù)據(jù)幀過程中封裝了一個(gè)8位的幀序列號(hào)SN，完整性檢測(cè)模塊就是通過PSN(即同一VL中前一幀的SN)判斷該數(shù)據(jù)幀是否有效。通過完整性檢查的幀需再進(jìn)行冗余管理[1]。

最大skew值(nSkewMax)指互為冗余的幀最大允許的傳輸時(shí)間間隔，通過檢測(cè)兩個(gè)有效幀之間的時(shí)間間隔判斷其是否互為冗余。程序中設(shè)置nSkewMax=100，即間隔時(shí)間不超過100毫秒即為冗余幀。由數(shù)據(jù)幀的SN值判斷其有效性，再由兩個(gè)有效數(shù)據(jù)幀的接受時(shí)間間隔判斷是否互為冗余幀，即為程序的冗余管理策略，流程圖如圖7所示。

圖7 冗余管理算法流程圖

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)EAfdxRxMibType中包含各種不同情況下數(shù)據(jù)幀丟棄的類型，包括端口未使能丟棄幀、SN錯(cuò)誤丟棄幀、冗余錯(cuò)誤丟棄幀等，程序中添加查看信息代碼，以識(shí)別不同情況下丟棄數(shù)據(jù)幀的原因。

另外，針對(duì)多電飛機(jī)中的重要供電部分，配電系統(tǒng)設(shè)置了雙BPCU的冗余管理，即LBPCU和RBPCU均傳輸對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)至測(cè)試系統(tǒng)中，構(gòu)成雙余度的管理系統(tǒng)。

因此在AFDX雙網(wǎng)絡(luò)冗余的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)雙BPCU冗余通訊進(jìn)行管理。首先定義RBPCU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)高于LBPCU。當(dāng)兩個(gè)BPCU同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至通訊管理計(jì)算機(jī)時(shí)，先判斷信息有效性，若兩個(gè)BPCU的信息均有效，且字符串內(nèi)容相同時(shí)，丟棄LBPCU的信息，并傳輸相應(yīng)的信息給測(cè)試管理計(jì)算機(jī)[7]。

3.3 多線程通訊任務(wù)

單while循環(huán)下的通訊任務(wù)能夠完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，但由于recv函數(shù)與send函數(shù)相互阻塞，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)信息的單獨(dú)接收和發(fā)送。另外由于通訊管理計(jì)算機(jī)是BPCU測(cè)試平臺(tái)通訊網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點(diǎn)，完成的任務(wù)為各終端信息的相互傳遞工作，為保證軟件的運(yùn)行效率和通訊轉(zhuǎn)發(fā)的速率，需要使用多線程同步通訊技術(shù)。

為了防止將主線程設(shè)為任意一條通訊線路可能造成的阻塞情況，在主線程中使用函數(shù)WaitForMultipleObjects確保子線程之間能同步執(zhí)行，主線程監(jiān)視每一個(gè)子線程的執(zhí)行情況，并且無限期等待子線程執(zhí)行，確保傳輸數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。當(dāng)通訊線程數(shù)不確定的情況下，可在主線程中使用while函數(shù)循環(huán)創(chuàng)建線程，但是while循環(huán)可能造成線程擁堵以及重復(fù)創(chuàng)建線程浪費(fèi)資源的情況。本程序中主要執(zhí)行的子線程通訊任務(wù)如圖8所示，包括兩臺(tái)BPCU之間的通訊、BPCU與測(cè)試管理計(jì)算機(jī)之間的通訊、測(cè)試管理計(jì)算機(jī)向電網(wǎng)管理計(jì)算機(jī)發(fā)送信息，通訊線程為6條，因此可以直接使用線程組進(jìn)行管理，避免了擁堵和浪費(fèi)資源的情況。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互通訊分為兩條互斥的子線程，使用CCriticalSection類來控制鏈表，構(gòu)建數(shù)據(jù)臨界區(qū)，保護(hù)線程的共享數(shù)據(jù)在通訊過程中的安全性。

圖8 線程通訊任務(wù)

3.4 通訊程序優(yōu)化

針對(duì)多電飛機(jī)BPCU通訊程序的需求，子線程中將BPCU發(fā)送函數(shù)AfdxCardComSendMsg與測(cè)試管理計(jì)算機(jī)接收函數(shù)Recv放在一個(gè)While循環(huán)中即一個(gè)子線程完成BPCU發(fā)送的信息接收、信息反饋處理、將處理過的信息返回給測(cè)試管理計(jì)算機(jī)的任務(wù)，如圖9所示。該方案可將發(fā)送與接收兩個(gè)線程并為同一線程，同時(shí)可以保證接收信息經(jīng)過處理后發(fā)送，保證信息正確性，也節(jié)約了通訊計(jì)算機(jī)的線程資源。

圖9 子線程通訊流程

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通訊程序可能出現(xiàn)的問題包括：

1)無法與BPCU進(jìn)行信息交互。

2)接收的數(shù)據(jù)被截?cái)啵虬l(fā)送數(shù)據(jù)被置零。

實(shí)現(xiàn)AFDX通訊的關(guān)鍵參數(shù)包括終端機(jī)的IP地址、使用的UDP號(hào)以及VL鏈路號(hào)。對(duì)于不同的ARINC664板卡，IP地址的設(shè)置方式存在差異，本測(cè)試系統(tǒng)使用的板卡IP地址為10.ES高八位.ES低八位.分區(qū)號(hào)，ES以及分區(qū)ID均在程序中有對(duì)應(yīng)的定義。當(dāng)兩個(gè)終端機(jī)的通訊程序中，IP地址設(shè)置為對(duì)方的IP，且UDP號(hào)與VL鏈路號(hào)均相同時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)通訊功能。因此針對(duì)不同的BPCU，需了解其程序中的具體設(shè)置[8]。

根據(jù)BPCU信息傳輸協(xié)議，AFDX通訊系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為char型字符串，每一位字符均為0x00格式。對(duì)于char型字符串，0x00字符即為’