大數據量低延時航電中繼系統設計與實現

樊智勇 魯 彥 劉 濤

1(中國民航大學工程技術訓練中心 天津 300300)2(中國民航大學電子信息與自動化學院 天津 300300)

0 引 言

民用飛機航空電子系統主要由通信、導航、自動飛行、綜合顯示等系統組成，其數據交聯關系復雜，系統間數據交互量巨大[1]。近年來，民用飛機航電系統的升級改裝需求逐漸增加，其改裝方案評估需要在集成測試系統中進行大量數據交互[2-3]。為了解決集成測試系統中數據交互時面臨的設備連接工作量大、易出錯等問題，本文設計了一種作為中間件的航電中繼系統。

1 系統定義及功能

航電中繼系統是指在集成測試中能將不同類型航電信號在位于不同物理空間的航電系統組件或半實物仿真器之間進行大數據量、低延遲相互轉發的中間件。針對集成測試數據交互需求的特點，航電中繼系統需具備4個功能：多并發通道的數據轉發；轉發延遲時間在毫秒量級；不同物理空間實驗室之間的傳輸距離可達數千米；轉發過程中數據易于集中監控。

在集成測試數據交互問題的研究方面，Pan等[4]在研究半實物仿真的實時數據傳輸問題時，提出了基于反射內存中斷的時鐘同步方法，實現微秒級延遲表明反射內存技術的低延遲和延遲確定性。Sakakura等[5]研究了基于反射分布式內存的數據管理方案，監控整個測試環境，并支持數據中心對數據的實時修改，表明反射內存網絡易于監控的特性。田赤軍等[6]研究了遠程實驗室協同仿真問題，實現了千米級跨區域實時數據共享，表明反射內存網遠程異地傳輸數據的優勢。黎凡等[7]設計了光纖反射內存卡，應用于傳輸大規模高清圖像，表明反射內存技術能進行大量數據傳輸。航電中繼系統選擇反射內存網絡構建其底層數據通信支撐實現4個功能。圖1為基于反射內存網的航電中繼系統的功能示意圖。

圖1 航電中繼系統的功能示意

航電中繼系統由終端和交換機構成，其傳輸介質為光纖，每個終端構型相同。不同實驗室的航電組件、半實物仿真器等只需和航電中繼系統的終端連接，即可實現數據的收發功能。終端所連設備改變時，航電中繼系統只需改變轉發配置軟件的設置，無須改變硬件布線。

2 系統設計

航電中繼系統需要確定硬件配置和反射內存分配。硬件配置是選擇進行集中監控和發布控制命令作用的計算機、運行轉發應用的終端計算機、反射內存交換機等硬件；反射內存分配是將硬件通道資源與反射內存一一對應。

2.1 硬件配置

如圖2所示，航電中繼系統由1臺配置管理計算機、6臺終端計算機和1臺反射內存交換機等組成。

圖2 航電中繼系統內部結構圖

配置管理計算機是標準工控機，包含反射內存卡(RFM卡)，通過以太網向終端機發布轉發配置命令、轉發應用的執行文件，通過本地反射內存卡對中繼的數據進行集中監控。終端計算機由處理器、反射內存卡、ARINC429卡、CAN總線板卡、串行總線(SIO)卡和離散量(DIO)卡組成，實現8通道ARINC429數據、2通道CAN數據、4通道SIO數據和32通道DIO數據的接收和轉發。反射內存交換機是一個8口的256 MB光纖交換機。

2.2 反射內存分配

根據民用飛機航電系統交互數據的類型可知，終端需要中繼四種類型數據。在集成測試過程中數據交互量大，為了避免數據在中繼過程中碰撞、丟失，同時充分利用反射內存，在反射內存分配時，進行四次分配，分配細化圖如圖3所示。不同終端機、不同型號板卡、不同通道(Channel)的讀和寫都對應不同的反射內存地址段，實現數據傳輸互不沖突。同時，反射內存網絡具有錯誤管理和檢測機制，保證數據無錯傳輸[8]。由于系統轉發數據量大，將每個通道讀或通道寫內存都設置一個FIFO隊列緩存，隊列長度為40個數據區大小。

圖3 反射內存分配細化圖

離散量(DIO)的分配方式不同于其他三種數據類型，其對應航電系統中的開關量，取值為0或1。由圖3可知，為使反射內存利用率最大，DIO第四次分配時按位分配。為DIO設置兩個FIFO隊列緩存，隊列長度為40×4字節。表1為DIO對應反射內存的FIFO存儲格式，數據區4字節為32位，對應Channel 0到Channel 31共32個發送通道或接收通道內存。

表1 DIO對應反射內存FIFO存儲格式

以ARINC429為例詳細說明終端FIFO間數據流向，ARINC429數據對應16個FIFO緩存隊列，終端板卡與反射內存FIFO間數據流向如圖4所示。ARINC429板卡每個通道的接收或發送FIFO均對應一個反射內存FIFO，終端系統從ARINC429板卡FIFO中讀數的原則是將前一個FIFO讀空，讀到的數均寫入其對應的反射內存FIFO，再將下一個FIFO讀空，寫入其對應反射內存FIFO。依此循環讀寫，直到板卡FIFO中無數據為止。終端VxWorks系統時鐘速率高于ARINC429板卡的硬件驅動程序執行速率，即外部組件發送數據存入ARINC429板卡FIFO的速率小于終端系統從中讀數速率，此設計是為了避免數據丟失。以此類推，終端系統將數據從反射內存FIFO寫入ARINC429板卡FIFO具有相同原理。

圖4 終端FIFO間數據流向示意

3 終端中繼轉發邏輯設計

終端計算機在VxWorks操作系統的控制下以系統時鐘速率輪詢反射內存和4種板卡各通道內存的數據情況，依據FIFO不同的狀態執行讀寫操作。中繼轉發邏輯由數據采集任務和數據激勵任務實現，VxWorks系統任務占據0到50的優先級值，驅動任務占據51到99的優先級值[9]，這兩個應用任務的優先級值均設為100。系統運行時，VxWorks按照先進先出原則調度這兩種任務。

以ARINC429為例闡述具體執行過程，圖5為數據采集任務的流程圖，其功能是使數據從接口板卡到反射內存。

圖5 ARINC429數據采集任務的流程圖

其執行過程如下：

(1) 終端機系統創建ARINC429數據采集任務。

(2) 終端機系統檢查ARINC429板卡各通道的狀態，若通道FIFO狀態不空，則使能讀FIFO數據函數(EnableReadFIFO)開始工作，終端機系統獲取待接收數據的通道號。若通道FIFO狀態為空，則在100次查詢后仍空時結束運行。

(3) 接收數據函數(ReceiveData)執行，控制終端機接收此ARINC429數據。

(4) 終端機將接收數據寫到反射內存對應通道讀地址，同時反射內存網絡在其共享內存機制的作用下，將此數據廣播到其他終端機反射內存卡的相同通道讀地址中。

(5) 終端機根據轉發配置文件判斷是否轉發此數據。若轉發，則轉發的目標終端機根據獲取的通道號等信息將此數據寫到對應通道反射內存通道寫地址中；若不轉發，則結束運行。

圖6為數據激勵任務的流程圖，其功能是使數據從反射內存到接口板卡。

圖6 ARINC429數據激勵任務的流程圖

其執行過程如下：

(1) 終端機系統創建ARINC429數據激勵任務。

(2) 每個終端的每個ARINC429板卡的每個通道輪詢反射內存通道寫地址是否有數據，若無數據，則結束執行；若有數據，則對應終端機系統讀取反射內存通道寫地址數據。

(3) 終端機系統輪詢ARINC429板卡各通道的狀態是否為滿。若通道FIFO狀態不滿，則調用數據發送函數(SendData)，將此數據寫到ARINC429板卡對應通道輸出端口內存中，然后板卡基于硬件操作將數據輸出給轉發對象。若通道FIFO狀態為滿，則在100次查詢后仍滿時結束運行。

(4) 采集任務和激勵任務均設定100次查詢的目的是防止沒有數據轉發時程序進入死循環，影響系統運行效率。

終端中繼轉發功能是由采集任務和激勵任務協作實現的，將ARINC429數據存入反射內存通道讀地址，反射內存網絡依據其自動更新機制將數據廣播到其他終端的同一反射內存通道讀地址中，所有終端系統依據轉發配置決定是否對本地反射內存通道寫地址執行寫數操作。

4 實 驗

4.1 延時分析

航電中繼系統數據轉發延遲時間T是指從輸入端發送數據至航電中繼系統轉發后輸出端接收到數據這兩個時刻的間隔時間，是衡量中繼系統性能的重要指標。

(1)

t1=m/B

(2)

式中：t1為操作系統控制處理器讀取以速率B發送的各類型數據的時間；m為一幀數據的位數；t2為航電中繼系統進行數據轉發時，終端操作系統執行讀操作命令要依次遍歷板卡通道的時間；t3為此過程中等待任務循環調度信號量的時間；t4為終端系統執行寫操作依次檢查板卡通道狀態的時間；t5為此過程中釋放信號量的時間；t6為單級反射內存交換機消耗的時間；t7為光纖傳輸時間。

4.2 實驗分析

系統驗證實驗以轉發ARINC429數據為例，測量擴展多個并發通道轉發大量數據的延遲時間，實驗結果取每個通道的延遲時間的平均值。采用長度為2 km的光纖，ARINC429信號發射器以12.5 kbit/s的速率發送數據，進行3組不同數據量的轉發實驗。

(1) 一對一轉發。將終端機1的ARINC429板卡8個通道輸入端口接ARINC429信號發射器，在配置管理計算機上設置轉發配置，將終端機1的8個通道輸入數據分別轉發給終端機2至6的8個通道。利用ARINC429信號接收器測量各通道輸出數據，結果均準確。利用示波器測量源信號和各通道轉發輸出信號的延遲時間，如圖7所示，a表示系統只轉發到終端機2的8個通道的延時均小于3.50 ms，b對應延時均小于3.42 ms，c對應延時均小于3.29 ms，d對應延時均小于3.36 ms，e對應延時均小于3.45 ms。因此，系統8個并發通道的數據轉發延時小于3.50 ms。

圖7 只轉發到一個終端的延遲時間

(2) 一對多轉發。終端機1的8個通道接ARINC429信號發射器，同時轉發給終端機2至6的40個通道。利用ARINC429信號接收器測量各通道輸出數據，結果均準確。利用示波器測量源信號和各通道轉發輸出信號的延遲時間，如圖8所示。圖中40個點對應時間均小于3.40 ms，即系統40個并發通道的數據轉發延時小于3.40 ms。

圖8 轉發到5個終端機40個并發通道延遲時間

(3) 多對多轉發。終端機1至6的48個通道接ARINC429信號發射器，同時轉發給終端機1至6的48個通道，6個終端相互轉發，任意一個目標通道只設置一個源通道對其轉發。利用ARINC429信號接收器測量目標通道輸出數據，結果均準確。利用示波器測量源信號和目標通道輸出信號的延遲時間，如圖9所示。圖中48個點對應時間均小于3.48 ms，即系統48個并發通道相互轉發的延時小于3.48 ms。

圖9 6個終端48個并發通道相互轉發延遲時間

實驗結果表明，系統中繼的并發通道數從8增加到48，轉發大量數據的延時T均小于3.50 ms。其中t1為2.56 ms，t6為2.00 μs，與反射內存技術有關[10]，t7為13.30 μs，t2至t5與終端系統效率有關，大小為微秒級。因此，固定延遲時間為2.58 ms，系統實際延時小于920.00 μs。

5 結 語

本文設計的航電中繼系統，實現了遠程異地進行ARINC429數據的40個(不包含本地終端)并發通道轉發、串行數據(SIO)的20個并發通道轉發、CAN數據的10個并發通道轉發、離散量(DIO)數據的160個并發通道轉發功能。該系統對4種類型數據均能夠以反射內存交換機級聯的方式擴展更多并發通道進行轉發，并且系統穩定運行的實際延遲時間為微秒級。航電中繼系統已應用于大型民用飛機航電系統升級改裝項目，項目研發效率顯著提高。