基于PXI 總線和反射內存網的接口測試系統設計

文/劉賢敏 周章勇（國營蕪湖機械廠）

某飛控仿真系統主要完成飛控系統相關部件的總裝前檢測，并支持操作員訓練或試飛過程中系統故障的再現及排故驗證。該飛控仿真系統包含兩種試驗模式：全數字仿真實驗和半物理閉環仿真實驗。為實現這兩種模式，需設計接口測試系統，實現飛控仿真系統信號在不同設備之間的切換、通斷和轉接。

飛控系統為強實時系統，反射內存網具有傳輸確定性、傳輸延遲穩定性、可靠性、支持跨平臺的優點，在實時系統中運用較多。PXI 總線檢測系統由于其開放的架構和成熟的體系，使測試系統的構建能采用最先進商業化的硬件和軟件技術，成為目前一種主流的測量和自動化系統運載平臺。PXI 總線檢測系統和反射內存網組合可滿足飛控仿真系統可擴展性和實時性。

本文提出了基于PXI 總線和反射內存網構建接口測試系統的方法，以解決在實時狀態下的信號管理問題。接口測試系統采用PXI 總線架構，上下位機布置，并用Lab-ViewRT 作為下位機的實時操作系統，通過GE-5565 反射內存卡構建的實時網與仿真系統進行數據交互。

一、系統整體方案設計

某型機飛控仿真系統包含駕駛員操作裝置（PCU 傳感器、開關信號）、飛控系統成品、飛控仿真系統、飛行仿真系統、電傳試驗器（電傳計算機）、伺服作動器等。飛控仿真系統信號數據交聯關系如圖1 所示。

圖1 飛控仿真系統信號數據交聯關系

該系統包含兩種模式，全數字仿真試驗模式下，接口測試系統采集駕駛員操作裝置（模擬量和離散量）轉化成反射內存網數據，供給飛控仿真系統（飛控控制律）和飛行仿真系統（飛機仿真）使用。

半物理仿真下，駕駛桿等人機交互信息可通過真實機載設備發出，經電傳試驗器（電傳計算機）到伺服系統；或經反射內存網軟件數據注入方式，經接口測試系統轉化為模擬量、總線數據供電傳試驗器（電傳計算機）、伺服系統使用。

接口測試系統功能需求如下：

傳感器信號的采集功能。傳感器主要包含駕駛桿傳感器、油門、角位置傳感器等，該類信號一般為模擬量。

仿真信號的生成和注入功能。飛控系統與航電系統有大量的信號交聯，本實驗臺針對航電系統的各類信號進行仿真，該類信號一般為總線數據。

仿真機載設備數據與仿真數據之間的切換功能。系統具有全數字仿真模式和半物理仿真模式，兩個模式切換，信號源也隨之改變，需同步切換。

各類信號數據的并發控制和通信。接口測試系統處理的信號有總線數據、模擬數據、離散量數據等，涉及的設備有激勵器設備、傳感器、電傳試驗器等。各類設備的通信方式不一樣，因此需要對各類數據統一管理和通信。

為實現以上功能，接口測試系統將信號分為總線數據和非總線數據。上位機實現信號的配置、監控和注入。兩個下位機，一個負責非總線數據的處理，一個負責總線數據的處理。為滿足系統的實時性，通過GE-5565 反射內存卡構建的實時網與仿真系統進行數據交互。

二、系統硬件設計

接口測試系統由一臺上位機和兩臺下位機（NI 工控機）組成，上、下位機之間采用以太網進行數據傳輸。下位機分為總線數據下位機和非總線數據下位機。

接口測試系統核心為信號的處理，該系統信號具體可分為傳感器檢測模塊、伺服系統模塊、顯示控制模塊和綜合檢測模塊四個模塊。進一步分析各個模塊，發現各個模塊中主要含直流、交流、離散量和總線量。具體見表1。

表1 接口測試系統信號一覽表（單位：個）

數據分析、接口測試系統需要處理的信號有離散量、直流量、總線量。電傳系統部分傳感器為4 余度，根據信號的數量可以梳理硬件的需求。

非總線下位機，主要由PIORC5565 反射內存卡、PXI-6251 多功能卡、PXI-1044 控制器、PXI-6733 高速模擬輸出卡、PXI-4462 交流采集卡和PXI-8110 控制器構成，主要完成PCU信號的采集、飛機數據與實時網（反射內存網）之間的交互，并將實時網的數據信號轉化為模擬量輸出給電傳試驗器。總線下位機主要有PXI-8431 串口通信板卡、PXI-8110 控制器、PIORC5565 反射內存卡、PXI-ARINC 429（429 板卡）和PXI-MIL-STD-1553 多功能1553 板卡，主要完成飛控系統與外系統交聯數據的仿真、實時網數據與飛控仿真數據交互。硬件框圖如圖2 所示。

圖2 接口測試系統硬件圖

三、系統軟件設計

本接口測試系統的軟件分為上位機運用軟件、總線下位機應用軟件和非總線下位機應用軟件。為方便各類信號的格式通信轉化，上位機將ICD通過XML文件描述。上下位機軟件均基于LabView平臺開發，運行在Windows 操作系統中，下位機運行在LabViewRT實時操作系統中。當進行試驗時，由試驗人員將執行程序裝至下位機，執行程序在LabViewRT實時操作系統中實時運行。

1.非總線數據

非總線數據主要包含直流信號、交流信號和離散量信號，主要有三個功能：數據采集、數據與反射內存網交互和反射內存網數據轉換為模擬量發送給電傳試驗器。

上位機完成與下位機數據收發相關的配置、控制信息的設置，信息通過XML 文件傳遞給下位機、同時獲取監控和顯示所需的數據信息。下位機啟動PXI 類的接口控制程序，完成數據收發工作。并在時序的控制下，將收發數據寫入指定的監控數組。軟件流程如圖3 所示。

圖3 非總線數據流程

2.總線數據

總線數據接口處理主要包含數據仿真和數據以429、1553B協議發送給電傳試驗器兩個功能。上位機完成總線仿真數據的配置，并將配置傳遞到下位機，總線下位機利用獲取的配置文件和控制數據設置相應的總線卡控制程序，啟動相應總線數據收發控制；在時序控制等下位機公共程序的協同下，總線和非總線下位機完成數據同實時網的交互，完成數據通過板卡與外部設備的交互，并利用監控模塊生成監控數據，軟件流程如圖4 所示。

圖4 實時操作系統流程

3.反射內存網

本接口測試系統作為飛控仿真系統的一個重要組成部分，是整個網絡中的一個節點。系統采用GE 公司的VMIC-5565 搭建反射內存網。該板卡的特點為2.12 G串行波特率、更佳的可編程IO(PIO)讀取性能。反射內存網可擴展到256 個節點，有兩個獨立直接內存存取（Direct Memory Access，DMA）通道，通過簡單的命令，網上任何節點可以對其他或所有網上節點產生中斷。

軟件使用LabView，接口測試系統中包含上位機和兩個下位機。反射內存通信載體PIORC5565 提供了完整的底層驅動程序，包含GE5565 OPEN、GE5565 PEAK、GE5565 POKE、GE5565 READ、GE5565 WRITE 等。為保證接口測試系統的實時性，本系統進行了統一的時序管理和時間分配，實現了以1 ms 為基本單位的多周期協同控制。

四、實驗結果與分析

本接口測試系統完成了模擬數據、開關數據、總線數據在不同設備之間的切換、通斷和轉換。為滿足仿真系統的實時性，系統模擬量數據采集周期為1 ms，429 總線傳輸周期選擇5 ms，1553B總線傳輸周期為50 ms。實驗證明，該系統能較好地滿足飛控系統全物理仿真和半物理仿真實驗需求，同時支持傳感器等飛行參數的軟件注入，相比傳統飛控系統真實傳感器輸入，提高了實驗的效率。

五、結語

本接口測試系統涉及大量信號采集、切換、通斷和控制。數據信號來源有PCU傳感器、飛控系統的成品、飛行仿真系統仿真和飛控試驗器。數據的類型有模擬、數字、總線等。為實現眾多信號的管理，系統硬件設計采用PXI 總線架構和上下位機設置，而基于LabViewRT實時操作系統的軟件設計和反射內存卡構建的實時網也最大限度地保證了飛控仿真系統的實時性。