崔 萌,王健雄,汪智超,張 旸

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院,北京 100094;2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;3.海裝武漢局,湖北 武漢 430000;4.海軍研究院,上海 200443

0 引言

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展,航空領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)據(jù)傳輸和通信的需求變得越來(lái)越重要和復(fù)雜[1]。在過(guò)去的幾十年里,航空領(lǐng)域一直使用RS422、ARINC429、GJB289A等總線系統(tǒng)來(lái)傳輸和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。然而,隨著直升機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜化和數(shù)據(jù)量的增加,這些總線的局限性逐漸顯現(xiàn)出來(lái),如帶寬瓶頸、信號(hào)干擾、布線復(fù)雜等。為了克服這些問(wèn)題,航空工程師們開(kāi)始研究和應(yīng)用基于光纖通道技術(shù)的FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

FC網(wǎng)絡(luò)是一種高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),它采用光纖通道技術(shù)和高速串行傳輸方式,能夠滿足航空領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸速度、帶寬和可靠性的要求[2]。相比傳統(tǒng)的總線系統(tǒng),FC網(wǎng)絡(luò)具有更高的傳輸速度、更低的延遲和更強(qiáng)的抗干擾能力,能夠滿足航空領(lǐng)域?qū)Υ髷?shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)和可靠的數(shù)據(jù)傳輸要求。為實(shí)時(shí)監(jiān)控FC網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸情況和設(shè)備故障等信息,并進(jìn)一步提升直升機(jī)安全性和性能,研究和設(shè)計(jì)了一款面向FC網(wǎng)絡(luò)的通用監(jiān)控器。

1 監(jiān)控器功能需求分析

航電系統(tǒng)的功能復(fù)雜化,導(dǎo)致在航電聯(lián)試、外場(chǎng)試驗(yàn)排故或者地保人員維護(hù)機(jī)載產(chǎn)品時(shí),使用FC網(wǎng)絡(luò)通信的直升機(jī)機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸量增大,因而對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器的需求越來(lái)越迫切。同時(shí),當(dāng)今在航空領(lǐng)域中,不同機(jī)型需要配備對(duì)應(yīng)機(jī)型的FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器,尚未做到一款監(jiān)控器多機(jī)型使用,以至于在不同機(jī)型試驗(yàn)時(shí)需要開(kāi)發(fā)完善對(duì)應(yīng)機(jī)型的FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器。此外,現(xiàn)階段不同的FC網(wǎng)絡(luò)采集卡配置不相同,致使需要重新開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)適配的FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器,監(jiān)控器使用效率有待提高。

針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一款面向FC網(wǎng)絡(luò)的機(jī)載通用監(jiān)控器,適配不同機(jī)型試驗(yàn)。基于模型的傳遞,通過(guò)讀取總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出的XML格式的ICD接口控制文件,監(jiān)控器軟件可自適應(yīng)生成人機(jī)交互的可視化界面,供選擇和查看所需要監(jiān)控的解析數(shù)據(jù)。并且,為提高使用效率,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器自動(dòng)識(shí)別底層硬件所使用的采集卡,然后進(jìn)行相匹配的FC采集卡使能配置。而且,為方便對(duì)各種類型總線監(jiān)控器統(tǒng)型,包括RS422、ARINC429、GJB289A等總線監(jiān)控器,在設(shè)計(jì)FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器時(shí)增加了對(duì)不同類型總線監(jiān)控的軟件和硬件拓展接口,使FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器兼具可適配不同機(jī)型、不同設(shè)備、不同采集板卡和可切換不同總線監(jiān)控的功能,具有高通用性,如圖1。

圖1 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器需求功能示意圖

2 監(jiān)控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 監(jiān)控器總體設(shè)計(jì)

FC網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)機(jī)載數(shù)據(jù)總線的首選,越來(lái)越多的航空單位已經(jīng)展開(kāi)對(duì)其的研究與應(yīng)用[3]。FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器是在FC網(wǎng)絡(luò)的航電聯(lián)試環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。如圖2,一套完整的航電系統(tǒng)與FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器需要以下部分:FC交換機(jī)、使用FC網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備、FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)(含F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)采集板卡)。

圖2 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)圖

面向FC網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控器采用分層化設(shè)計(jì),分為物理層、中間層、應(yīng)用層,如圖3。

圖3 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)圖

其中,物理層為硬件部分,包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)和FC網(wǎng)絡(luò)采集板卡等,為FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器提供硬件的性能支持,保障監(jiān)控器的正常運(yùn)行。

中間層是連接物理層和應(yīng)用層的橋梁,提供了板卡驅(qū)動(dòng)、控制板卡指令和采集板卡數(shù)據(jù)的接口。中間層統(tǒng)一了物理層對(duì)應(yīng)用層的接口,當(dāng)物理層使用不同型號(hào)的總線采集板卡時(shí),應(yīng)用層無(wú)需升級(jí)軟件,通過(guò)中間層直接調(diào)用不同的物理層板卡驅(qū)動(dòng),采集總線數(shù)據(jù)。面向FC網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控器,中間層可支持提供FC網(wǎng)絡(luò)采集板卡從物理層到應(yīng)用層的接口。增加不同類型總線的采集功能,可在中間層進(jìn)行拓展實(shí)現(xiàn)。

最頂層為應(yīng)用層,負(fù)責(zé)人機(jī)交互的UI界面設(shè)計(jì)、FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理和顯示等功能開(kāi)發(fā)。應(yīng)用層的軟件采用模塊化設(shè)計(jì),使軟件各功能模塊相互獨(dú)立,修改或新增單個(gè)模塊時(shí)各個(gè)模塊之間不受影響。軟件模塊包括:初始化模塊、讀取ICD模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、啟動(dòng)板卡模塊、數(shù)據(jù)采集解析和保存模塊、數(shù)據(jù)回放模塊,如圖4。

圖4 應(yīng)用層軟件模塊劃分圖

2.2 監(jiān)控器硬件配置

FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器的硬件配置是確保其正常運(yùn)行和高效監(jiān)控的關(guān)鍵。該系統(tǒng)FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用Windows 7操作系統(tǒng),FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡包括硬件板卡、驅(qū)動(dòng)和FPGA邏輯,具有4路光路口,具備FC-AE-ASM數(shù)據(jù)采集功能,光接口速率為2.125 Gbps。在此環(huán)境下,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器能夠穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

監(jiān)控器與受試系統(tǒng)的連接方式:使用光纖線纜直接對(duì)接系統(tǒng)交換機(jī)的監(jiān)控口(推薦);通過(guò)兩受試設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)搭接分光器與監(jiān)控器,用光纖線纜連接。

2.3 監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)

FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器的核心是應(yīng)用層的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):使用軟件自動(dòng)識(shí)別底層硬件板卡,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器進(jìn)行板卡自適應(yīng)初始化;利用讀取的不同機(jī)型的XML文件,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器可敏捷適配不同機(jī)型,不同系統(tǒng)設(shè)備;通過(guò)設(shè)計(jì)人機(jī)交互式UI界面,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器可將不同系統(tǒng)XML文件兼容顯示在可視化界面上,同時(shí)靈活選擇所監(jiān)控的FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),清晰地查看數(shù)據(jù)解析并回放,一幀一幀查看、分析數(shù)據(jù)等。FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器是在Windows 7操作系統(tǒng)下使用QT的C++語(yǔ)言聯(lián)試開(kāi)發(fā)。軟件運(yùn)行主要包括如圖5的流程,圖中的各個(gè)步驟對(duì)應(yīng)著圖4中提到的不同軟件模塊的功能。

圖5 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器軟件運(yùn)行流程圖

初始化模塊自動(dòng)識(shí)別底層硬件FC網(wǎng)絡(luò)采集卡,進(jìn)行相匹配的板卡初始化,可通用于不同廠商的FC網(wǎng)絡(luò)采集卡。同時(shí),模塊對(duì)UI界面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),使UI界面具備根據(jù)導(dǎo)入不同機(jī)型、不同系統(tǒng)的XML文件自動(dòng)生成直觀的人機(jī)交互式界面。

讀取ICD模塊能夠讀取不同機(jī)型、不同系統(tǒng)總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出XML文件的ICD接口控制文件,提取FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集解析的關(guān)鍵信息,將信息傳遞給UI畫面自適應(yīng)更新數(shù)據(jù)顯示,同時(shí)可根據(jù)ICD信息對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

系統(tǒng)設(shè)置模塊可根據(jù)使用需求靈活配置板卡參數(shù)和數(shù)據(jù)保存設(shè)置。同時(shí),針對(duì)統(tǒng)型不同總線監(jiān)控的需求,系統(tǒng)設(shè)置中預(yù)留了相關(guān)拓展接口。

啟動(dòng)板卡模塊結(jié)合系統(tǒng)設(shè)置模塊的參數(shù),便捷地啟動(dòng)FC網(wǎng)絡(luò)采集板卡,為數(shù)據(jù)采集做準(zhǔn)備。

數(shù)據(jù)采集解析和保存模塊是FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的核心模塊。如圖6,該模塊的主要邏輯是通過(guò)調(diào)用中間層的接口讀取物理層FC網(wǎng)絡(luò)緩存區(qū)50 ms周期內(nèi)的全部數(shù)據(jù);接著在全部數(shù)據(jù)中匹配數(shù)據(jù)幀頭,獲取幀頭位置,再按照ICD協(xié)議要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。此外,數(shù)據(jù)采集解析和保存模塊會(huì)根據(jù)保存數(shù)據(jù)設(shè)置,創(chuàng)建需保存的二進(jìn)制文件,采集數(shù)據(jù)的同時(shí)寫入數(shù)據(jù),在結(jié)束采集時(shí)保存并關(guān)閉文件。

圖6 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器軟件邏輯圖

數(shù)據(jù)回放模塊與數(shù)據(jù)采集解析和保存模塊的區(qū)別在于數(shù)據(jù)回放模塊通過(guò)讀取過(guò)去采集時(shí)保存的二進(jìn)制文件解析回放相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)回放模塊的回放功能具備第一幀、上一幀、下一幀、最后一幀、跳轉(zhuǎn)指定幀的功能。

3 監(jiān)控器試驗(yàn)情況

現(xiàn)階段FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器已經(jīng)參與直升機(jī)航電系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn),其中的一個(gè)項(xiàng)目中FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器已投入外場(chǎng)作為地面保障設(shè)備供地勤人員使用。打開(kāi)FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器主畫面如圖7。

圖7 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器軟件主畫面

單擊工具欄中的“打開(kāi)ICD”,軟件自動(dòng)讀取不同機(jī)型、設(shè)備的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出XML格式的ICD數(shù)據(jù)文件,提取其ICD關(guān)鍵信息進(jìn)行可視化顯示,可靈活選擇試驗(yàn)的應(yīng)用消息塊進(jìn)行監(jiān)控,如圖8。

圖8 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器讀取ICD數(shù)據(jù)文件后選擇應(yīng)用消息塊畫面

根據(jù)試驗(yàn)需要,配置FC網(wǎng)絡(luò)采集卡的監(jiān)控通道,選擇是否需要保存數(shù)據(jù),設(shè)置監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保存路徑,如圖9。

圖9 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器系統(tǒng)設(shè)置畫面

FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器開(kāi)始采集后,實(shí)時(shí)采集所選擇的應(yīng)用消息塊數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示,如圖10。

停止采集后,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器根據(jù)需要自動(dòng)保存監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

單擊 “數(shù)據(jù)選擇”進(jìn)行數(shù)據(jù)回放,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器會(huì)自動(dòng)激活相應(yīng)的工具欄按鍵,然后便可一幀一幀或者跳轉(zhuǎn)指定幀進(jìn)行數(shù)據(jù)查看,如圖11。

圖11 FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器數(shù)據(jù)回放畫面

在相關(guān)試驗(yàn)期間,FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器能自適應(yīng)板卡初始化,通過(guò)讀取XML文件適配該機(jī)型試驗(yàn),并能正常進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放等功能。UI界面便捷人機(jī)信息交互,能及時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)解析數(shù)據(jù)進(jìn)行查看分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航電聯(lián)試、外場(chǎng)試驗(yàn)排故或地保人員維護(hù)機(jī)載產(chǎn)品,設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一款面向FC網(wǎng)絡(luò)的通用監(jiān)控器,可自動(dòng)識(shí)別底層硬件板卡并自適應(yīng)初始化,讀取不同機(jī)型的XML文件敏捷適配不同機(jī)型、不同系統(tǒng)設(shè)備。通過(guò)設(shè)計(jì)人機(jī)交互式UI界面將不同系統(tǒng)ICD信息兼容顯示在可視化界面上,并正確采集、解析其FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),根據(jù)需要保存數(shù)據(jù),回放查看。該設(shè)計(jì)極大地減輕了航空試驗(yàn)監(jiān)測(cè)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān),提高了FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)試驗(yàn)和排故的效率和可靠性。FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器已參與多個(gè)機(jī)型聯(lián)試試驗(yàn),在機(jī)載地面保障設(shè)備中使用,在試驗(yàn)排故和地面保障扮演著重要角色,取得了不錯(cuò)的成效。同時(shí),FC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器也預(yù)留了拓展不同總線數(shù)據(jù)采集、解析的接口,為未來(lái)直升機(jī)研究和應(yīng)用總線監(jiān)控器統(tǒng)型提供了更多參考價(jià)值。