民机ARINC_664机载总线测试系统的设计_李新亮.pdf

国内外学者对航空总线的研究已经有很多年，大部分都是针对CAN总线、I2C总线、MIL-STD-1553B总线、ARINC 429总线，这些测试方法及测试用例对于ARINC 664总线的测试方法研究均有很高的借鉴价值。AFDX是新一代航空总线网络，ARINC 664总线协议最终由ARINC公司于2000年正式命名并成为行业规范，主要是对AFDX网络进行规范化的说明，使AFDX网络标准化。AFDX协议划分为5层：应用层、传输层、网际层、数据链路层和物理层，每一层都有相应的ARINC 664规范定义。在新一代大型客机设计和总装生产的过程中，对ARINC664总线测试的需求巨大。本文中研制的ARINC 664机载总线测试系统能够对大型客机高集成度模块航电系统的总线信号进行接收、监控、实时记录和数据回放，可应用于总装现场的功能试验排故过程。1机载总线测试方法研究现状文献1总结了一些通用的航空总线测试方法，实时测试是实时从总线上采集数据，并根据相应的ICD信息进行数据解析和比较分析，以此确定终端与子系统之间通过总线能否正确地收发数据。实时测试的一般流程如图1所示：图1实时测试的一般步骤文献2提出了一种ARINC 664测试环境，使用这些模块实现了一个互为冗余的总线测试系统硬件网络架构，系统架构如图2所示。2机载总线测试系统硬件平台设计根据文献2中提出的航空总线测试系统的框架，结合实际应用，搭建硬件平台，主要包含的硬件设备有：控制器、PXI机箱、AFDX数据接收板卡、上位控制机。按照可靠性设计要求，各部分都采购成熟货架产品，并按照硬件要求配置处理器、存储单元和IO扩展接口。提供远程控制等接口，支持未来的二次开发，工控机上部署基于模块化的航电系统故障分析智的能测控软件平台，安装AFDX总线监控软件。机箱提供AFDX总线监控资源，包括AFDX接口卡、机箱控制器以及电源模块等，其上部署智能测控软件平台节点控制软件。软件运行在控制器中，通过背板总线完成软硬件资源的交互，以及通过通信接口完成与外部系统的互联互通。民机 ARINC 664 机载总线测试系统的设计李新亮倪智煜（上海飞机制造有限公司，上海201324）Design of Airborne Bus Test System for Civil Aircraft ARINC 664摘要：随着国产民机制造技术的发展，ARINC 664机载总线网络将成为后续机型的主流配置，为满足生产现场地面功能试验过程中快速排故的需求，机载总线测试系统的设计与开发也迫在眉睫。通过设计开发ARINC 664机载总线ICD数据库，研制一套ARINC 664机载总线测试系统，实现ARINC 664机载总线总线的解析功能，可以有效分析机载系统故障产生的原因，实现综合航电系统的集成测试的优化，形成航电系统集成测试工艺试验验证能力，优化地面功能试验测试方法，提高功能试验排故效率。关键词：ARINC 664机载总线；总线测试；ICD数据库Abstract:With the development of domestic civil aircraft manufacturing technology,ARINC 664 airborne bus network willbecome the mainstream configuration of subsequent models.This paper designs and develops the ARINC 664 airborne busICD database,develops a set of ARINC 664 airborne bus test system,and realizes the analysis function of the ARINC 664airborne bus,can effectively analyze the causes of the airborne system failure,and realize the integrated avionics system.The optimization of the integrated test of the avionics system forms the verification capability of the avionics system integra-tion test process,improves the test method of the ground function test,and improves the efficiency of the function testtroubleshooting.Keywords:ARINC 664 Airborne bus,bus test,ICD database图2ARINC 664网络测试环境原理图民机ARINC 664机载总线测试系统的设计16工业控制计算机2023年第36卷第2期3机载总线ICD数据库设计通过软件与ICD数据库相关联的方法，将采集到的总线数据从ICD数据库中找到相应的信号定义，根据定义解析总线数据，判断总线数据正确性，将解析出的数据送到上一应用层显示和记录。对总线来说，数据被采集时是没有物理意义的源数据，如果要成为有意义的物理数据，那就必须把源数据根据规则解析，ICD文件就是规则的定义文件。本文中通过导入XML格式的ICD文件将解析规则导入到软件数据库，从而在设置时与每个物理字段相关联，完成数据解析。ICD文件描述飞机中所有航电设备运行参数信息，对于每个参数，ICD文件对其所有特性进行描述，比如在哪个设备中、在哪个应用中、物理总线的类型、特性值的范围等。通过把ICD文件导入至软件数据库，可以在测试时把ICD文件和ARINC664数据相关联，把原始数据解析为物理数据。3.1 ICD文件的导入ICD文件导入功能主要实现XML格式ICD文件的导入：可进行单个文件导入或者多个文件批量导入；对已导入的ICD文件进行验证、分类与显示；在ICD的导入过程中，显示导入进度。ICD导入时，导入的内容包括ID、名称、源地址、目的地址、标识信息、帧头、负载等，其中负载又包含信号（信号名、长度等）和域信息（域类型、长度、名称等）。3.2 ICD解析ICD解析模块通过导入的ICD信息，自动生成解包算法。算法由采集监控软件在数据监控过程中调用，用于对采集的数据进行解包，将解包后各数据域的值赋给对应的数据节点，最终通过监控界面显示。ICD文件格式主要为XML文件格式，XML格式的ICD文件解析流程如图3所示。3.3 ICD数据的管理ICD数据的存储主要依托数据库来完成，ICD数据库管理涉及数据库结构设计、ICD数据的分类，以实现ICD数据存储时数据库的建立、数据表的建立以及数据表之间的关系维护、数据表内字段的建立及维护。为了方便对ICD数据库进行管理，并且充分考虑各ICD信息数据的共性，将会对ICD数据结构进行规范化描述和处理，在逻辑上，将一条ICD信息作为一个帧结构，主要包含两个部分：帧头和负载。因此在ICD数据库管理时，将会在数据库中建立三个表：ICD_Info、ICD_Head、ICD_Payload。ICD_Info数据表主要存储ICD相关属性信息，包括消息名称、源地址、目的地址、消息长度等信息。ICD_Head数据表主要存储ICD的帧头数据，帧头的最小处理单位是字节。ICD_Payload数据表主要存储ICD的负载数据，包括信号和域等。3.4 IO与ICD的绑定在ICD数据采集监控过程中，需要确定采集通道收到的数据与ICD的对应关系，以便采集监控软件采用合适的ICD定义解析相应数据。在ICD数据激励过程中，需要确定激励报文与激励通道的对应关系，以便数据激励管理软件采用正确的通道发送数据。IO与ICD的绑定应与项目的系统互联关系保持一致，保证数据的正确性；IO与ICD的绑定如果出现逻辑冲突，自动报错，便于及时修改。硬件资源与ICD关联，将ICD总线与物理信道绑定，将该通道分配给绑定的ICD总线，总线下的所有ICD数据都通过该通道接收或发送。在ICD数据采集监控过程中，需要确定采集通道收到的数据与ICD的对应关系，以便数据监控软件采用合适的ICD定义解析相应数据。将ICD总线与物理通道绑定，将该通道分配给绑定的ICD总线，总线下的所有ICD数据都通过该通道接收。4机载总线测试系统软件平台设计总线测试软件主要用于总装现场地面功能试验时，对航电骨干网络AFDX总线的通信数据进行监测、记录与分析。主要软件开发工具为微软公司的Visual Studio2013、SQLServer及NI公司提供的Measurement Studio 2013。其中VS2013是Windows平台的应用程序集成开发环境，系统主要使用C#语言在VS 2013中开发整个测试系统的软件程序；SQL Server是ICD以及权限权利信息的存储介质；Measurement Studio 2013则是实现测试的控件包，通过C#调用在软件中实现功能。4.1软件平台工作流程设计系统的主要工作流程包括打包阶段和监控阶段。打包阶段操作步骤包括：打开软件，导入ICD文件，新建监控工程，选择监控物理量，打包发布。打包阶段完成以后，将打包后的软件交由总装现场工作人员进行使用，操作步骤包括：打开软件，选择监控工程，查看ICD数据，记录分析结果。4.2软件框架设计软件整体架构按照GUI层、框架中间层、HAL层来设计。GUI层包括界面主窗口、配置树、日志窗口、视图窗口等控件。负责与使用者进行界面交互，处理界面逻辑。框架中间层主要负责GUI层和HAL层信息流转。HAL层包括HAL适配器、HAL组件。HAL适配器总体上起到承上启下作用，目前对上负责处理配置信息，对下负责调用相关总线组件，并创建通道、板卡等资源；总线组件，适配各种总线驱动，对上层提供统一接口。4.3软件功能设计（1）总线数据的采集在研究网络数据帧的特征中，通过AIT公司的ARINC664板卡实现AFDX网络功能虽然方便快捷，但是也由于该网卡高度封装性，难以获取到全部的AFDX数据帧内容，用户也不能灵活使用其中的数据进行相关功能的执行。鉴于此，本文选择给更靠近底层的AFDX网络开发提供了一个网络抓包装置。Win-Pcap是该装置中使用的主要技术。WinPcap是一个在Win-dows系统下，能够让用户直接访问网络底层数据的访问系统。结合WinPcap技术，在C#语言环境构建一个数据监控平 台，实 现 使 用 该平台 检测AFDX网络，获取AFDX网络仿真数据帧，能够得到所需要的AFDX网络仿真信号中的地址、有效载荷信息等内容，从而实现对数据帧信息的完整监测，为后续的项目进展提供基础。使用WinPcap在总线测试软件中对AFDX网络数据帧进行捕捉，具体流程如图4所示。（2）总线数据物理含义解析根据综合航电数据载荷规范（YV2799）图3ICD文件解析流程图4WinPcap在总线测试软件中的使用17要求，由于捕获的原始数据包为十六进制格式，包括主机的MAC地址（Ethernet II）、IP地址（Internet protocol）、UDP端口号（user datagram protocol）以及UDP协议的具体内容（da-ta）。参考ICD文档XML文档结构描述文件，解读ARINC664总线帧信息，包括总线VL信息、总线数据帧结构、有效信息名称列表及数据有效载荷物理含义。解读总线数据最关键在于解析数据的有效载荷物理含义，A664总线数据有效载荷首先由4个保留字节开始，随后功能数据集FDS。功能数据集可将消息中数据原语聚合组成，表示飞机的参数等数据。基于非协议的数据会被格式化成为功能数据集在网络中传输。功能数据集由4个功能状态字FS组成的1个功能状态集FSS。功能状态字FS分四钟情况，ND用00代码表示无数据，NO用03代码表示正常操作，FT用0C代码表示功能测试，NCD用30代表非计算数据。每个