航电AFDX总线监控器的设计和实现

郝志浪，卫保国

（陕西省信息获取与处理重点实验室 西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710072）

随着计算机、通信、网络技术的进步，现代飞机的航电系统正朝着综合化、数字化、网络化的方向发展。航电全双工交换式以太网 （简称AFDX）是承载航空电子系统各分系统通信的主干网络，已广泛应用于当前最先进民用飞机设计。当飞机内部某端系统报故时，很难判断是该终端系统出现了故障，还是该终端系统与AFDX总线之间没有实现正确的信息交换，排故难度较大。故研制了能实时采集、分析处理飞机总线动态信息的监控器，以实现故障的准确隔离，避免机载设备的无故障拆装。

1 AFDX总线

传统航空电子系统数据通信主要采用ARINC429以及MIL-STD-1553等协议，这些数据通信协议具有可靠性高、通信质量稳定等特点，在当代航空通信领域中得到了广泛应用。但是ARINC429以及MIL-STD-1553数据传输速率低，MIL-STD-1553协议的数据传输率为1 Mb/s，ARINC429更低。因此，它们只适用于自身具有数据处理能力的传感器子系统之间的数据传输，不能满足下一代航空电子系统对数据通信的要求。AFDX定义了电气和协议规范 （IEEE 802.3和ARINC 664），是一个数据通信标准[1]，主要用于航空电子子系统之间的通信。同过去的航电总线ARINC 429，MIL-STD-1553等协议相比，AFDX网络性能有了很大的提高，能够满足航空电子系统实时性、可靠性、良好的通信质量等要求。

AFDX是建立在由空中乘客公司最早提出的AFDX概念之上，其由航空电子子系统、AFDX端节点和AFDX互联器等几部分[2]组成，如图1所示。AFDX在配置表中定义各终端节点的参数，采用全双工模式通信，其物理层的传输介质是两对双绞线，一对用于接收，另一对用于发送；网络连接采用星型拓扑结构，每个交换机最多连接24个终端节点，交换机可以级连以实现更大的规模，采用点到点的网络，通过虚链接保证带宽，采用冗余调度，提高了网络的可靠性，传输速度可选择10 Mb/s或100 Mb/s，支持的虚链接数目最大为4 096[3]。

图1 AFDX网络系统图Fig.1 Net of AFDX system

2 系统功能

AFDX总线监控器作为航空电子的一个子系统，其作用为对AFDX总线的通讯状态及通讯过程、指定分系统传输的任意数据块和数据字进行监控，并能够记录。可以根据要求对监控的数据进行分类处理，打印输出测试结果。AFDX总线监控器还可以完成总线传输的性能指标，如总线负载与通信状态等的计算和分析，并能够动态的统计显示出来。测试节点逻辑位置如图2所示。

图2 AFDX总线测试节点逻辑位置Fig.2 Logical location of the AFDX bus test node

2.1 总线数据监控

AFDX总线信号为32位信号帧。按照数据块-信号字形式组织。不同的数据块通过端口号的不同区分。总线监控器对指定端口传输的任意数据块进行监控，也可以监控总线通讯状态。它在监控AFDX总线数据的同时，根据航电仿真系统的ICD来解析各个仿真系统的物理量数据。本系统还可以进行总线传输的性能指标计算和分析，利用表格或是曲线的形式显示。

2.2 数据记录

总线监控器可以将AFDX总线上的数据按各个端口进行具体分类，进行记录存储。同时也可以对试验所记录的数据进行存储、打印、检索、加载等操作。

2.3 数据分析

数据分析包括实时和事后两种分析模式：实时分析就是通过对比标准ICD库里面解析出来的数据，进而确定总线通信的故障；事后分析就是接收总线上某个端口的数据，通过数据记录模块存储，人为进行比对，通过预设故障表进行故障状态查询和故障原因分析。

2.4 数据解析

总线监控器中ICD数据库管理模块和总线监控模块是独立的，通过XML文件进行数据交互。对于数据块和信号的增加和删除是通过修改ICD中的物理量，与两个软件都是同步的。因此在数据监控或存储时可以根据ICD文件，将接收到的有关数据转换成相应的物理量。

2.5 故障模拟仿真

在仿真试验中，制定了AFDX总线通讯的故障状态表，在数据监控或加载案例时，可以人为的进行故障注入，看总线监控器是否故障告警，进一步进行故障状态查询和故障原因分析。

2.6 系统的扩展性

ICD数据库管理模块具有较好的开放性和扩展性，在修改了具体的ICD文件之后，可以在其它航电系统的AFDX总线上得到应用。

3 监控系统的组成

监控系统硬件环境由操作计算机、航电模拟计算机和带有AFDX板卡的便携式计算机构成。所有计算机均安装Windows XP操作系统，是否安装VS2008不做要求。软件以交互式仿真开发环境为核心，将仿真建模、设备自检、记录存储和分析解析等功能融为一体。

3.1 监控系统的硬件实现

AFDX总线作为一种新型适合机载环境的信息传输总线，以其成本低、可靠性高、扩展性强、技术完备等显著优势在民航飞机的航电系统中得以广泛应用，是未来大型飞机航电总线的发展趋势。

本系统采用GE公司的AFDX板卡实现总线数据的监控工作。

3.2 监控系统的软件实现

软件部分是系统的核心，其目的是以简便的界面实现系统操作，并通过数据采集、数据存储显示和ICD解析3个模块实现系统的整体功能。仿真环境采用面向对象方法进行设计，在WindowsXP环境下，用C++和Labview联合开发。

总线监控器的软件分为：总线数据接收、ICD解析和模拟显示部分。软件流程图如图3所示。

3.2.1 总线数据接收

该部分内容比较多，包括加载配置文件、板卡初始化、创建通信端口、启动接收线程、监听多个通信端口等。参考GE公司提供的板卡用户手册，在动态链接库的基础上进行了板卡驱动程序的初始化，根据具体需求配置XML文件，创建通信端口的目的是为了将采集到的数据发送到Labview设计的控制面板上，方便用户操作控制。

图3 系统流程图Fig.3 System Flowchart

根据设计要求，总线监控器完成系统模式选择、数据监控、数据记录、数据解析和总线数据故障状态分析等功能。系统软件设计采用模块化的设计，软件功能如图4所示。

图4 监控器功能模块Fig.4 Monitor functional modules

1）系统模式选择

测试节点运行的版本具有两种工作模式：本地模式和远程模式。在本地模式下直接接受试验人员在测试节点的操作指令；在远程模式下屏蔽本地操作指令只接受远程操作指令，根据远程指令操作，同时将操作结果发往远程节点显示更新。

2）系统初始化

硬件初始化主要是进行AFDX板卡配置、寄存器的初始化、配置文件的加载；软件初始化主要完成数据接口定义、数据文件配置等。

3）数据监控程序

该模块主要功能是对接收到的有关数据块进行实时分类并解析，完成信息的实时处理和数据的存储。总线监控节点上读取数据，从一个以太网数据块开始，用帧检验序列检查以太网帧的正确性。如果没有错误的话，去掉FCS并将AFDX数据块进行下一步的完整性检查和冗余管理。产生的IP包传送至IP网络层。网络层负责检查IP校验，如果必要的话将UDP包进行组装。UDP包传送到UDP传输层以便将AFDX消息分发到合适的UDP端口，根据配置文件从端口中读取要监控的数据。

端系统对总线的通信性能起决定性作用，考虑到端系统严格遵循ARINC 664 Paa7规定，因此数据总线监控部分应该对端系统的性能进行测试。主要包括虚拟链路（VL）帧格式检测、虚拟链路BAG测试、虚拟链路抖动测试[4-6]。

4）数据记录

总线上采到的数据可以全部存储，也可以指定某些参数的测试结果进行存储。系统允许根据采集数据的时间、端口号、数据块名称、错误信息等条件筛选部分数据导出到指定文件。

5）数据回放

总线监控器在接收到AFDX总线数据后，进行数据的解析和存储工作。本模块是在事后选择数据回放模式时，从存储文件里读取数据，重新回放系统的总线数据流信息，观察分析总线数据、总线状态以及机载设备数据的状态。

3.2.2 ICD解析

ICD数据库管理模块是一个独立的软件，为监控系统提供了管理节点，系统通过XML文件与其对接，完成数据解析。当总线ICD库数据发生更改时，监控系统通过自动关联模块跟随ICD库变化。可以随时根据一个或多个块号，从ICD数据库中解析出所有信号的逻辑含义。采到数据时可以自动依照逻辑含义进行翻译处理，并将结果显示出来。

3.2.3 模拟显示

采用TCP/IP通信方式进行Labview程序与AFDX总线之间的数据交互。Labview设计开发操作面板，数据采集卡和LDU控制卡均提供了输入输出接口，便于程序开发，同时可以便捷的调用各种仪表控件，用户可以方便地进行参数设置、控制仿真进程并观察数据。

4 结 论

该设备为解决某型飞机航电系统维护过程中的排故难题，具有AFDX总线信息的实时监控、存储、分析及显示功能，解决了飞机航电设备和总线故障快速识别与隔离的难题。经过实际仿真实验，该监控器性能稳定可靠，操作简便，可应用于飞机航电系统研制、调试和维护过程中，通过扩展和升级ICD数据库，可广泛应用于其它型号飞机的维护保障。

[1]ARINC 664．Aircraft Data Network，Part 7--Avionics Full Duplex Switched Ethernet （AFDX） Network[Z]．2005．

[2]叶佳字，陈晓刚，张新家.基于AFDX的航空电子通信网络的设计[J].测控技术，2008，27（6）:56-60.YEJia-zi，CHENXiao-gang，ZHANGXin-jia.Design of avionics communication network based on AFDX[J].Measurement&Control Technology，2008，27（6）：56-60.

[3]熊华钢，李峭，黄永葵.航空电子全双工交换式从太网标准研究[J].航空标准化与质量，2008，2（1）:25-28.XIONG Hua-gang，LI Qiao，HUANG Yong-kui.Study on the avionics full-duplex switched ethernet standards[J].Aeronautic Standardization&Quality，2008，2（1）：25-28.

[4]Bassoon K，Troshynski T.Switched ethernet testing for avionics applications[J].IEEE A&E Systems Magazine，2004（5）：31-35.

[5]任向隆，马捷中，翟正军.基于FPGA的AFDX端系统协议栈虚链路层的研究与实现 [J].计算机测量与控制，2010，18（1）:157-160.REN Xiang-long，MA Jie-zhong，ZHAI Zheng-jun.Research and implementation of VL layer in AFDX End system stack based on FPGA[J].Computer Measurement&Control，2010，18（1）：157-160.

[6]武华，马捷中，翟正军.AFDX端系统通信端口的设计与实现[J].测控技术，2009，28（3）:56-59.WU Hua，MA Jie-zhong，ZHAI Zheng-jun.Design and implementation of communication port in AFDX end-system[J].Measurement&Control Technology，2009，28（3）：56-59.