机载光纤通道数据采集系统研究与设计

李 键，李 敏，邓发俊

（中国航空计算技术研究所 陕西 西安 710119 ）

光纤通道技术在机载环境的应用越来越普遍，在使用高速数据总线进行通信的同时，更多关注转向数据通信的正确性和完整性，尤其在机载环境下更加重要，更需要像传统试飞过程中的数据采集设备来捕获数据，为实时进行数据监控以及事后分析提供有力的支撑。

国外为使用光纤通道的飞机的定型试飞研制了机载测试系统，并专门为飞机上的光纤航电总线的测试研制了“高速数据总线数据采集装置”，可用来采集高速光纤航电总线上的部分或全部数据。国内传统机载系统中使用的主要航电总线有ARINC429 总线、1553B 总线等，经过多年的研究以及试飞验证，已成功解决其试飞测试技术，为飞机定型、总线系统的故 障分析提供可靠的数据支撑[1]。而新兴的光纤通道航电总线，其速率达2.125 Gbps，通信拓扑结构及通信数据量更为复杂，国内在机载数据采集方面技术实现几乎处于空白状态，因此开展其研究和设计具有重要意义。

1 系统需求分析

光纤通道采集系统的设计需满足试飞测试的系统要求，与传统航电总线测试实现的功能一样，光纤通道采集系统应实现以下功能：

1)建立特殊拓扑连接，在不影响原航电系统信息传输架构和特性的前提下，获取网络上的信息；

2)100 %数据记录，并与测试系统时间建立同步关系。实时获取网络数据，并结合测试系统时间进行时标标记，100%存储到记录介质，供数据处理人员进行飞行后处理。

3)实时提取并输出用户关心数据。通过实时析取用户关心光纤通道网络数据，将其变换为机载测试系统可接收的数据格式，由机载测试系统将网络数据与其他测试数据整合后，通过遥测设备发送到地面。

2 关键技术研究

要满足上述的系统需求，必须解决拓扑结构设计、高速数据采集、测试系统与采集系统时间同步等关键技术。

2.1 拓扑结构研究

传统1553B等总线型架构，任何节点通信的消息在总线上都“可见”，只需将数据采集设备连接到总线上，就可以接收到总线上的数据。而光纤通道采用基于交换式的星型拓扑结构，网络数据遍布整个网络，采集设备如果简单地接在交换机的F端口上，并不能监控到任意端口的数据，传统的总线型测试方法测试方式完全不适用。因此在基于光纤通道的系统设计过程中，既要考虑对通信数据的可监测性，又要兼顾不影响正常的消息通信，具体方法是在交换机上除了设计正常的通信端口（F端口）以外，还增加监控端口（M端口），用于对需要关心的数据进行实时映射，拓扑结构[2]如图1所示，例如需要关心节点1和节点2之间的消息通信，通过配置设置可将节点1和节点2之间的消息映射到M端口，连接到M端口的测试设备或采集设备即可看到所关心的数据，以达到数据监测的目的。

图1 拓扑结构Fig. 1 Topological structure

2.2 高速数据采集技术研究

由于光纤通道航电网络速率2.125 Gbps，要实现对网络数据100%采集和记录，对高速数据的采集需满足带宽要求才可保证数据的完整性。现有机载设备中高速总线的使用逐渐普及，光纤通道作为主干网络的通信总线，解决了数据通路的快速传输问题，但同时也对处理模块内部总线的带宽提出了挑战，2.125 Gbps的数据传输速率带宽要求处理模块内部总线带宽大于200 MB/s才可能把网络上的数据接收或发送出去。纵观高速串行总线的发展，能够满足传输要求的总线包括PCIe和RapidIO总线[3]，PCIe单线速率2.5 Gbps，4线传输理论带宽远大于200 MB/s，RapidIO总线单线速率高达3.125 Gbps，4线传输理论带宽同样大于光纤通道所需带宽，可以满足高速数据采集的需要，因此在设计采集系统处理模块时，对内部总线的选择可在上述两种高速串行总线中选择。

另外，通过光纤通道网络上的数据传输速率快，如果接收信息单纯采用缓冲和软件解析方式显然不能满足高速采集的要求，因此，在设计过程中需尽量减少软件的操作，对数据的采集和解析通过硬件方式实现，最大限度提高采集的效率。

2.3 测试系统与采集系统时钟同步技术研究

试飞测试数据处理中，通常会将采集到的数据和采集系统时间建立关系，以便对数据进行实时分析和事后分析处理，如果没有时间同步关系，则采集的数据将不具备试验价值。因此在光纤通道采集系统设计中，需将采集的网络数据和试飞测试系统时间建立同步关系，与试飞测试用传感器测量数据进行关联处理。

传统的采集系统通过接收机载测试系统中的IRIG-B 授时码，使采集系统与机载测试系统建立统一的时间。在每个数据帧到来时，将帧数据打上时间标记，这样就可以确保总线数据与试飞用传感器测量数据的时间同步。借鉴上述的传统同步方式，在光纤通道采集系统设计中，引入IRIG-B时间码同步机制，在硬件进行采集网络数据的同时，将IRIG-B的时间信息记录下来，并通过硬件方式记录在FC数据帧中，该时间信息即是数据采集到网络数据的时间，在数据处理和分析时通过对该时间的解析，即可知道网络数据和测试系统之间的时间关系，实现两个系统的时钟同步。

3 系统设计

通过对上述关键技术的研究和分析，在进行光纤通道数据采集系统设计时需加以考虑和实现。

光纤通道数据采集系统旨在采集航电网络上的通信数据，对网络数据需进行100%接收，接收到的光纤通道网络数据一方面选择性监控，通过与测试系统的IRIG-B时间码进行同步，附加时间标记后，生成网络数据包发送给遥测系统，进行实时监控；另一方面通过专用总线全数记录，供事后数据处理使用，从而实现光纤通道航电网络飞行数据的重现功能4。采集系统在航电系统中的位置如图2所示。

图2 光纤通道数据采集系统Fig. 2 Fibre channel data acquisition system

采集系统对外与机载航电系统、记录设备、遥测设备以及IRIG-B时间系统进行互连。采集系统内部包含供电系统、数据采集器单元、数据处理单元、数据输出单元和时钟同步单元，其中供电系统为采集系统提供稳定可靠的电源供给，数据采集单元复杂接收来自航电系统中FC网络交换机的FC数据，并与时钟同步单元时码信息建立关系，经过数据处理单元处理，生成网络数据包，一方面通过百兆以太网输出给遥测系统，进行实时监控；另一方面数据处理单元处理的数据信息完整地通过千兆以太网送往记录器进行记录，供事后数据处理使用。采集系统内部实现如图3所示。

图3 采集系统内部互连图Fig. 3 Acquisition system internal interconnection network system

采集系统的数据采集工作由数据采集单元硬件完成，而生产网络数据包等工作则交由机载任务数据处理软件进行处理[5]。该软件运行在光纤通道采集系统上，设备上电后自动运行，根据机载配置文件中设置的工作模式进入正常工作模式或调试模式。在正常工作模式下，光纤通道数据采集系统自动采集航电系统FC数据，根据机载配置文件的设置，从相应的FC帧中提取所关心的参数，再将提取后的参数打包成网络数据包，同时将从IRIG-B接口获取的时标信息加到数据包中，通过以太网将打包好的数据发往记录设备或遥测设备[6]。机载任务数据处理软件流程如图4所示。数据解包打包流程如图5所示。

图4 机载任务软件工作流程Fig. 4 Airborne software workflow task

图5 数据解包/打包流程Fig. 5 Data unpacking/packing process

4 结束语

基于光纤通道的商用数据采集记录设备在民用市场上已经有不少的应用实例，但在机载[7-8]领域还较为少见。对机载光纤通道数据采集系统相关关键技术的研究有助于提高对机载高速数据网络数据采集及测试研究的能力，为试飞验证等提供更好的支撑手段。

目前光纤通道数据采集系统已经突破相关关键技术，并已完成原理设备设计实现，待进行充分测试后可转入应用验证。

[1] 霍朝晖，张建琳，颜义红.未来战机光纤通道航电总线试飞测试技术探析[J].测控技术,2011(8):75-78.HUO Zhao-hui, ZHANG Jian-lin,YAN Yi-hong.Study on the technology of Fibre Channel avionics Environment Bus the with Aircrafts in Flight Tests[J].Measurement and control technology,2011(8):75-78.

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[3] 支超友.机载数据总线技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2009.

[4] 张学康,张金菊.光纤通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[5] 南正绪: 飞机机载计算机的电路分析与测试[M].北京:国防工业出版社,2009.

[6] Clark T.存储区域网络设计—实现光纤通道和IP SAN的实用指南[M].邓劲生,译.北京:电子工业出版社,2005.

[7] 胡知非,盛骥松. 基于机载平台的干涉仪测向技术研究[J].现代电子技术,2013(9):43-46.HU Zhi-fei,SHENG Ji-song.Research on interferometer DF technique based on airborne platform[J].Modern Electronics Technique,2013(9):43-46.

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