基于反射内存卡的实时网构建

侯世芳++张科昌

摘要：飞机地面试验是飞机系统在地面进行性能及功能试验获取数据及验证设计结果的重要渠道，在新型飞机研制中具有不可替代的作用，并为后续新型飞机的研制提供重要的理论依据。在大型地面试验中，网络实时性对试验结果，尤其是对含有实时仿真系统的网络系统，数据的实时性可能会影响飞机的飞行品质结果。文中论述了反射内存实时网的工作原理，重点论述了反射内存网的选型、构建及系统优化设计。在工程应用中达到了良好的效果。

关键词： 试验系统；系统构建；反射内存

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）18-4133-02

飞机地面试验系统是由多个分系统组成的非常复杂的试验系统。试验中有些分系统之间还需要实时交换数据，所以对分系统之间实时交换数据的能力有着比较严格的要求。各个子系统之间在试验过程中需要实时传送大量的数据，而且为了得到较好的仿真效果，数据传输的实时性要求很高，要求小于1ms，但是传统的以太网显然是不能满足要求的。反射内存实时网络采用光纤连接的内存共享卡，很好地解决了网络实时性的问题，点对点实时性可以达到100ns。

在以前的试验系统中，为了满足这种实时性的要求，会在相关系统都配置数据采集模块，并关联到模拟数据总线来实时获取数据。但是这样的方式虽然解决了数据的实时共享，但由于采集系统之间存在差异，各个分系统获得的数据也出现一定程度的差异。利用以太网共享数据，虽然解决了数据的一致性，但不能达到高实时性的要求，严重影响仿真的真实性。

反射内存网是一种高速实时网络，它通过共享存储器技术实现高速数据传输。反射内存网常用于有较高实时性要求网络领域，它除了具有严格的传输确定性和可预测性外，还具有速度高、通讯协议简单、宿主机负载轻、软硬件平台适应性强、可靠的传输纠错能力、支持中断信号的传输等特点。利用反射内存网的这些优势搭建飞机地面试验系统，能很好地解决传统系统的不足，为飞机系统试验的多样性提供很好的软硬件平台。

1 反射内存网的基本原理和特点

反射内存网是一种高速的实时网络，它允许采用不同的总线结构和不同操作系统的计算机以确定的速度分享实时的数据。

反射内存网是由网络内存卡通过光纤连接而成的实时网络。网络上的每台计算机中插入一块网络内存卡，从而形成网络上的各个节点。而每个节点的反射内存卡上的存储器中都有反射内存网上其它节点的共享数据拷贝。每个反射内存板上的存储器都被分成若干个地址段，每个地址段对应网络上的一台计算机。网上任何计算机向本地反射内存板对应的地址段写数据时，该数据和相应内存地址被广播到网上所有其他反射内存板并存储在相同的位置。所以计算机将数据写入其本地反射内存板后的极短时间内，网上所有计算机都可以访问这个新数据。

反射内存网上的数据传输是纯硬件操作，不需要考虑网络的通信协议，因此它与以太网等其它传统网络相比具有更低的数据传输延迟、更快的传输速度、更简单灵活的使用操作，可以满足实时系统快速反应周期的要求，而采用其它网络就很难满足这种要求。

2 系统选型

飞机地面试验系统中反射内存卡选用美国GE的PCI-5565PIORC，交换机选用ACC-5595-208，数字控制卡为NI公司的PCI-6509以及研华的工控机。

系统软件采用LabWindows CVI 9.0英文版软件开发平台，界面全部按照测控方面操作人员常用的菜单与按钮相结合的模式，各功能模块相互独立，便用用户操作。

3 系统构建

在飞机地面试验系统中，能够组成反射内存网的节点大致有仿真试验系统、控制系统、总控系统、测试系统、分析系统、监控系统以及试验数据管理系统等。基于反射内存网的操纵试验系统组建如图1所示。

3.1 各个节点必须支持反射内存网

尽管反射内存网的系列产品提供了丰富的计算机接口，比如PCI、PXI、VME、PXI等等，各个节点的计算机应按照相应的接口类型选择相应总线的反射内存卡，但是并不是简单地在计算机上插入反射内存卡就可以连接到反射内存网络中的。虽然有些节点采用的设备中有相应总线接口支持插入放射内存卡，但是我们常常遇到的问题是，系统并不支持第三方软件开发，也就是说在系统应用软件中无法驱动反射内存卡，也无法对反射内存卡进行读写。

在组建基于反射内存网的操纵试验系统时，应该重视以上问题，尽量选择能够支持反射内存网的系统，或者软件支持二次开发的系统。如果现有的系统不支持反射内存网，也不支持二次开发，那么可以通过增加节点间接实现对反射内存网的读写。

3.2 各个节点及驱动

反射内存网上每个节点都需要一段代码的驱动才能进行读写，只要该系统支持软件编程和代码修改，编写驱动代码是非常简单的。各节点编程人员都必须按照系统约定的通讯协议进行编程，这样组成的系统才可能会运转正常。

3.3 通讯协议

反射内存网的硬件组建与普通的以太网相似，是非常简单的，但其运行效率却与约定的通讯协议和各个节点的驱动有直接的关系。

反射内存网的通讯协议可以按照试验系统本身的特点来自行定义，主要内容有：

1） 规定各个节点在反射内存卡的存储器上对应的地址段；

2） 规定各个节点对应内存地址的指令和数据格式；

3） 规定各个节点交换数据的令牌；

4） 规定各个节点数据刷新的标志；

5） 规定系统各个节点的连接状态；

6） 规定数据交换模式等等。

组成网络的各个子系统必须按照商定的通讯协议进行操作，才能保证全系统能够有序地进行数据交换，确保数据的安全性和完整性。各系统代码及标识定义见表1。

表1 系统代码和标识定义

3.4 传输效率及其优化设计

反射内存网上的任何一个节点都可以通过广播或者中断的方式与其它的节点进行数据交换。但是在实际工作中，由于各种因素的影响和实时性的要求，广播和中断两种方式都存在不同程度的缺陷，为了保证各个系统之间数据交换的同步性，系统可能要创建多个进程同时工作，这就会给系统造成较大的资源压力，有时会影响系统的运行速度。

这里提出一种简单而且非常实用的通讯协议，能够大大提高系统运行效率，且基本不会多占用系统的资源。

每个节点在自己对应的地址段设定一个读取状态字和写入状态字，状态字的每个位对应网络中的一个节点。每当该节点的数据准备好需要更新时，系统先自动查询对应接收数据节点的状态字，看看它们是否已经完成了数据的读取。如果有些节点没有读取，则等待。如果所有节点都已读取，即可更新数据，即可修改写入状态字。反之，如果该节点读取了相关其它节点的数据，则立刻修读取改状态字，表示数据已经读取。

实践证明，这样的通讯协议简化了系统提供的广播和中断方式操作，在系统可靠性和实时性方面都有很好的保障。

4 结束语

反射内存实时网在飞机系统试验，特别是飞机系统地面动态实时仿真试验中起着非常重要的作用。反射内存网的诸多特点使其成为飞机地面试验中确保数据实时性的一个理想的技术，非常适合在大型试验、多系统参与、实时传输数据量大的试验中采用。随着飞机试验任务要求的不断提高，组建基于反射内存网的试验系统有着很重要的意义。

参考文献：

[1] 徐琦， 方澄. 基于反射内存网的多飞行模拟器时间同步[J].火力与控制指挥，2009（11）.