C919飞机航空总线采集和实时分析技术

冯晓林, 戴卫兵, 彭国金

(中国飞行试验研究院 测试技术研究所, 陕西 西安 710089)



C919飞机航空总线采集和实时分析技术

冯晓林, 戴卫兵, 彭国金

(中国飞行试验研究院 测试技术研究所, 陕西 西安 710089)

为了采集和实时分析C919大型客机航电ARINC664总线数据,研究大客飞机航电总线协议及测试总线数据特点，设计并研制了满足机载测试需求的原理样机,并在航电实验室进行了试验验证,解决了新型复杂结构ARINC664总线数据的余度剔除、数据采集和实时分析等难题,实现了总线数据的采集和实时分析。该总线系统可以将重要数据实时编码发送到机上的监控系统、水配重或遥测下传到地面监控大厅,提高了飞行试验工作效率,为大客飞机试飞安全提供了技术保障。

ARINC664总线; 采集和实时分析; 余度剔除

0　引言

C919大型客机航电系统数据传输采用了一种新型、结构复杂的网络总线,该总线基于ARINC664总线协议,内部数据融合了ARINC664P7,ARINC429,ARINC825等多种消息,具有带宽大、集成度高、实时性和可靠性好等特点,欧洲空客A380、波音787、巴西的CRJ系列飞机等均采用了该总线技术[1-2]。依据C919试飞测试需求,机载总线测试系统需在机上采集并实时分析该总线数据,对重要参数实时编码输出,实现数据的共享,如发送到机上供工程师实时监控、水配重、驾驶舱显示、遥测下传等。

随着科学技术的进步和发展,飞机上的数据传输大面积采用基于ARINC664协议的网络总线大势所趋,C919飞机上部分国外供应商的设备已经采用并只保留了ARINC664总线接口。国内试飞测试领域首次接触ARINC664总线,没有相关测试设备。为了满足C919型号研制需求,并适应新技术发展的需要,本文分析了C919飞机航电ARINC664总线的特点,提出了ARINC664总线的测试方法,设计并研发了相关机载测试设备的原理样机,并在航电实验室进行了测试,为C919大型客机顺利试飞奠定了基础。

1　对象分析

1.1测试对象分析

C919大型客机航电系统主干网络数据传输采用了ARINC664双余度网络总线,该总线与其他飞机系统的交联非常复杂,与主飞控系统、动力系统、电源系统的部分信号、航电系统部分信号通过ARINC664总线直接交联,其余通过远程数据接口单元(RDIU),将不同系统的ARINC429总线信号、ARINC829总线信号、离散量信号和模拟量信号转换为ARINC664总线信号,最终接入到航电核心系统网络中,实现数据的传输与共享。

为减小微处理器读写速率并提高效率,C919飞机航电ARINC664总线数据格式以32 bits为界限进行设计,总线传输的数据类型主要包含ARINC664 P7数据、ARINC429(ARINC429块)转换的ARINC664 P7数据、ARINC825转换的ARINC664 P7数据。其中ARINC664 P7数据即parametric类数据,包含大量的模拟量和开关量,其数据信息结构如图1所示。

图1　A664 P7数据信息结构Fig.1　A664 P7 message structure

C919飞机上还有大量的设备,其数据通讯仍然采用ARINC429总线接口和ARINC825总线接口。为了实现数据共享,飞机上加装了16个RDIU设备,通过RDIU可以将ARINC429总线、ARINC429块总线、ARINC825总线转换为ARINC664 P7总线。图2表示ARINC429转换为ARINC664 P7数据时原数据结构与转换后数据结构之间的关系。图3表示ARINC825转换为ARINC664 P7数据时原数据结构与转换后数据结构之间的关系。

图2　A429转换A664 P7数据信息结构Fig.2　A429 to A664 P7 message structure

图3　A825转换A664 P7数据信息结构Fig.3　A825 to A664 P7 message structure

1.2测试需求分析

C919飞机试飞时,要求可以实现飞机航电数据的共享,需要将数据实时发送到驾驶舱供飞行员监控和参考;将飞机姿态、剩余油量等参数发送到装机的水配重系统,并通过计算结果来指导水配重系统在空中对飞机的重心进行调整;将关键参数发送到地面监控大厅,供地面科研人员实时掌握飞机的飞行状态和飞行参数等。分析测试需求,研究飞机航电总线数据的特点,C919飞机航电总线测试的需求主要包括:

(1)能同时测量一条双余度ARINC664网络数据总线(两条ARINC664总线),并可以进行余度剔除;

(2)将剔除余度后的数据分两路输出,一路数据供记录器100%记录,另一路数据供实时分析、处理,两路ARINC664数据完全一致;

(3)具有实时分析、处理能力,可以从ARINC664总线中挑选关键参数并打包输出,输出的数据能与机上的主测试系统进行融合,实现数据的共享;

(4)输出的数据格式满足机上主测试系统的输入要求,便于数据融合,实现遥测下传功能;

(5)支持parametric类数据、ARINC429总线类数据、ARINC825总线类数据的采集和实时分析;

(6)支持IEEE1588时间协议。

2　方案设计

2.1测试系统组成及工作原理

依据测试需求,设计满足要求的机载ARINC664总线测试系统。按照功能不同,ARINC664总线测试系统主要由数据接口及余度剔除单元、数据分析和处理单元、IEEE1588时间接口单元等组成[3],其工作原理如图4所示。

系统工作时,数据接口及余度剔除单元首先完成一条双余度ARINC664总线的接收和分析,并将结果进行比对,保留一条完整的ARINC664总线数据,然后将这条ARINC664总线分两路输出,其内容和格式完全一致,其中一路直接输入到机载网络数据记录器,实现ARINC664总线数据的100%记录[4];另一路数据输入到数据分析和分类单元,该单元主要对这条完整的ARINC664总线数据进行分析、分类,然后将这些分类好的数据发送给数据解析单元。数据解析单元可以解析出各类数据并挑选关键参数编码输出,输出的数据格式满足飞机上机载数据测试系统的输入接口要求,最终实现C919飞机航电参数的实时共享,例如PCM遥测、发送到水配重、驾驶舱实时显示等。

图4　A664总线测试设备工作原理Fig.4　Operating principle of A664 bus test instrumentation

2.2关键技术

2.2.1余度剔除技术

ARINC664总线为双余度网络总线,在实时分析数据前需进行余度剔除工作,即将两条ARINC664总线在一定的时间间隔内进行分析和比对,保留一条正确的、完整的ARINC664总线数据。根据需要,将这条总线进行复制并分为两路输出,一路发送至记录器100%记录,另一路进行实时分析。

2.2.2总线采集和实时分析技术

C919大型客机航电系统ARINC664总线数据格式复杂,包含模拟量、离散量数据、ARINC429 总线类数据、ARINC825总线类数据块等。数据采集器采集到ARINC664总线数据后,首先需要对数据进行分类,然后进一步分析,从分析后的数据中挑选重要参数并编码输出(数据包需要添加时间标签),最终将这些数据融合到飞机测试系统的数据流中,实现ARINC664总线数据的实时共享和遥测下传等。

2.2.3测试参数自动化配置技术

C919飞机航电系统配置过程中,与航电系统关联的其他机载电子设备都是一个独立的端系统[5],需按照飞机航电系统配置规范将数据上传到航电网络,航电系统按照每个端系统上传的信息,最终实现整个航电网络的配置,并生成最终的配置文件[6]。到目前为止,C919飞机航电系统传输的参数超过15万个,需要采集的参数有3～4万个。按照分类不同,每个参数在采集编程时需要确认16～23个,而这些属性又存在于各个系统的不同位置。由于测试参数多,每个参数具有的属性多,如果以人力逐一查找并编辑,工作量大,容易出错,且浪费时间。因此,需研究航电参数自动化配置技术,可以将测试参数的各项属性挑选并配置到一个标准的工程文件中,最后将整个工程文件自动导入到采集器,实现航电参数的自动化配置。

3　试验验证

3.1试验原理

为了验证新研ARINC664总线测试设备的工作性能,采集到尽可能接近飞机航电总线的真实数据,原理样机研制完成后,测试工程师携带相关测试设备在中国商飞C919航电实验室进行了ARINC664总线数据的采集和实时分析。

C919飞机航电ARINC664总线实验室测试原理如图5所示。测试中,笔记本电脑记录ARINC664总线测试系统实时解析的数据,数据记录器记录ARINC664总线测试系统剔除余度后未解析的ARINC664总线原始数据。分析笔记本记录的数据和数据记录器记录的数据,再对比航电试验台发送的数据,就可以验证ARINC664总线测试系统的工作性能。

图5　A664测试设备实验室验证原理图Fig.5　Verification in laboratory of A664 bus test instrumentation

3.2试验内容

3.2.1A429类A664 P7数据的采集和解析

本试验航电试验台发送的ARINC664消息名称为FCS-Output-ADA20,虚拟链路(VL ID)为33431,目的端口IP(Dst IP)为63263。该消息包含两个参数:第1个参数为DS43,其Label为210(八进制)/17(十进制),数据为500;第2个参数为DS44,其Label为204(八进制)/33(十进制),数据为500。图6为采集的数据在笔记本电脑实时显示的结果。

图6　A429转换的A664 P7总线试验结果Fig.6　Test results of A429 to A664 P7 bus

3.2.2A664 P7(parametric)数据的采集和解析

在本试验中，航电试验台发送的ARINC664消息配置与第一次一样,名称为FCS-Output-ADA20,虚拟链路(VL ID)为33431,目的端口IP(Dst IP)为63263。但消息内部的数据结构发生了变化,消息内包含的第1个参数为DS5,数据为0x459C,0x4000(01000101100111000100000000000000);第2个参数为DS8,数据为0x3F00,0x0000(00111111000000000000000000000000)。图7为采集的数据在笔记本电脑实时显示的结果。

图7　A664 P7(parametric)总线试验结果Fig.7　Test results of A664 P7(parametric)bus

3.2.3试验结果

试验完成后,将处理记录器记录的ARINC664总线原始数据与笔记本电脑记录的实时在线解析数据进行对比。结果证明,新研制的ARINC664采集和实时分析设备测量到的数据与航电试验台发送的数据完全一致,验证了ARINC664总线测试系统的方案设计符合技术要求,性能也满足测试需求。

4　结束语

ARINC664总线采集和实时分析技术是一种全新的ARINC664总线测试技术,通过对该总线的采集和实时分析技术进行研究,实现了实时采集和分析功能,解决了C919飞机航电总线测试难题。该技术还可以推广到其他飞机的ARINC664总线的测试,具有广泛的应用价值。

[1]支超有. 机载数据总线技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2009:465-503.

[2]赵永库,李贞,唐来胜. AFDX协议研究[J].计算机测量与控制,2011,19(12):3137-3139.

[3]黄梦玲,翟正军. 基于ARINC429与AFDX的测试仿真系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2013,21(8):2090-2092.

[4]翟正军,羊昌燕,易川,等. 基于AFDX的高速数据采集记录系统设计与实现[J].测控技术,2013,32(5):17-20.

[5]张树彦,张哲,殷锴,等. ARINC664网络终端系统测试技术研究[J].计算机测量与控制,2013,21(9):2419-2421.

[6]Aeronautical Radio,Inc.Aircraft data network part7[Z].Annapolis,Maryland,2005.

(编辑：崔立峰)

Avionics bus collection and real-time analysis techniques of C919 airplane

FENG Xiao-lin, DAI Wei-bing, PENG Guo-jin

(Measurement and Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In order to collect and analyze the data of large passenger plane avionics, ARIN664 bus on C919 in real time, and research both the protocol of large passenger plane avionics bus and the characteristics of test bus data, this paper designs and develops a prototype system which can meet the requirements of airborne test and has made test verification in avionics laboratory. The problems which are difficult to solve in the new complex structure of ARINC664 bus data, such as redundancy elimination, data collection, real-time analysis, have been solved in this paper. It realizes the collection and real-time analysis of bus data, enables coding the important data in real time and sending them to whether monitoring system or water simulate weight system which are located on aircraft, it also enables sending the telemetry information from aircraft to ground monitoring hall. This improves the working efficiency of flight test, and provides technical support for the securely flight test of large passenger plane.

ARINC664 bus; collection and real-time analysis; redundancy elimination

2016-08-08;

2016-09-11; 网络出版时间:2016-09-13 08:38

国防基础科研资助项目(jcky2016205b006)；航空创新基金资助(2014f63046)

冯晓林(1968-)，男，陕西扶风人，研究员，硕士研究生，从事飞行试验电气及测试技术研究。

V217.1

A

1002-0853(2016)05-0073-04