大型民用飞机航电系统总线激励技术的研究

马腾达+樊智勇+王凯

摘 要： 在对航电系统进行仿真验证时，需要按照接口控制文档（ICD）的要求发送和接收航电总线信号，通常都是根据具体型号飞机开发对应的航电总线激励系统，通用性和扩展性较差、开发周期长、成本较高。针对该问题，对大型民用飞机的主要航电总线如AFDX，ARINC429等航电总线的激励技术进行了研究，建立了航电总线激励系统的层次抽象模型和组织结构模型，设计了一套具有良好通用性和扩展性的航电总线激励系统，对该系统进行了测试，并给出了应用实例。结果表明，该系统具有良好的通用性和扩展性，为大型民用飞机航电系统的设计开发与集成验证提供了有力支撑。

关键词： 航电系统； 总线激励； 接口控制文档； AFDX； ARINC429

中图分类号： TN911?34； V271.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0125?04

Research on bus excitation technology for avionics system in large?scale civil aircraft

MA Tengda1， FAN Zhiyong2， WANG Kai1

（1. College of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China；

2. Training Center of Engineering Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： The simulation verification for the avionics system needs to transmit and receive the avionics bus signal according to the requirement of the interface control document （ICD）. The avionics bus excitation system is developed for the specific type aircraft usually， and has the disadvantages of poor universality and expansibility， long development cycle and high cost. Aiming at the above problems， the excitation technology of the main avionics buses （such as AFDX， ARINC429） used in the large?scale civil aircraft is studied. The multilayer abstract model and organizational structure model of the avionics bus excitation system were established. An avionics bus excitation system with good universality and expansibility was designed. This system was tested. Its application examples are given. The results show that the system has perfect universality and expansibility， and has provided a powerful support for design development and integrated verification of large civil aircraft avionics system.

Keywords： avionics system； bus excitation； interface control document； AFDX； ARINC429

航空电子系统是现代民用飞机的重要组成部分[1]。组成航电系统的各个机载设备间通过航空总线进行数据传输。常见的大型民用飞机航空总线有AFDX，ARINC429等类型[2?3]。航电系统的仿真验证是飞机航电系统开发与设计过程中十分重要的一个环节[4]。在对多个航电组件进行集成验证时，需要对各个航电组件提供激励信号并接收其響应信号；各个激励信号以及响应信号之间存在着复杂的关联关系[5]。对于具体型号的飞机，通常是开发其专用的航电总线激励系统，通用性和扩展性较差[6?8]。本文对大型民用飞机的航电总线激励技术进行了研究，提出了一种具有通用性和扩展性的航电总线激励系统设计方法；设计的航电总线激励系统，能够对航电系统各项功能进行验证和测试，构建出一个航电系统集成验证的总线激励环境，能够满足航电系统在交联试验、接口功能验证以及相关仿真测试工作中的需要。

1 功能需求

航电总线激励系统能够与各个航电组件之间进行信号和数据交互：为各个航电组件提供必要的激励信号，并通过物理接口输出到各个航电组件；通过物理接口接收各个航电组件输出的响应信号，并对这些信号进行处理和显示。如为甚高频收发机提供调谐频率信号，接收仪表着陆接收机的航向道/下滑道偏差信号。

其总体功能框图如图1所示。图1中，以大型民用飞机的通信导航监视系统（Communication Navigation and Surveillance System，CNS）为例，列出了部分航电组件，如VHF（甚高频收发机）、STACOM（卫星通信收发机）、VOR/MB（甚高频全向信标/指点信标接收机）、ILS（仪表着陆接收机）、DME（测距机）、GPS（全球定位系统接收机）、ATC（空中交通管制应答机）、TAWS（地形提示和警告系统收发机）等。

航电总线激励系统的物理接口符合航空总线标准所要求的电气特性，因此既能够连接真实的航电组件，如图1中的ILS等，也能接入符合相关电气规范要求的航电半实物仿真组件，如图1中的DME等仿真航电组件。采用这种方式，不必等待所有真实航电组件都交付后，就能够以仿真组件进行替代，开展集成验证工作。

本文以大型民用飞机的CNS系统为例展开研究。从总线类型的角度，主要包括AFDX总线、ARINC429总线和离散量信号等；从功能应用的角度，发送的参数主要是CNS组件的工作频率、状态参数等，如VOR调谐频率、ILS调谐频率、空地信号等，接收的参数主要是CNS组件的指示参数，如VOR方位角、LOC偏差、GS偏差、GPS位置等[9]。

2 体系结构与建模

航电系统的开发过程中，需要不断地进行验证和修改；而不同型号飞机的航电系统也各不相同。因此，良好的通用性和扩展性是航电总线系统必须具备的特性。为了达到该目的，采用分层模型方法对系统进行描述，建立层次抽象模型和组织结构模型。

如图2所示，将航电总线激励系统分为4层，即功能应用层、参数变换层、通道映射层和物理资源层。功能应用层包含多个功能模块，功能模块之间存在关联关系，当激励与响应的航电逻辑关系发生变化时，只需要对该层进行修改即可。参数变换层主要实现航电总线数据的编码和解码功能。该层将功能应用层的各个参数按照接口控制文档（Interface Control Document，ICD）的要求[10]，编码为航电总线数据；将接收到的航电总线数据解码为各个参数，供功能应用层进行处理。当航电总线数据的编解码方式发生变化时，只需要对该层进行修改即可。

通道映射层为上层提供统一的接口服务；并将总线通道映射到物理资源层中。当航电组件的连接关系发生变化时，可以通过对映射通道的修改，来适配连接关系的变化。物理资源层主要是指计算机平台和航电总线板卡，其电气特性与真实航电组件一致。物理资源层可以采用COTS产品（Commercial?off?the?shelf，商用货架产品）实现。

通过组织结构模型对航电总线激励系统进行纵向建模。如图3所示，将航电总线激励系统分为激励控制、响应显示、系统配置、总线监视4个模块。

激励控制模块主要实现激励参数向航电总线数据的变换控制；响应显示模块主要实现对航电组件发送的航电总线数据进行分析解码，将响应参数进行详细显示；在系统配置模块中，能够对系统的主要功能进行设置；总线监视模块对所有接收和发送的航电总线数据进行统计显示。

通过层次抽象模型和组织结构模型对航电总线激励系统进行横向和纵向建模，能够将系统的功能进行解耦，使系统具有良好的通用性和扩展性。

3 系统设计与实现

3.1 功能应用层

功能应用层主要实现激励参数与响应参数的航电逻辑处理功能。激励控制模块主要包括3组参数设置，即AFDX激励参数设置、ARINC429激励参数设置和离散量激励参数设置；响应显示模块主要包含3组参数显示，即AFDX响应参数显示、ARINC429响应参数显示和离散量响应参数显示。对于激励控制模块，其主要工作流程如图4所示。首先获取用户输入的参数以及航电组件发送的响应参数，根据具体航电逻辑，经处理后得到激励参量，传递到参数变换层将激励参量编码为航电总线数据，并经通道映射层将总线通道映射为物理通道后，通过物理资源层将航电总线数据发送到航电总线上。对于响应显示模块，其主要工作流程如图5所示。在接收到总线数据后，将物理通道变换为逻辑通道，根据总线类型，调用不同的解码方法对总线数据进行解码，并传输到功能应用层，结合激励参数的值，进行航电逻辑处理，最后在人机交互界面中将参数进行显示。

总线监视模塊对所有的航电总线数据进行监视，既包括接收到的总线数据，也包括系统自身发送的总线数据；并形成原始数据的统计信息。

对于离散量信号，监视其电平状态以及状态改变的时间等信息；对于ARINC429总线信号，监视ARINC429数据字的周期、时间标签、原始数据字等信息；对于AFDX总线信号，监视其虚链路号、IP地址、端口号、原始数据帧、时间标签等信息。

3.2 参数变换层

参数变换层主要完成航电总线数据的编码和解码操作。对于离散量信号的编码和解码，情况较为简单，不同的状态代表不同的含义。对于ARINC429总线数据的编码和解码，主要的依据文件是ARINC429规范[2]；对于AFDX总线数据的编码和解码，主要的依据文件是ARINC664规范[3]。除相关规范外，还需依据具体型号飞机航电系统的ICD文件。通常，在制订ICD文件时，都必须遵循相关ARINC规范，对于ARINC规范中未作规定的，或具有特殊性的，需要在ICD中做出详细说明。

对于ARINC429总线数据而言，主要的内容包括参数名称、参数值、参数单位、参数范围、参数精度的解析等。根据其标号（Label）的不同，代表不同的含义。ARINC429数据字的类型主要有BNR数据、BCD数据、离散数据和字符数据等，对于不同类型的数据，采用不同的编码和解码方法进行处理。对于AFDX总线数据而言，主要是对有效载荷（Payload）部分进行数据处理，可依据ICD文件按照具体协议进行编码和解码处理。设计实现的ARINC429数据字编码解码类的UML类图如图6所示。

3.3 逻辑映射层

逻辑映射层将航电总线激励系统的业务逻辑与物理资源进行了隔离，提供统一的收发接口，使得上层功能的实现，不必对总线信号的具体发送细节进行了解。该层将采集物理资源层接收到的数据，并按照统一的标准接口提供给上层；接收上层传输的数据，并通过物理资源层进行传输。逻辑映射层还实现逻辑通道与物理通道的映射功能。如图7所示，如功能应用层希望通过Tuning Prot A通道对VOR接收机发送调谐频率时，Tuning Prot A通道是逻辑通道1，该通道可映射至物理通道H进行发送。通过一个映射表来记录逻辑通道与物理通道的映射关系，在发送或接收数据时，查找该映射表，将相应的通道进行对应。通过这种映射机制，在进行功能应用层开发时，便无需考虑具体的物理通道号，与硬件的具体连接进行了解耦。

在系统配置模块中，主要包括通道映射表的配置，通道设置以及其他一些设置。用户通过配置通道映射表，来实现通道的具体对应关系；通过通道设置来改变航电总线通道的基本参数，如ARINC429总线通道的速率、校验方式等参数的配置，对AFDX总线的虚链路号、端口号、BAG等参数的配置[11]。

3.4 物理资源层

在层次抽象模型的最底层，是物理资源层。该层的模块主要是指实现航电总线数据接收和发送的硬件平台。航电总线激励系统选择工业控制计算机作为计算资源，在工控机上插入PCI或PCIe等接口的航电总线通信板卡，接入到配线架后，与航电组件相连接，如图8所示。

航电总线激励系统的硬件平台，也可以选用PXI机箱，在PXI机箱内插入各种PXI接口的航电总线通信板卡，利用PXI机箱的控制器为航电总线激励系统提供计算资源。其结构与图8所示的结构类似。

4 集成测试与应用

在航电总线激励系统开发完毕后，要对系统本身进行测试。测试主要包含两方面的内容，一方面是航电总线信号的电气特性是否符合相关规范的要求，即电气特性符合性测试；另一方面是航电总线信号的数据是否符合预期，即数据符合性测试。电气特性符合性测试，主要采用示波器等标准设备对系统输出的信号波形进行测试，验证波形的幅值、频率、上升时间、下降时间等是否符合相关规范的要求，如ARINC429总线信号的电气特性，应当符合ARINC429规范；AFDX总线信号的电气特性，应当符合ARINC664规范。数据符合性测试，主要验证参数的编码和解码是否满足ICD要求，可使用相应的航空总线分析仪对数据符合性进行验证。以ARINC429总线信号为例，可采用航空总线分析仪T1200B进行测试，该分析仪能够实现对ARINC429数据字的编码和解码功能。依据ICD文件，分别对每条通道的ARINC429数据字进行测试即可。采用本文提出的方法，设计了一套对飞机CNS系统的航电总线激励系统，并通过了电气特性符合性测试以及数据符合性测试，具有较强的通用性和扩展性。测试过程中的部分波形和数据如图9和表1所示。

针对具体机型的ICD，将设计的航电总线激励系统进行客户化后，先后应用于国产某型飞机和另一国产某型飞机的航电系统集成验证项目当中，为飞机的航电系统仿真验证提供了有力支持。如图10所示。

5 结 论

本文对大型民用飞机航电系统的总线激励技术进行了研究，建立了航电总线激励系统的层次抽象模型和组织结构模型，提出了一种行之有效的设计方法，并以大型民用飞机的CNS系统为例，设计开发了一套完整的航电总线激励系统，具有良好的通用性和扩展性，为大型民用飞机航电系统的设计开发与集成验证提供了有力支撑。

参考文献

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