新型飞机的机载CMCF通讯模型实现

樊智勇　闫小谦

摘要：针对国内缺乏对新型飞机通讯模型研究的状况，本文在研究波音787和空客380通讯模型基础上，按照ARINC624规范，建立了一种中央维护计算功能（CMCF）系统的通讯模型，并经过搭建硬件测试平台和系统数据测试，验证模型符合ARINC规范，这对国内对机载维护系统的研究和对国产大飞机C919的的研究有一定的现实意义。

关键词：ARINC624规范；CMCF；AFDX；通訊模型

中图分类号：R730.58文献标志码：A

Abstract：Aiming at the lack of research on the communication model of aircraft，The anthor of this paper studyed the communication models of the new aircrafts such as the Boeing 787 and Airbus 380，established a central maintenance calculation function （CMCF） communication system model based on the ARINC624 standard；and then built a hardware test platform to verify the model conforms to the ARINC standard.the reserch has certain practical significance on the research of domestic onboard maintenance system and China made aircraft C919.

Key words：CMCF；AFDX；arinc624；communication model

1引言

随着航空电子系统朝着综合模块化的发展，新型飞机对航电系统的通讯容量和传输速度都有了更高的要求，最新系统通讯网络基于AFDX，相较于上一代航空总线ARINC429，其传输速度由最高100Kbs增至最高100Mbs。国外基于对此的研究已有相对前沿的新一代OMS系统研究成果，并应用于B787和A380飞机。随着大飞机项目成为国家“十二五”重点项目，目前我国各科研单位对此研究越来越重视，但还处于技术跟踪和理论研究状态，尚未有独立成熟的理论应用成果。本文基于ARINC624规范和AFDX网络，建立CMCF的通讯模型，对通讯模型各个层次的协议进行了详细的设计，并验证模型的准确性、高效性和可靠性。

机载CMCF是飞机的重要系统，其功能是收集所有和它相连的所有子系统BITE故障数据，并能对这些数据进行综合分析和处理，得到准确的故障报告和故障隔离，提出维修计划建议，提高飞机维护效率。此外，就是机载维护系统最也可以进行发送用户初始测试指令，主动获取飞机相应成员系统的状况，CMCF与成员系统的简单框图如图1。CMCF与成员系统之间可以通过以太网或者AFDX进行数据传输。此外，成员系统与CMCF通讯采取多冗余设计，这样对数据实现多份备份，防止了某一条虚拟链路失效引起的数据丢失，提高了可靠性。

2CMCF通讯模型

ARINC624规范对CMCF通讯模型做了以下规定：

（1）灵活性。满足当前和以后发展的需求。

（2）兼容性。成员LRU中的BITE报告功能的变化不需要强制改变CMC。然而，为了保持与成员LRU改变的兼容性进行的CMC改变需要尽可能的实现最大性能。

（3）数据量最小化。总线上的数据总量应该最小化。

（4）处理器高效性。在LRU和CMC中的处理器的要求数量应该最小化。

（5）协议简洁性。为了保证系统第一次就开始运作，基本协议应尽可能的完善且清楚的描述出来。

（6）一致性。协议应与飞机上其它目的的通信协议保持一致。

（7）适应性。没有要求完全重写协议时，某种总线（例如，ARINC 629）的协议改进应与其它总线相适应，例如ARINC 429、光纤分布式数据接口（FDDI）或以太网LAN。

21传输协议栈的设计

协议各层，可以用构成系统的层与层之间的关联关系的集合进行描述。在数学上，对于分层后的系统S可描述为：

S={Li，Rs}（2-1）

S={L1，L2，L3，…，Li}（2-2）

RS={RS，1，2，RS，2，3…，RS，3，i}（2-3）

式中：S表示系统的分层集合；Li表示第i层；RS表示层与层之间的关联关系集合；Rs，（i-1），i表示第（i-1）层和第i层之间的关联关系集合。

数据传输层应接收来自各个端口发送的数据，实现CMCF与成员系统的数据交换。这里采用UDP协议，UDP是一种无连接传输协议，从而这样一台主机可同时与多台客户机进行数据交互，同时UDP协议通过端口号识别不同程序的数据传输通道，采用UDP协议编写传输层的数据格式既符合CMCF的数据交互需求，又简化消息响应机制。当CMCF接收到成员系统的数据时，对UDP数据报头进行解析，得到数据包的源端口、目的端口、报文长度及校验值。在进行数据校验后，将得到的有效数据通过端口号识别成员系统，并将UDP数据包送入对应的编解码层进行数据解析。当CMCF需要向成员系统发送数据时，先将数据送入缓存区，等待编解码区完成对UDP数据的打包后送入传输层，由传输层再封装并送往对应的成员系统端口。在建立CMCF模型时可对数据传输层的数据流进行记录并存储到通信数据库中，以便后续对CMCF模型进行分析调试。通信数据库的存储内容主要包括：接收（发送）数据时间、源地址IP、源端口号、目标地址IP、目标端口号、数据长度、UDP数据内容。endprint

IP网络层接收用户数据电报协议数据包，通过与最大虚拟链路标准数据包Lmax比对，确定此数据包是否需要分段。接着添加IP报头、消息等，以太网头，并且在子虚拟链路队列里，为以太网帧创建队列。链路级负责调度用于传输的以太网帧，添加虚拟链路序列号码，并越过帧写入到冗余管理单元，同时以太网源地址在传输帧的物理端口上进行编号更新。AFDX数据发送协议栈如图2所示。数据存取，通过PushToBuffer（）函数将解码信息存储到采样缓冲区，缓冲区存储功能提供互斥访问数据；通过PopFromBuffer （）函数将采样缓冲区中的信息取出，缓冲区取出功能同样提供互斥访问数据。

AFDX数据接受协议栈如图3所示。接收是发送的反过程。这一过程开始于一个以太网帧的接收，首先帧校验序列对它做正确性检查。如果没有错误，帧校验序列退出检查，AFDX帧进行完整性检查和冗余管理。最后数据包传递给IP网络层。网络层负责IP检查值区域校验和用户数据电报协议数据包重组。用户数据电报协议数据包被传递给用户数据电报传输层。

22通讯交互过程

以CMCF与成员系统的数据交互为例。按照通讯协议，CMCF与MS（MEMBER SYSTEM，成員系统）之间通讯，首先输入测试ID，并确认执行测试，开始CMCF与成员系统之间的通信握手。CMCF先以广播的方式发送HMPTT命令字，经过一定时间响应，开始进入测试状态即Run Test状态。相应的成员系统收到广播信息并与相应编码匹配，向CMCF发送请求信息，并自动进入测试状态即InTest状态。接着CMCF向成员系统发送ACK确认信息。

3测试

31网络配置

按照以上的设计，在已装好AFDX板卡的Techsat设备上对机载维护系统进行配置。设定机载维护系统（CMCF）的IP地址为10.1.2.1，UDP端口号为61159，成员系统模拟组件IP地址为10.1.1.1，错误检查编码ID为61159，虚拟链路物理地址为03：00：00：00：03：E8，通过CMCF对成员系统模拟组件发送飞机信息命令进行测试。飞机信息发送周期为1000ms，飞行阶段默认静态。

32测试过程

从以下三个方面对模型进行测试，即数据传输的准确性、高效性和可靠性。

CMCF的功能实现建立在与飞机成员系统之间的数据收发基础之上，机载CMCF对成员系统模拟组件的变量设置最终经数据编解码生成AFDX数据帧，通过配置好的AFDX网络进行发送。通过对监控计算机抓取的AFDX数据报文进行拆解分析，与CMCF发送的底层编码进行对比，可以判断仿真系统数据传输功能是否正常。

通过仿真系统对成员系统模拟组件发送飞机信息命令进行发送测试。表1为发送的飞机信息，飞机信息发送周期为1000ms，飞行阶段默认静态。对CMCF的AFDX网络进行配置，将监控计算机和成员系统模拟组件通过AFDX交换机接入AFDX网络，并通过专业的WFDX软件计算机内对机载CMCF仿真系统发送的数据进行抓取并分析，与原发送数据进行对比。如表2为抓取的系统发送的部分AFDX数据包及解析结果，以及传送时间有效性。通过对比发现，飞机状态信息传输正常。

接着对飞机构型信息进行测试，测试结果如表3。对监控计算机抓取的数据包进行解码，其源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、设备号、序列号以及解析出的有效载荷与CMCF发送数据一致，满足测试要求，因此CMCF发送功能正常，能够正常对AFDX数据报进行编码和发送。

4结论

通过测试，对监控计算机抓取的AFDX数据包进行解码后得到的绝对时间、相对时间、端口号、消息状态、时间状态、设备号、硬件号以及软件状态号等有效信息一致，满足测试要求，因此模型有效并且符合符合ARINC624规范。

参考文献

[1]赵瑞云.民用飞机机载维护系统的中央维护功能[J].中国民航大学学报，2008，05：39-42.

[2]周德新，皮依标.机载信息系统维护自检技术研究[J].计算机测量与控制，2015，02：358-361.

[3]陈雯.飞机机载维护系统的设计考虑[J].民用飞机设计与研究，2015，01：91-92+98.

[4]张洁婧.基于诊断的机载维护系统发展与研究[A].航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集，2012：4.

[5]马双云.民用飞机机载维护系统研制设计方法研究[J].科技创新导报，2015，35：25-26.

[6]姚斌.民用飞机机载维护系统发展过程研究[J].科技创新导报，2013，16：79-80.

[7]谭智勇.大型民机飞控系统维护功能及BIT浅析[A].中国航空学会.2015年第二届中国航空科学技术大会论文集[C].中国航空学会：，2015：5.

[8]赵永库，李贞，唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制，2012，01：8-10+30.endprint