基于总线仪器的飞行信号再现方法研究

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(空间物理重点实验室, 北京 100076)

基于总线仪器的飞行信号再现方法研究

邱长泉,张艳溶,袁延荣,郭心怡

(空间物理重点实验室,北京100076)

提出基于总线仪器的飞行信号再现方法，将原始飞行数据经解译、数据去噪、插值平滑、信号解算等处理后驱动总线仪器，按照一定的逻辑时序再现飞机飞行过程中产生的各种信号，在地面作为飞行数据记录仪的数据源，解决飞行数据记录仪功能及性能测试真实性、有效性问题;研制的飞行信号管理系统，信号类型包括模拟量、离散量和各种机载总线量，实现飞行信号再现的同时对产生的信号进行自检验证，保证信号再现准确性;系统由硬件平台和系统软件组成，采用网络化集成、集中互联接口、时钟同步和触发、硬件资源模型化、飞参解译、数据去噪、插值平滑、IVI类驱动封装等软、硬件设计及实现中的关键技术;通过系统和某型号飞行数据记录仪联机测试，结果分析证明研制软硬件的功能、性能及信号再现准确性。

飞行信号；总线仪器；飞行数据记录仪

0 引言

飞机等航空器自起飞到降落整个过程各个系统或部件的工作状态可以通过飞行数据记录仪按照时间次序记录的参数体现出来，通常将这些参数称为飞机飞行参数[1]。飞行参数具有重要的应用价值，利用飞行参数可以评估飞机设计性能、分析飞机事故原因、再现飞行视景、考核飞行训练质量、预测飞机故障、管理飞机健康等[2-3]，而本文提出一种基于总线仪器的飞行信号再现方法，用于飞行数据记录仪的数据源，以解决飞行数据记录仪功能及性能测试的真实性问题，增加覆盖性和有效性。文中介绍的飞行信号管理系统(FSMS，flight signal management system)，将原始飞行数据经解译、数据去噪、插值平滑、信号解算等，驱动VXI(VME扩展仪器总线)、PXI(PCI扩展仪器总线)、LXI(局域网扩展仪器总线)和GPIB(通用接口总线即IEEE 488总线)等测试总线仪器，按照一定的逻辑时序真实再现实际飞机飞行时产生的各种信号，同时具备自检验证功能保证再现信号准确性。此外，为验证系统性能，结合某型号飞行数据记录仪给出了系统应用实例。

1 硬件平台

1.1 硬件平台构成

FSMS主要功能是再现飞机飞行时产生的各种信号，用于飞行数据记录仪的测试，其信号类型包括模拟量、离散量和各种机载总线信号量，具有信号种类多、数量大、精度高且时间相关性强的特点。由于总线仪器具备种类齐全、可靠安全及实时性好、同步触发精度高等特点，因此FSMS硬件平台选取总线仪器，主要包括GPIB、VXI、PXI和LXI仪器。

FSMS硬件平台由中心计算机、信号再现子系统、自检验证子系统、数据库服务器等构成，如图1所示。中心计算机处于FSMS的顶层，是整个系统的控制中心，也是唯一的人机交互接口；信号再现子系统由若干台GPIB、VXI、PXI和LXI仪器构成，根据飞行参数再现并输出各种飞机飞行信号；自检验证子系统由若干台PXI、LXI仪器构成，用于验证信号再现子系统输出的飞机飞行信号的准确性和精度；而数据库服务器则用于提供系统内大量数据及配置的存储、读取等服务。信号再现子系统和自检验证子系统还将实时地将自检、运行状态上报至中心计算机用于系统状态监测。

图1 硬件平台构成示意图

1.2 硬件关键技术

系统硬件平台设计及实现中的关键技术包括网络化集成、集中互联接口以及时钟同步和触发等。

1)网络化集成。

在FSMS中，单一测试总线仪器产品无法实现所有的信号类型，必须要采用多种总线仪器。测试仪器总线形式不同控制方式也不同，具体特点也不同：GPIB仪器总线长度短(≤20 m)、速率低(≤8 MB/s)且节点数量受限(最多15台)，基于背板式总线架构的VXI和PXI仪器速率高(VXI可达80 MB/s，PXI可达132 MB/s)但距离受限，LXI仪器基于Ethernet、Intranet甚至Internet网络实现，具有高带宽(可达GB/s级)且不受地理因素限制的特点。为简化系统配置、节约成本，统一多总线设备一体化系统的控制接口，采用交换式Ethernet和TCP/IP协议作为通信平台，构建基于LXI/LAN的混合式系统[4]，以集成高密度、高性能的PXI、VXI仪器到LXI/LAN系统中。具体地，LXI仪器直接连接到Ethernet中，而VXI模块、PXI模块和GPIB仪器则分别通过VXI-LAN网关、PXI-LAN嵌入式零槽控制器和GPIB-LAN网关连接到Ethernet网络。

2)集中互联接口。

集中互连接口是将FSMS中所有通用I/O资源连接到一个统一的信号转接中枢，以集中管理系统中所有激励信号、测试信号输入和输出。参照ARINC 608A标准，FSMS中所有信号都汇集到ICA(interface connector assembly)接口上集中输入输出，同时设计与ICA连接的ITA(interface test adapter)接口和适配器，以实现系统与不同的测试目标机对接，保证系统具备较强的通用性和安全性。在设计ICA和ITA时，首先统计信号的数量，并按照频率、功率、阻抗、幅度等进行分类，再根据类别选择合适的接插件模块；接口适配器完成信号的阻抗匹配、信号调理等功能，对于涉及安全性的信号采用串接保护电阻等方式进行保护。

图3 系统软件功能架构图

3)时钟同步和触发设计。

图2 机箱设备间时钟同步和触发示意图

时钟同步采用菊花链型方式，选择信号再现子系统某PXI机箱中PXI-6653模块的OCXO晶振作为主时钟，按菊花链方式依次连接到各PXI机箱中PXI-6651模块、各VXI机箱中EX 2500模块以及LXI和GPIB仪器的CLK_IN端口。硬触发则采用星型方式将PXI-6653中的触发信号分别路由到上述模块或仪器的TRG_IN端口。在机箱内部的各模块，时钟信号和触发信号分别是通过背板时钟传输线和触发总线传递的。根据实测结果，菊花链型时钟同步的时钟延迟最大值不超过一个周期，即100 ns；星型触发在同轴电缆长度为2 m的情况下，最大触发延迟不超过42 ns，而FSMS对信号再现的同步性要求在亚微秒级，满足系统应用需求。

2 系统软件

FSMS基于层次化、模块化原则设计，以最大限度地实现代码重用、良好扩展，如图3所示。处于软件顶层的是中心计算机软件，是面向用户的用户应用层，主要由基础功能、飞行数据处理、状态监测相关模块构成；处于软件中间层的是测试程序层，解析用户应用层需求并生成测试程序和仪器配置信息，由信号再现子系统数据与信号产生、状态监测、同步触发、接口调用相关模块，以及自检验证子系统数据与信号采集、状态监测、同步触发、接口调用相关模块构成；处于软件架构底层的是仪器控制层，根据中间层获取的仪器配置信息通过IVI接口、VPP驱动、VISA I/O及SCPI等驱动类封装库实现仪器的控制和状态监测。顶层与中间层采用Socket编程基于TCP、UDP协议实现，其中指令及状态传输通过TCP实现，数据传输通过三遍重传UDP实现，以保证可靠性；中间层与底层间通过接口调用模块实现不同底层驱动的统一管理、调度。

系统软件设计及实现中的关键技术主要有硬件资源模型、飞参解译、数据去噪、插值平滑、IVI(Interchangeable Virtual Instrumentation，可交换虚拟仪器)类驱动封装等。

1)硬件资源模型。

为解决系统中诸多硬件资源的管理、调度以及和系统软件的交互问题，采用硬件资源模型化技术对系统硬件资源进行抽象，形成总线仪器模型、ICA模型、ITA模型和测试目标机模型[5]。针对系统中所有总线仪器的固定属性及可控I/O通道属性，建立总线仪器模型，用总线仪器模型库表示；针对系统中总线仪器通道与ICA接点间连接关系，建立ICA模型，用ICA模型库表示；针对系统中测试目标机接点、ICA接点与ITA接点的连接关系，建立ITA模型，用ITA模型库表示；针对测试目标机各个端口对应的飞行数据，建立测试目标机模型，用测试目标机库表示。

图4所示是ICA模型的ICA信息表和ICA关联仪器表。以ICA关联仪器表为例，ICAID、MainFrameID、InstruID、InstruAddr、GateID、GateState、Flag、Coefficient分别表示ICA编号、机箱编号、总线仪器编号、仪器地址、通道编号、通道状态、标志位、调理系数等。

图4 ICA信息表和ICA关联仪器表

2)飞参解译。

通常国内飞行数据记录仪记录的机载传感器数据、总线帧数据都是以帧为单位、以二进制形式按一定顺序存储的[6]，如图5所示。每个帧由帧头及i(i≥1)个子帧组成，每个子帧由j(j>1)个字组成，每个字由k(一般取k=8，k=12或k=16)位组成。帧头部分存储履历信息，长度和格式一般是固定的；数据部分则以子帧的形式记录不同机载传感器的观测值。一般飞行数据记录仪不同，具体的飞参格式也不同，即i、j和k值不同。

图5 帧结构示意图

FSMS基于飞行参数驱动总线仪器再现机载信号前，首先必须通过飞参解译，将二进制飞行数据转换为十进制工程值。模拟量飞参采用三次或更高次非线性方程计算，离散量对照飞机手册中的编码定义进行解译，机载总线量(数字量)飞参将BNR编码或BCD编码转换为十进制数学量再乘以对应的分辨率计算。为使解译软件具备一定的通用性，将不同机型工程值解译需要的信息如文件头结构、帧结构、参数名称、参数地址、还原算法等，建立与之对应的解译配置参数库。基于这些已有配置，FSMS即可通过图6所示译码过程实现二进制原码值到十进制工程值的转换。

图6 译码过程示意图

3)数据去噪。

经过飞参解译得到的工程量中，经常存在由于噪音干扰、电子干扰等因素产生的数据丢失、非正常数据等[7]，在FSMS中使用飞行数据时，需要剔除异常值，对数据进行去噪处理。去噪时根据参数范围、变化率、异常跳变等为判据进行剔除：对于超出参数正常范围的数据，由于模拟量参数的连续性，采用上一时刻有效数据替代当前时刻数据；对于参数变化率超出合理范围的数据，以及出现异常跳变后又恢复正常的数据，也采用上一时刻有效数据替代当前时刻数据；而对于时间出现中断或回退的数据，同样采用上一时刻的有效数据替代，并按数据频率补齐时间序列。

4)插值平滑。

经过数据去噪得到的飞行参数有效数据，可以满足反解算公式的输入输出要求，经反解算后得到机载传感器输出的电压值、电流值、电阻值或其它类型值，用以驱动总线仪器再现真实信号。因不同的参数采样率不同，如某飞参法向加速度的采样率为8 Sa/s，而飞行高度的采样率为1 Sa/s，为保证仿真输出信号的连续性和平滑度，以及同一硬件资源如模拟量板卡的不同通道必须设置相同的更新率，因此对采样率较低的参数按采样率较高的参数进行线性插值。飞行高度0～10 000米线性对应于传感器电压为-10～10 V，图7是直流电压数据线性插值示意图。从图可见，插值后的数据曲线比插值前有较好的连续性，能更真实的再现信号的变化过程。

图7 某直流信号部分数据线性插值示意图

5)IVI类驱动封装。

FSMS硬件种类多，软件在操作硬件资源时，涉及IVI驱动、VPP驱动、VISA库函数以及SCPI命令等多种方式，软件实现方式复杂，系统维护、扩展及升级困难、工作量大。由于IVI 驱动具备的仪器类互操作性特点，因此为解决该问题，系统在软件设计中采用IVI类动态链接库封装方式，如图8所示，对通过SCPI、VISA、VPP进行硬件资源调度的模块进行二次封装，进而形成测试程序层类似于IVI的驱动，并以DLL的形式存在于软件配置中，应用程序通过调用DLL文件实现对硬件资源的操作和调度。系统扩展或升级过程中，增加硬件资源或升级硬件资源后，仅需增加或升级相应的IVI类驱动DLL库文件，即可实现系统的扩展及升级，大大提高了软件再开发的效率。

图8 IVI类封装示意图

3 系统应用实例

下面给出了某型号飞行数据记录仪与FSMS联机测试的实例，验证了飞行数据记录仪接收并存储数据的正确性。具体步骤简述如下：

1)将记录仪和适配器通过专用电缆连接，并将ITA与系统ICA对接；

2)系统上电，同时给记录仪加电；

3)进入中心计算机软件界面，选择“仿真”按钮后进入仿真主界面；

4)选择输入记录仪的直流信号、开关量信号和ARINC 429总线信号，并设置仿真开始、结束时间等，如图9所示。

图9 信号仿真配置界面图

5)点击“开始仿真”按钮，开始集中仿真；

6)等待仿真结束后，关闭系统软件并断电；

7)分离ITA和ICA，分离记录仪和适配器；

8)将记录仪中记录的数据导入到数据回放软件中与原始数据进行对比。

经过多次实验进行数据比对，记录仪中记录的数据与原始数据的一致性达到98.4%。造成数据一致性没有达到100%的原因之一是记录仪采集数据时刻和仿真信号输出时刻存在时间差，或者记录仪采集数据时刻与仿真信号跳变时刻恰好重合，导致采集数据值异常；另一个原因飞参经解译、数据去噪后与原始数据间的差异。上述差异并不是因为飞行数据记录仪自身的设计、工艺等缺陷所引起的，且可以较易地通过数据比对进行识别，不影响对飞行数据记录仪性能测试结果的判定。

4 总结

区别于飞行过程再现、视景再现及故障诊断和趋势预测等飞行参数应用，FSMS以总线仪器为载体再现飞行信号，并用于提高飞行数据记录仪测试的真实性、覆盖性和有效性。系统采用网络化集成、集中互联接口、时钟同步和触发、硬件资源模型化、飞参解译、数据去噪、插值平滑、IVI类驱动封装等多种软、硬件技术，可同时仿真上千路模拟量、离散量和机载总线量，并保证信号精度、时间及量值关联性等。该系统在经过连续运行、并经工程应用后，取得了良好的应用效果。

[1] Andrew Hill Eurocontrol. A Flight Data Management Concept [J]. IEEE A&E SYSTEMS MAGAZINE, APRIL, 2004: 11-16.

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[3] 程 斌,刘 峥,杨 林.基于视景仿真技术的飞行训练过程仿真再现方法研究[J]. 系统仿真学报, 2013, 25(8): 379-382.

[4] Qiu Changquan, Qin Honglei, Chen Yang. Creating Hybrid Test and Measurement System Based on LAN/LXI[A].Jianping, C. International Conference on Electronic Measurement & Instrument[C].IEEE, 2009:960-963.

[5] 邱长泉,路 辉. 飞行数据管理仿真系统软件设计及实现[J]. 测试技术学报, 2011, 25(1): 40-46.

[6] 任昊利,李新明,杨凡德.飞参数据地面处理仿真系统研究[J].系统仿真学报, 2007, 19(11): 2452-2454.

[7] 吴建刚,陈志伟,李曙林，等.飞参记录数据计算机处理的有关问题研究[J].计算机仿真, 2007, 24(2): 17-21.

ResearchonMethodofFlightSignalReproductionBasedonBusInstrument

Qiu Changquan, Zhang Yanrong, Yuan Yanrong, Guo Xinyi

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing 100076, China)

Put forward method of flight signal reproduction based on bus instrument, being used for the facticity and effectiveness of function and performance test of flight data recorder. By decoding, elimination of abnormal value, data interpolation and smoothing and anti-decoding of the original flight data, the test instrument was driven to produce signals according to certain time sequence. The signals used as data sources of flight data recorder in ground station. The researched flight signal management system (FSMS)，which included analog, discrete and bus signals, realizes flight signal reproduction and self-checking, ensuring the accuracy of flight signal reproduction. The FSMS included hardware platform and system software. Hardware platform composition and system software architecture were introduced and the key technology of design and implementation were described, such as network integration, centralized interconnection interface, clock synchronization and triggering, hardware resource modeling, flight data decoding, elimination of abnormal value, data interpolation and smoothing, IVI class package, etc. Through on-line test of the system and the flight data recorder of a certain model, the developed function and performance of both software and hardware and accuracy of flight signal reproduction are proved.

flight signal; bus instrument; flight data recorder

2017-07-31；

2017-08-25。

邱长泉(1984-)，男，辽宁朝阳人，博士，高级工程师，主要从事飞行器测控与通信、自动测试系统等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0273-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.069

V217

A