基于PXI 总线和反射内存网的接口测试系统设计

文/刘贤敏 周章勇（国营芜湖机械厂）

某飞控仿真系统主要完成飞控系统相关部件的总装前检测，并支持操作员训练或试飞过程中系统故障的再现及排故验证。该飞控仿真系统包含两种试验模式：全数字仿真实验和半物理闭环仿真实验。为实现这两种模式，需设计接口测试系统，实现飞控仿真系统信号在不同设备之间的切换、通断和转接。

飞控系统为强实时系统，反射内存网具有传输确定性、传输延迟稳定性、可靠性、支持跨平台的优点，在实时系统中运用较多。PXI 总线检测系统由于其开放的架构和成熟的体系，使测试系统的构建能采用最先进商业化的硬件和软件技术，成为目前一种主流的测量和自动化系统运载平台。PXI 总线检测系统和反射内存网组合可满足飞控仿真系统可扩展性和实时性。

本文提出了基于PXI 总线和反射内存网构建接口测试系统的方法，以解决在实时状态下的信号管理问题。接口测试系统采用PXI 总线架构，上下位机布置，并用Lab-ViewRT 作为下位机的实时操作系统，通过GE-5565 反射内存卡构建的实时网与仿真系统进行数据交互。

一、系统整体方案设计

某型机飞控仿真系统包含驾驶员操作装置（PCU 传感器、开关信号）、飞控系统成品、飞控仿真系统、飞行仿真系统、电传试验器（电传计算机）、伺服作动器等。飞控仿真系统信号数据交联关系如图1 所示。

图1 飞控仿真系统信号数据交联关系

该系统包含两种模式，全数字仿真试验模式下，接口测试系统采集驾驶员操作装置（模拟量和离散量）转化成反射内存网数据，供给飞控仿真系统（飞控控制律）和飞行仿真系统（飞机仿真）使用。

半物理仿真下，驾驶杆等人机交互信息可通过真实机载设备发出，经电传试验器（电传计算机）到伺服系统；或经反射内存网软件数据注入方式，经接口测试系统转化为模拟量、总线数据供电传试验器（电传计算机）、伺服系统使用。

接口测试系统功能需求如下：

传感器信号的采集功能。传感器主要包含驾驶杆传感器、油门、角位置传感器等，该类信号一般为模拟量。

仿真信号的生成和注入功能。飞控系统与航电系统有大量的信号交联，本实验台针对航电系统的各类信号进行仿真，该类信号一般为总线数据。

仿真机载设备数据与仿真数据之间的切换功能。系统具有全数字仿真模式和半物理仿真模式，两个模式切换，信号源也随之改变，需同步切换。

各类信号数据的并发控制和通信。接口测试系统处理的信号有总线数据、模拟数据、离散量数据等，涉及的设备有激励器设备、传感器、电传试验器等。各类设备的通信方式不一样，因此需要对各类数据统一管理和通信。

为实现以上功能，接口测试系统将信号分为总线数据和非总线数据。上位机实现信号的配置、监控和注入。两个下位机，一个负责非总线数据的处理，一个负责总线数据的处理。为满足系统的实时性，通过GE-5565 反射内存卡构建的实时网与仿真系统进行数据交互。

二、系统硬件设计

接口测试系统由一台上位机和两台下位机（NI 工控机）组成，上、下位机之间采用以太网进行数据传输。下位机分为总线数据下位机和非总线数据下位机。

接口测试系统核心为信号的处理，该系统信号具体可分为传感器检测模块、伺服系统模块、显示控制模块和综合检测模块四个模块。进一步分析各个模块，发现各个模块中主要含直流、交流、离散量和总线量。具体见表1。

表1 接口测试系统信号一览表（单位：个）

数据分析、接口测试系统需要处理的信号有离散量、直流量、总线量。电传系统部分传感器为4 余度，根据信号的数量可以梳理硬件的需求。

非总线下位机，主要由PIORC5565 反射内存卡、PXI-6251 多功能卡、PXI-1044 控制器、PXI-6733 高速模拟输出卡、PXI-4462 交流采集卡和PXI-8110 控制器构成，主要完成PCU信号的采集、飞机数据与实时网（反射内存网）之间的交互，并将实时网的数据信号转化为模拟量输出给电传试验器。总线下位机主要有PXI-8431 串口通信板卡、PXI-8110 控制器、PIORC5565 反射内存卡、PXI-ARINC 429（429 板卡）和PXI-MIL-STD-1553 多功能1553 板卡，主要完成飞控系统与外系统交联数据的仿真、实时网数据与飞控仿真数据交互。硬件框图如图2 所示。

图2 接口测试系统硬件图

三、系统软件设计

本接口测试系统的软件分为上位机运用软件、总线下位机应用软件和非总线下位机应用软件。为方便各类信号的格式通信转化，上位机将ICD通过XML文件描述。上下位机软件均基于LabView平台开发，运行在Windows 操作系统中，下位机运行在LabViewRT实时操作系统中。当进行试验时，由试验人员将执行程序装至下位机，执行程序在LabViewRT实时操作系统中实时运行。

1.非总线数据

非总线数据主要包含直流信号、交流信号和离散量信号，主要有三个功能：数据采集、数据与反射内存网交互和反射内存网数据转换为模拟量发送给电传试验器。

上位机完成与下位机数据收发相关的配置、控制信息的设置，信息通过XML 文件传递给下位机、同时获取监控和显示所需的数据信息。下位机启动PXI 类的接口控制程序，完成数据收发工作。并在时序的控制下，将收发数据写入指定的监控数组。软件流程如图3 所示。

图3 非总线数据流程

2.总线数据

总线数据接口处理主要包含数据仿真和数据以429、1553B协议发送给电传试验器两个功能。上位机完成总线仿真数据的配置，并将配置传递到下位机，总线下位机利用获取的配置文件和控制数据设置相应的总线卡控制程序，启动相应总线数据收发控制；在时序控制等下位机公共程序的协同下，总线和非总线下位机完成数据同实时网的交互，完成数据通过板卡与外部设备的交互，并利用监控模块生成监控数据，软件流程如图4 所示。

图4 实时操作系统流程

3.反射内存网

本接口测试系统作为飞控仿真系统的一个重要组成部分，是整个网络中的一个节点。系统采用GE 公司的VMIC-5565 搭建反射内存网。该板卡的特点为2.12 G串行波特率、更佳的可编程IO(PIO)读取性能。反射内存网可扩展到256 个节点，有两个独立直接内存存取（Direct Memory Access，DMA）通道，通过简单的命令，网上任何节点可以对其他或所有网上节点产生中断。

软件使用LabView，接口测试系统中包含上位机和两个下位机。反射内存通信载体PIORC5565 提供了完整的底层驱动程序，包含GE5565 OPEN、GE5565 PEAK、GE5565 POKE、GE5565 READ、GE5565 WRITE 等。为保证接口测试系统的实时性，本系统进行了统一的时序管理和时间分配，实现了以1 ms 为基本单位的多周期协同控制。

四、实验结果与分析

本接口测试系统完成了模拟数据、开关数据、总线数据在不同设备之间的切换、通断和转换。为满足仿真系统的实时性，系统模拟量数据采集周期为1 ms，429 总线传输周期选择5 ms，1553B总线传输周期为50 ms。实验证明，该系统能较好地满足飞控系统全物理仿真和半物理仿真实验需求，同时支持传感器等飞行参数的软件注入，相比传统飞控系统真实传感器输入，提高了实验的效率。

五、结语

本接口测试系统涉及大量信号采集、切换、通断和控制。数据信号来源有PCU传感器、飞控系统的成品、飞行仿真系统仿真和飞控试验器。数据的类型有模拟、数字、总线等。为实现众多信号的管理，系统硬件设计采用PXI 总线架构和上下位机设置，而基于LabViewRT实时操作系统的软件设计和反射内存卡构建的实时网也最大限度地保证了飞控仿真系统的实时性。