异地综合试验互联网络技术研究

郭晓燕

(上海飞机设计研究院 国家重点实验室，上海 201210)



异地综合试验互联网络技术研究

郭晓燕

(上海飞机设计研究院 国家重点实验室，上海 201210)

摘要文中以民用飞机电子系统的试验互联体系为例，介绍了一种试验互联网络设计技术。针对在大型复杂电子系统研发过程中，分布式试验设施之间测试信号传输需满足传输时延和品质保真的要求，采用基于光纤互联网络的多电信号适配技术，通过核心部件光纤交换机和信号中继转换装置构建了可级联扩展的试验互联网络体系。根据对原型系统的测试分析表明，在确保信号传输品质的情况下，在500 m传输范围内试验互联网络对典型信号的延时一般不超过60 μs。

关键词试验互联网络；光纤交换机；A/D；D/A

在大中型复杂电子系统研发过程中，会搭建各子系统/组件专用的测试平台或试验室，且不可避免地会在自底向上的增量集成过程中，需要将各类可独立运行的试验设施互联互通，以配合全系统集成验证工作的开展。在互联设备距离较短、被测系统对信号实时性以及稳定性要求不高的情况下可以采用线缆直连或无线GPRS的方式实现测试设备的交联[7]，但这种方法不适用于信号传输距离较远、互联关系复杂且试验系统对信号传输实时性、可靠性要求高的分布式互联测试环境，这种情况下试验体系的互联通常通过高品质的远程信号交换机制来完成。

民用飞机机载电子系统的试验体系是非常有代表性的大型复杂电子系统测试调试环境，在这个系统中跨试验室的系统交联试验是飞机系统自底向上集成验证过程的重要环节，因此试验互联网络的设计对民机型号的适航取证具有重要意义。本文以远程信号交换机制在民用飞机系统集成试验环境中的应用为例，介绍了一种异地综合试验互联网络设计原理，并对该技术的应用情况进行了测试分析。

1总体设计要求

在民用飞机级系统集成验证阶段普遍存在以下几个独立试验体系之间的交联试验需求：航电综合试验体系(包括通信、指示记录、导航、核心处理等系统集成测试平台以及其他非航电系统的小型试验台)、铁鸟(包括飞控、高升力、起落架、刹车、液压试验系统)、动力装置试验体系等。基本交联关系如图1所示。

图1　民用飞机典型试验体系交联架构

如图1所示，试验设施之间的交联信号分为两类：机载设备接口信号和仿真控制信号。在民用飞机系统集成验证试验中，若试验场景对参试设备之间的仿真控制信号的实时性、可靠性要求较高，仿真控制信号一般采用反射内存网络进行传输[8]；如试验场景对仿真控制信号实时性、可靠性要求不高，则采用成本较低的以太网进行仿真控制信号的交联。由于这类互联技术较为成熟，也易于实现远距离传输，本文重点研究机载设备接口信号的异地互联技术。

表1　主要民用飞机机载系统信号

分布式试验环境对试验互联网络的性能要求一般包含以下几点：(1)接口信号传输过程中不能失真，需要“全息”传输，即系统必须如实传送包括误码、丢帧等错误在内的所有内容；(2)信号传输延时要求≤100μs，互联网络对接口信号的调制和解调造成的延时也应包含在整个互联平台传输延时中；(3)试验互联网络对信号传输的误码率要<10-12；(4)互联平台应保证500m以内的数据传输可靠性和稳定性。

2架构设计

本文所研究的异地综合试验互联网络采用基于光纤互联网络的多电信号适配技术，来实现在远距离分布式试验环境之间可靠的传输机载设备接口信号，通信主干网络为2.5Gbit·s-1高速互联单模光纤网络。试验互联网络的核心架构，如图2所示。

图2　异地试验互联网络的核心架构

根据民机试验互联信号的类型、电气特性和互联规模，开发了民机试验互联网络的各主要功能模块，包括：

(1)光纤交换机。承担整个试验互联网络的数据交换任务。光纤交换机处理器选用高性能大容量FPGA，内置PowerPC处理器，外置高精度PLL与时钟Buffer，实现全网统一时钟。光纤交换机采用时隙交换机制实现不同光纤通道之间的数据交换。单路光纤连续1 000bit为一帧数据，一帧数据分为125时隙，每个时隙的有效传输带宽为16Mbit·s-1，其中，有效数据为120个时隙，另外5个时隙用于帧标识和校验。光纤交换机输出端口120个有效时隙中的每一个时隙均可以接受输入端口的任意有效时隙内容。通过时隙交换模式可以确保信号延时的稳定性[1-2]。光纤交换机之间可通过光纤级联，级联光纤有两个作用：一个是可传递整个信号传输网络的路由配置信息，另一个作用就是实现交换机之间的数据复合共享[5]；

(2)中继器。负责实现试验互联信号的电光和光电转换功能。中继器的核心部件是各类电信号的电气适配模块[9]。电气适配模块将各类离散量、模拟量以及总线数字信号转换为光电处理模块能接受的32位内部总线信号。光电处理模块负责按照既定协议将内部数字信号转换为光信号。表2说明了常用试验信号占用时隙的情况，各类信号时隙占用参数是设计光传网络的重要技术依据。为了信号处理的稳定性，试验互联网络确定每个中继器最大承载时隙为240个时隙，即根据每个中继器所处理信号类型及数量的实际情况，每个中继器对外输出1～2路光纤[11-15]；

表2　信号类型与占用时隙对照表

(3)管理控制终端。提供试验互联网络构型控制、时钟同步、状态监控、自检测及故障定位的功能。试验互联网络的管理控制功能根据测试领域的不同有具体的设计需求，本文暂不讨论。

在工程实现中，可根据互联试验设备之间信号传输的类型和规模，具体定义光纤交换机的级联关系及中继器与信号适配卡匹配关系与数量。

3关键技术

对离散量、模拟量、数字总线信号的快速采样与转换技术是异地综合试验互联网络的关键技术。试验互联网络对离散量开关信号的采样转换策略如下：信号采样端电气适配模块采用比较电路转将比较结果通过接口转换电路转换为数字信号，FPGA采集处理数字量，并通过内部接口总线将表示离散量状态的数字信号发送至光电处理模块转换为光纤时隙信号。离散量输出端光电处理模块将光信号转换为数字信号，电气适配模块中FPGA读取数字信号，然后通过接口芯片转换为模拟电路驱动MOS管开关电路输出离散信号[6]。以28V/Open信号为例，信号采样端电气适配模块的设计原理如图3所示。

图3　28V/Open信号采样端电气适配模块设计原理

模拟信号受传输距离和电磁环境的影响很大，在进行远距离传输时需要转换为数字信号。模拟信号的数字化转换可能用到两种技术，分别是：模数/数模转换技术(A/D、D/A转换)以及晶体管-晶体管逻辑电平转换技术(TTL电平)。TTL转换技术适用的信号电平范围较窄，只能还原固定的高低电平信息，因此试验互联网络选用A/D、D/A转换技术进行数模和模数转换。具体到不同的模拟信号其采样端及输出端的转换策略差异较大,以RVDT和LVDT信号为例，采样及输出端电气适配模块的设计原理如图4和图5所示。

图4　RVDT/LVDT信号采样端电气适配模块设计原理

图5　RVDT/LVDT信号采样端电气适配模块设计原理

目前市场上有成熟的板卡/芯片用于ARINC429、ARINC664信号的采集和传输，但采用这种技术不能满足传输时延<100μs的应用需求。以32位高速ARINC429信号为例，货架板卡如：PXI-C429AIT的数据处理时间约为320μs，整个传输链路的时延会在650μs以上。因此，试验互联网络对数字信号的传输主要需解决时延问题。针对ARINC429和ARINC664信号的电气适配模块，试验网络分别基于HOLTA429芯片HI-8582和PHY芯片设计实现，采样物理电平信号，将物理电平进行中继传输，不对协议信号进行任何处理。电气适配模块将信号转换为32位内部总线数据，发给光电处理模块转换为光纤信号。反之，光信号通过光电转换模块转换成32位并行数据，通过电气适配模块的HOLT芯片和PHY芯片转换为数字总线信号输出[10]。

4测试分析

设计人员根据异地综合试验互联网络核心技术架构设计了原型系统，重点关注了A429、A664、RVDT、Resolver信号的互联传输，并开展了针对主要信号类型传输性能的测试。测试情况如下:

(1)ARINC429信号。选用机载ARINC429设备输出ARINC429总线信号，通过直连和试验互联网络分别接收同一ARINC429源信号，用示波器在接收端采样两路信号，检测信号品质并比对延时数据。测试得出结论，试验互联网络对信号带来的延迟约为50μs，所传输信号电气特性满足A429规范的要求[3]；

(2)RVDT信号。通过RVDT模拟设备模拟发送激励信号，激励信号为SIN差分信号，信号频率为1.8kHz。RVDT信号的测试分析分为上电阶段和上电稳定阶段两种情况。用示波器在激励信号发出端和试验互联网络输出端对RVDT信号进行采集比对。测试得出结论，试验互联网络对信号带来的延迟约为18.2μs，所传输信号波形满足要求;

(3)ARINC664信号。通过ARINC664信号仿真设备发出标准ARINC664信号，用数采设备在信号发出端和试验互联网络输出端对ARINC664信号进行采集比对。试验网络对信号的延时约为58μs，所传输信号电气特性满足A664规范的要求[4];

(4)Resolver信号。经比对测试，试验互联网络对Resolver信号的延时约为22.4μs，信号传输品质满足要求；

(5)Ground/Open信号。经比对测试试验互联网络对Ground/Open信号的延时约为20μs。信号传输品质满足要求。

5结束语

本文介绍的异地综合试验互联网络设计技术，在确保信号传输品质的情况下，在500m传输范围内对典型信号的延时一般不超过50μs。高性能的试验设施互联技术对拓展民用飞机系统集成验证试验的深度和广度有重要的应用价值，有利于最大化发挥测试设施的使用效果，提高系统集成验证的效率。

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Research on Distributed Test Interconnection Netwark Techonlogy

GUOXiaoyan

(StateKeyLaboratory,ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute,Shanghai201210,China)

AbstractThis paper takes the test interconnection system of the civil avionics system as an example to introduce a design technique of the test interconnection network. In the process of large and complex electronic system development, it is always a necessary step to implement interconnection project among distributed test facility to meet transmission quality and delay requirement of the test signals. The extensible test interconnection network showed in this paper adopts multi electrical signal adaptation technology based on optical fiber network, and the network is constructed by the core equipment: fiber switch and signal conversion device. Finally the test analysis of the prototype system shows that in the case of ensuring the quality of the signal, the transmission delay is no more than 60μs.

Keywordsinterconnect network of test facilities; fiber switch; A/D; D/A

收稿日期:2016- 05- 03

作者简介:郭晓燕(1976-)，女，硕士研究生。研究方向：航电系统集成验证。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.042

中图分类号TN915.05；TP393

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-147-05