一种反射内存网多系统实时数据传输协议

乔社娟，高振江，刘雨棣，王 琪（.西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安　70077；.西安航空学院 能源与建筑学院，陕西 西安　70077；.陕西四海测控技术有限公司 技术研发部，陕西 西安　70075）

一种反射内存网多系统实时数据传输协议

乔社娟1，高振江2，刘雨棣1，王 琪3
（1.西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安710077；2.西安航空学院 能源与建筑学院，陕西 西安710077；3.陕西四海测控技术有限公司 技术研发部，陕西 西安710075）

为了解决"铁鸟"试验台飞机仿真试验中多系统间的数据共享问题，使数据在传输过程中具有更强的实时性、高效性和异常诊断性，提出了一种反射内存网实时数据传输协议，搭建了基于反射内存网的网络结构，描述了反射内存卡中断方式传输数据的缺陷，介绍了多系统内存分布和数据传输协议。理论分析和试验结果均表明，本协议能够满足"铁鸟"试验台飞机仿真试验中多系统间实时数据传输需求，同时能够快速诊断各系统异常情况，提高了在仿真试验中飞机飞行的真实性和逼真度。

反射内存网；飞机仿真试验；多系统；传输协议

“铁鸟”试验台与真实飞机按1:1比例设计，使飞控、液压、起落架等系统的机械安装接口和安装方向与真实飞机一样，保证各种试验的有效性和真实性。飞机仿真试验系统是模拟飞机的飞行状态、飞行环境和飞行条件，给飞行员提供相似的操纵负荷、视觉、听觉和运动感觉的一种模拟系统［1-3］，是飞机研究领域的一个重要分支。仿真数据源主要来自舵面角度、油门数据、液位等数据采集系统，仿真数据目标主要用于模拟飞机高度、惯导、航姿等决定飞机控制性能的加载、操纵系统，仿真数据源和目标的实时性和准确度决定了飞机飞行的真实度和逼真度。

以往仿真系统与其它系统数据交互采用单机直联或网络通讯模式，单机直联模式具有以下缺点：1）限定了多系统摆放位置，需要将数据交互系统尽可能的集中；2）直联线缆传输会损耗数据值；3）增加了各个系统硬件设计的复杂性和接口的繁多性。目前，高速网络技术已在航空领域普遍应用，避免了单机直联的缺点，高速网络技术主要有光线通道传输、千兆以太网传输和反射内存网等，反射内存网通过反射内存卡和光纤构成的实时通讯网络具有稳定的传输性、确定的低传输延迟、节点多、移植性强、支持硬件中断等特点［4-6］，成为高速数据传输的关键技术之一，尤其在仿真技术网络方面，但是，反射内存卡目前最多只支持3个中断，对于需要包含较多的其它系统与之间进行高速数据交互的飞机仿真系统仅靠中断解决不了问题，而且反射内存网目前的异步和周期通讯协议存在不通用性等缺点［7-9］。

文中利用GE PCI-5565反射内存卡和多模光纤设计一种可实现多系统实时高速数据传输协议，同时能够实时判断出各个系统通讯异常情况，提高了飞机飞行品质和操纵系统的评估性能。

1　网络结构与需求分析

1.1网络结构

多系统实时数据传输网络基本采用分布式网络［10-12］，飞机仿真试验系统主要与液压系统、温度系统、加载系统、操纵系统等试验系统进行数据传输交互，考虑到各系统本身的独立性，以及各系统之间的关联性，飞机仿真试验系统与各系统分别摆放在不同的位置，相隔几百米，而且所有的系统数据需要试后进行统一管理和相关性分析，因此需要大型数据库系统和管理系统，所有系统之间主要通过反射内存卡和多模光纤组成网络与其它系统通讯，网络结构示意图如图1所示。

图1　反射内存网飞机仿真试验多系统实时网络结构

1.2需求分析

由于各节点之间通过反射内存卡分配的内存空间和光纤交互数据，对数据传输协议提出几点性能要求：

1）传输实时性：飞机仿真试验系统决定了飞机飞行的真实性和逼真度，提高飞行品质，高速数据采集系统之间的数据交互延迟不低于10 ms，低速数据采集系统之间的数据交互不低于1 s，例如仿真系统与加载系统之间的数据传输延迟不得低于10 ms，仿真系统与温度系统之间的数据传输延迟1 s完全能够反映出温度的实时变化。

2）各系统差异处理：各系统的信号变化具有缓急之分，如加载系统和温度系统在实时性上差异1 000倍，而且数据量差异也较大，因此，针对不同的系统需要不同的传输方式和内存空间大小，如果按照一致的传输方式将会导致无法保证飞行品质或者浪费效率资源。

3）纠错能力强：各系统数据传输过程中提高传输的可靠性，保证数据的准确性，必须采用一定的校验方法。

4）异常诊断：各系统之间相互独立，仅有关联数据进行传输，若某个系统出现了异常情况，而仿真试验系统没有及时获取到仍然采用原有数据进行仿真控制，将会导致飞机的安全性，因此，必须及时诊断出各系统的运转情况，通过判断采取不同的应急措施。

2　实时数据传输协议设计

数据传输协议通常都是接收双方对一包数据的包头、包尾、信息体格式、速率与纠错方法的一种规定［13］。每种协议在制定前首先需要了解所选用的网络原理

2.1反射内存网原理

反射内存网是一种专用的高速实时网络，主要由反射内存卡和光纤连接组成，网络中的每个节点需要插入一块内存卡，支持PCI、PMC等多种总线接口，每个节点中的内存区域中的数据在整个网络中处于共享状态。反射内存卡是无需软件参与仅靠硬件操作的一种传输方式，节点之间数据传输亦不需要CPU参与，在几百ns级的确定时间周期内能够完成数据传输，可以满足高速实时系统快速性要求；同时不需要考虑网络的通讯协议，软件读、写操作简单灵活，适合不同反应周期的要求［14-15］。文中采用GE PCI-5565反射内存卡、ACC-5595反射内存交换机和MMF（1 300 nm）设计一种多系统多通讯方式的高速实时数据传输协议。

2.2反射内存网中断缺点

反射内存卡支持中断方式通知各个节点接收数据，通长支持3个中断，而且用户可以定义中断的优先级与具体功能。但是，反射内存卡的中断不适合多系统高速数据传输，首先，中断个数有限不能完成3个以上系统的实时中断数据传输方式，其次，中断请求后得到中断应答方可进行本次数据的接收，最后，利用中断方式需要占用CPU使用率。基于中断缺点，在多系统实时数据传输中主要根据整个网络系统的不同特性要求需要设计不同的数据传输协议。

2.3反射内存分布

根据反射内存网的特点：1）反射内存网中每个节点的节点号必须唯一，节点号顺序不重要，只需通过NODEID读取即可；2）同一内存区域不能被多个系统同时进行写操作，可同时进行读操作，如同时写操作必须进行加锁机制将会导致增加开销。因此，数据传输协议需要给每个系统单独开辟一块内存区域，单个系统开辟的指定的内存区域仍需进行详细划分便于管理。

针对飞机仿真试验系统，整个网络中的系统有12个节点，由于各个系统承载的数据量不同，例如液压节点承载的数据量远比温度节点承载的数据量大，数据库节点只从各个系统内存中读取数据，即只需划分命令字段无需数据字段，所以将网络中每个系统上的反射内存卡的内存分为大小不同的13块，飞机仿真试验多系统反射内存分布如图2所示。

为了后续维护方便和二次开发，每块内存区域都具有预留空间，并且针对实际情况，整个内存卡也保留预留，在整个内存房内仍可增加节点系统。

2.4协议结构

为实现多系统之间统一管理、资源节省和实时高速传输，协议结构要求：1）将每个节点划分为5个子区域：命令字段、试验配置段、通道配置段、数据段和预留段；2）数据库节点只读不写，数据库节点只有命令字段；3）不同系统需要数据交互的信息不同，数据段分配内存大小不同。单节点协议结构如图3所示，起始地址是相对每个分系统地址的绝对地址。

图2　飞机仿真试验多系统反射内存分布

图3　单节点协议结构

命令字段的大小和格式各节点完全相同，主要是管理系统对各分系统发送的执行信息和各子系统反馈给管理系统的信息。命令字段主要由信息头、信息体和校验位，校验方式采用和校验，即：前15个字节和的低八位。命令字段协议结构如图4所示。

图4　命令字段协议结构

试验配置段和通道配置段主要包含每次试验各个系统试验通道、采样率、刷新频率、物理量转换关系、信号类型等信息。只要配置信息发生更改实时自动更新反射内存对应区域中的信息。

数据段主要是各分系统当前试验的数据，包含仿真试验系统数据源和数据目标，包含数据段字节大小、系统代码、通道数、传输次数、数据和预留，字节大小包含自身大小。为了减少内存开销，所有分系统的数据以int型存放。数据段协议结构如图5所示。

图5　数据段协议结构

命令字段传输次数开始都初始化为0，是每个节点连接网络后周期性向自身系统节点区域的命令字段写入命令字，系统连接网络时间不同命令字段的传输次数不能作为同步所用，仅作为系统状态的进一步判断，命令字段的传输次数变化时系统状态命令字才有效，如果传输次数在一定时间内不发生变化，即使命令字段的系统状态是正常，此时系统已经发生了通讯或者系统本身异常情况，系统状态的正常仅表示命令字段最后一次更新的内容。

数据段传输次数开始初始化为0，是每个节点开始真正试验传输试验数据时周期性向自身系统节点区域的数据段写入数据信息，通过硬件同步触发各个系统同步试验，所以传输最开始值一样，第一次都为0，但是各个系统有缓急之分，写入数据的频率不同，所以后续传输次数不相同，但是传输次数对于单个系统是一个变化量，亦可作为判断试验状态的依据。

命令字段和数据段的读/写操作在两个线程中完成，命令字段内存操作周期长，试验数据内存操作周期短，当命令字段和数据段传输次数都不发生变化时，命令字段的传输次数优先级高，认为单个系统异常；如果命令字段系统状态正常传输次数变化征程，当数据段传输次数不发生变化时只作为单个系统的试验过程异常，比如：液压系统采集任务发生异常，管理系统根据分系统异常情况决定是否需要将所有系统停止试验。

2.5协议实现

根据上述飞机仿真试验系统的协议结构和现场布局的要求，分为13个节点，需要具有8口的反射内存卡交换机两个，仿真、液压、加载、操作等高速数据系统数据传输间隔设定为10 ms，数据传输的读/写操作单独分配一个线程，温度系统传输数据最少，实际占用512字节，液压系统传输数据最多，实际占用2.56 M字节，每张内存卡至少需要128 M反射内存卡，各个系统启动后，清空反射内存卡中各自内存区域中的内容，初始化协议和各种变量，由于各个系统缓急不同，而且命令字段和数据段的传输频率不同，因此各系统将命令字段和数据段的传输单独处理，不同系统数据段的传输周期单独处理。采用测控系统中图形化编程环境LabWinows CVI 2012，使用线程池的多线程技术，选用GE PCI-5565内存卡，主要API定义如下：

1）STDRFM2GCALLRFM2gOpen（char *DevicePath，RFM2GHANDLE*rh），启动内存卡，返回内存卡连接句柄rh，后续所有对内存卡的操作都以rh作为唯一身份识别；

2）STDRFM2GCALL RFM2gClose（RFM2GHANDLE*rh），退出内存卡，试验结束，退出内存卡；

3）STDRFM2GCALL RFM2gNodeID（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_NODE*NodeIdPtr），获取内存卡 NODEID，利用NODEID在网络中的唯一性作为各系统的系统代码；

4）STDRFM2GCALL RFM2gRead（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32Offset，void*Buffer，RFM2G_UINT32 Length）；读操作，根据输入的内存卡句柄rh、内存卡的决定地址偏移量Offset和读取长度Length返回对应地址区域内的信息Buffer。根据实际情况和各字段内的结构分解命令或数据；

5）STDRFM2GCALL RFM2gWrite（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void*Buffer，RFM2G_UINT32 Length），写操作，将Buffer中的内容写入到指定句柄rh、指定偏移量和指定长度的内存区域中。

3　测试与分析

3.1测试环境

通过光纤MMF（1 300 nm）将各个系统的反射内存卡PCI-5565连接在高速互联交换机ACC-5595-208，交换机与系统之间最远距离是200 m，最近距离是2 m，启动12个节点，各节点设置为自身试验饱满状态，各个系统命令传输次数为1 次/秒，其它参数配置如表1所示。

表1　各节点参数配置

3.2测试结果及分析

首先，启动12个节点系统，自动连接网络，各系统按照周期为1 s的速度发送命令字段，主要是呈现各节点的系统改状态，管理系统获取各节点系统状态，待所有系统状态连接正常并且处于空闲状态。

其次，除管理和数据库节点各系统配置参与试验的通道，设置试验配置参数，并且将试验配置和通道配置实时更新在内存区域中，同时更新系统状态为软件配置参数已与硬件状态一致。

再次，管理节点确认所有参与系统的配置完成后，下发同步启动命令，采集系统接收到命令后完成硬件采集配置，接收到硬件同步触发信号后开始采集，仿真系统时刻获取采集系统数据经过一定算法计算出加载、操纵等控制系统的数值，时刻写入到内存区域中。

最后，管理系统周期性获取命令字段和数据段信息，考察系统状态和传输次数决定是否系统出现异常或者试验系统出现异常，根据异常情况采取终止试验等措施。

反射内存多系统实时数据传输协议主要考察多系统不同输出速率和传输数据大小的实时性和异常诊断性。经过反复多次试验，本协议嫩能够满足飞机仿真多系统试验要求，具体数据如表2所示。异常诊断根据实际要求，表2中是按照数据传输次数3次未发生变化时得出的异常诊断时延

表2　反射内存多系统数据传输协议性能

4　结束语

文中设计了一种基于反射内存网的多系统数据传输协议，介绍了针对飞机仿真试验中，不同缓急系统、不同传输实时性的12个系统节点的数据共享协议结构，协议具有通用性、实时性和异常诊断性。该协议已在某大型“铁鸟”试验台飞机仿真试验系统中得以应用，试验结果表明本数据传输协议能够实时解决飞机仿真试验中12个系统数据传输问题，同时能够快速发现各系统异常情况，避免了反射内存网中断的限制和CPU占用率高的问题，提高了飞机飞行的真实性和逼真度，为进一步研究大型飞机提供一定基础。

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A kind of real-time data transmission protocol based on reflective memory network in multi-system

QIAO She-juan1，GAO Zhen-jiang2，LIU Yu-di1，WANG Qi3
（1.School of Electronic Engineering，Xi'an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；2.School of Energy＆amp;Architecture，Xi'an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；3.Shaanxi Sunhigh Measurement and Control Technology co.ltd，Xi’an 710075，China）

In order to solve the problem of the data sharing in aircraft simulation test system of"iron bird"test-bed，more real-time，efficient and abnormity diagnosis in the transmission process.A kind of real-time data transmission protocol based on reflective memory network is proposed，the network structure is built，and the defects of interrupt mode in reflective memory card itself are described，memory allocation and data transmission protocol are introduced.Theoretical analysis and test results show that this protocol can meet the real-time requirements of data transmission between multi-systems of"iron bird"test-bed，and can quickly diagnose the abnormal situation of the system.The authenticity and fidelity of the aircraft flying in the simulation test were improved.

reflective memory network；aircraft simulation test；multi-system；data transmission protocol

TN919

A

1674－6236（2016）11-0137-04

2016-02-16稿件编号：201602050

国家自然科学基金资助项目（61302066）

乔社娟（1982—），女，陕西渭南人，硕士，工程师。研究方向：自动化与测控技术。