基于FPGA的AFDX网络高速数据采集器设计*

田　泽，索高华，张荣华，洪元佳

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068)

基于FPGA的AFDX网络高速数据采集器设计*

田泽1，2，索高华3，张荣华1，2，洪元佳3

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068)

AFDX高速网络试飞系统实时采集关键参数的需求，使得研发一种高速、实时、高可靠的AFDX数据采集器十分重要。提出了一种基于FPGA的数据采集器设计方案，充分考虑AFDX网络特有的完整性检查、余度管理、虚拟链路、带宽隔离和流量整形等关键技术，实现网络数据的实时采集、参数挑选和数据转发等功能。通过对AFDX数据采集器进行实测，证明该设备具有通用性强、可靠性高、实时性强、数据处理速率高等特点，完全满足AFDX网络数据采集的应用需求，是一款完全具有自主知识产权的采集设备，为国产化研制及大型飞机的试飞验证提供了有力保障。

AFDX网络；FPGA；数据采集

0　引言

试飞系统是一种通过收集、管理飞行试验过程中所产生的飞行试验数据，建立相关试验对象的数据库管理和应用系统，为航空科学研究提供宝贵的第一手试验数据，是现代航空技术不断发展和提高的必备手段[1]。在试飞系统的开发过程中，实时、高速采集飞行数据成为其关键性的技术之一，本文提出了一种基于AFDX网络的高速数据采集器，实时采集试飞试验中的垂直速度、气压高度、俯仰角、风速、风向等关键信息，广泛应用在AFDX网络大型飞机的试飞系统中。

本文在深入理解航空标准ARINC664P7协议，掌握AFDX关键技术的基础上[2]，结合 AFDX网络海量数据高速传输的特点，设计并实现了一种基于FPGA的AFDX数据采集器，完成网络数据的实时采集、错误帧过滤、参数挑选和数据转发等功能。该采集器是一款完全具有自主知识产权的AFDX数据采集器，实现了数据采集系统的技术指标，完全满足试飞验证要求，是从标准协议理解、需求分析、架构设计与全面验证等完全自主研制的AFDX网络采集设备。

1　AFDX数据采集器工作原理

AFDX数据采集器主要应用于AFDX采集系统中，通过和AFDX网络交换机的任意端口相连，采集余度数据信息，经 AFDX数据采集器处理后，完成100%转发和数据挑参，AFDX采集器的系统架构如图1所示。AFDX采集模块从AFDX1和AFDX2接口处接收AFDX网络的余度帧数据，经过变压器（H1102）、PHY（DP83848YB）将数据调理后与主控芯片FPGA（5CEFA7-U484）进行数据交互处理。FPGA将AFDX接口上的数据采集接收后，给每一帧都附加上接收时间戳信息，进行完整性检查和余度管理处理，处理后的数据一方面参考AFDX挑选参数配置表要求，挑选出需要的数据，按配置表指定的地址空间存储，等待主机通过 PCI接口访问获取；另一方面，将余度后的数据添加以太网帧头信息，并100%地通过 AFDX3接口发送出去，再经以太网交换机转发存储到记录盘中。

图1　AFDX采集模块系统架构

2　AFDX数据采集器系统设计

2.1硬件设计

AFDX数据采集器主要包括 MAC控制管理模块、PCI接口控制模块、完整性检查模块、余度管理模块和挑参控制模块，其设计框图如图2所示，其中灰色的框图为存储模块，其他颜色均为控制模块。由于AFDX网络数据传输量大、数据速率快，需要对处理的数据进行临时缓存，加之模块板卡尺寸的限制，以及采集记录对FPGA的处理能力和存储配置的高要求，因此，FPGA采用 Altera公司 CycloneⅤ系列芯片 5CEFA7-U484中的EPCS64SI16N，配置模式为 AS模，用于控制外部 PHY芯片、PCI接口以及模块的配置、挑参和转发等功能，来完成数据的通信和交互。

AFDX数据采集器各模块的主要功能如下：

图2　AFDX数据采集器设计框图

(1)MAC控制管理模块。MAC采用MII(Media Independent Interface)接口，包括一个数据接口以及一个MAC与PHY之间的管理接口。数据接口用于发送和接收的两条独立信道；MII管理接口是由时钟信号和数据信号构成的双信号接口，主要用来监视和控制 PHY[3]。

(2)PCI接口控制模块。对外 PCI接口满足基本 PCI规范，对后端提供一组读写控制信号，后端读写控制主要是对用户的桥IP读写时序作出相应的翻译，产生对FPGA内部资源的读写控制。

(3)完整性检查。对于两个接收AFDX端口来说具有各自独立的完整性检查表及标志位寄存器组，该寄存器组对应512个 VL_ID，用于记录首次接收到的数据帧，具体流程如图3所示。

(4)余度管理模块。在接收端口完成完整性检查后，将各自的VL_ID序列值及本数据帧的SN号传送给余度管理模块，余度管理模块轮询调度两个接收端口的状态，根据先到先有效原则过滤掉冗余的数据帧[4]，具体流程如图4所示。

(5)挑选参数控制模块。该模块包括接收数据帧管道过滤和参数抽取两大功能。接收数据帧管道过滤是对接收到数据帧依据配置的 VL_ID和 UDP端口号进行过滤，过滤后的数据帧才符合参数抽取条件。对过滤后的数据帧，根据挑选参数配置信息，抽取特定的飞行数据。AFDX数据帧在以太网帧的基础上发展而来，最大帧长为1 518 B，最小帧长为 64 B，挑选参数的范围可以是AFDX帧格式中的任意字节。

2.2软件设计

AFDX数据采集器作为一种通用采集模块，采用纯硬件实现，板卡本身不带软件。与其配合的CPU软件包括上层应用软件和驱动软件两部分[5]，均位于系统上位机中，同时为了更加灵活直观地表达显示处理结果，增加PC端的图形应用界面，方便分析数据，显示处理结果。

CPU端的驱动软件仅提供寄存器访问接口，如初始化、配置加载、参数读取等，均通过寄存器数据的读写操作完成。

上层应用程序主要分为两部分：(1)PCI接口通信程序，负责调用驱动程序与FPGA进行信息交互；(2)CPU用户服务程序，主要进行数据的接收、组成 INET包、发送等功能。其中上层应用程序的基本操作流程如图5所示。

图3　接收数据帧完整性检查流程示意图

图4　接收数据帧余度管理流程示意图

图5　上层应用程序基本操作流程

3　AFDX数据采集器的验证

AFDX数据采集器的仿真测试平台如图6所示，4块AFDX网络仿真卡用于仿真机载航空电子系统，2台AFDX网络交换机实现余度网络的数据转发，AFDX数据采集器接收AFDX网络交换机的数据信息，完成采集、转发、挑选参数功能，上报数据采集系统，将以太网包传送给 PC，经界面解析后完成数据的处理及显示[6]。

图6　AFDX数据采集仿真测试平台

本文所设计的AFDX网络高速数据采集器已经过功能测试、性能测试、协议符合性测试及系统联试等全面的测试验证，实测结果表明，AFDX网络高速数据采集器功能、性能稳定可靠，完全满足系统设计要求。

AFDX网络仿真平台分别发送64 B、512 B和 1 518 B等典型网络数据包对本文涉及的AFDX网络高速数据采集器进行测试，其采样率完全满足设计要求，能完成规定间隔的采集，测试项及测试结果如表1所示。

表1　AFDX网络高速数据采集器测试结果

4　结束语

本文所设计的AFDX网络高速数据采集器是一款符合ARINC664协议，具有自主知识产权的网络采集设备，该采集器实时性强、正确性高、性能稳定，完全满足AFDX网络数据的采集、转发、挑选参数要求。本文详细介绍了AFDX采集记录器的工作原理及软硬件实现技术，并搭建仿真测试平台对其进行功能、性能、协议符合性、系统联试等全面测试验证。该模块设计新颖，尺寸小，功耗低，功能性能稳定可靠，已成功应用于工程实践中，运行状态良好，为试飞验证和 AFDX网络设备的国产化打下了坚定的基础。

[1]曹玉林，胡飞，崔键.Oracle封锁技术在试飞系统设计中的应用[J].微处理机，2006，6(6)：67-71.

[2]ARINC Specification 664 P7，Avioincs Full Duplex switched Ethernet(AFDX)network[S].2005.

[3]叶佳字，陈晓刚，张新家.基于 AFDX的航空电子通信网络的设计[J].测控技术，2008，27(6)：56-58，60.

[4]王治，田泽.一种高性能AFDX监控卡的实现技术研究[J].计算机技术与发展，2010，20(8)：217-220.

[5]杨峰，田泽.基于 USB接口的 AFDX网络 TAP卡设计与实现[J].测控技术2013，32(5)：77-81.

[6]翟正军.基于 AFDX的高速数据采集记录系统设计与实现[J].测控技术 2013，32(5)：17-20.

Design of high speed data acquisition system for AFDX network based on FPGA

Tian Ze1，2，Suo Gaohua3，Zhang Ronghua1，2，Hong Yuanjia3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

AFDX high-speed flight network system needs real-time sampling key parameters,so research and development of a high-speed,real-time and high reliability AFDX data acquisition are particularly important.This paper presents a FPGA-based data acquisition designed to take full account of the specific AFDX network technology,such as integrity checking,redundancy management,virtual link,bandwidth isolation and traffic shaping.It has achieved real-time collection of network data,parameter selection and data forwarding functions.By the test of AFDX data acquisition，it is proved that the equipment has the characteristics of versatility,high reliability,real-time,high speed data processing and so on.The data collector which is fully meet the application requirements of the AFDX network data acquisition has completely independent intellectual property rights,and provides a strong guarantee for the development of the nationalization and the flight test of large aircraft.

AFDX；FPGA；data acquisition

TN91；TP336

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.045

航空科学基金（2015ZC51036）；中国航空工业集团公司创新基金(2010BD63111)

（2016-06-12）

田泽（1965-），男，博士，研究员，主要研究方向：集成电路设计、嵌入式系统开发。

索高华（1985-），女，助理工程师，主要研究方向：集成电路设计及验证。

张荣华（1978-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：SoC设计。

洪元佳（1990-），男，助理工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

中文引用格式：田泽，索高华，张荣华，等.基于 FPGA的 AFDX网络高速数据采集器设计[J].电子技术应用，2016，42 (8)：179-182.

英文引用格式：Tian Ze，Suo Gaohua，Zhang Ronghua，et al.Design of high speed data acquisition system for AFDX network based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：179-182.