一种基于AFDX 网络与MATLAB 的系统仿真平台

杜文亮 张彬 航空工业西安航空计算技术研究所

航空电子系统，简称航电系统，它的仿真验证是飞机航电系统开发与设计过程中十分重要的一个环节。通过航电系统的仿真验证可大大缩短研制周期并降低整个航电系统集成的风险和成本。AFDX 网络以其高实时、高安全、高可靠和低延时的特点，满足航电系统对健壮性、兼容性和可扩展性的要求，成为目前机载领域较先进的航空电子系统总线网络。

AFDX 网络由端系统(End System，ES)、交换机(Switch)、链路(Link) 组成，采用双冗余星型拓扑结构，终端之间通过虚链路交换数据，虚链路(Virtual Link ，VL) 定义了一条消息的源地址和目的地址，其中源地址只有一个，每一个虚链路都有自己的带宽。虚链路是AFDX 网络的通信基础，在系统中端系统通过虚链路进行数据帧的交换。AFDX 网络采用全双工交换机、异步传输模式等方法来减少总线竞争，通过静态配置以达到确定性要求。

AFDX 作为新型航空总线技术，已经在空客A380 和400M、波音787 等飞机上得到成功应用，是国际公认的新一代飞机首选通信网络。AFDX 网络承担着飞机航电系统数据传输的重要任务，如果网络出现故障，将影响整个航电系统的功能，因此，必须在对AFDX 网络功能和性能进行全面的验证测试后才能将其投入工程应用。

为适应未来战争需求，新一代战机航空电子系统中具有远程数据采集及传输技术的远程数据集中器是必需配备的。多接口、高速率、移动化的远距离战斗通信系统势必会带来大量远程数据传输，而后台服务器常常需要对这些收集到的远程数据进行动态的数值化、图形化仿真分析。实际工程中，通常通过纯软件的静态方式来实现控制子系统中被控对象的模拟仿真，但这种仿真方法实时性较差，并没有与实际控制子系统相连接，即没有实时地、自动地通过实际交互接口进行数据传输，这与系统实际运行过程有一定的差距，其仿真分析结果也存的较大差异。为了解决这一问题，本文提出了一种基于AFDX 网络与MATLAB 的系仿真平台设计架构，以UDP 通信协议为基础，通过AFDX 技术和MATLAB 仿真接口平台，模型见图1，实现了远程数据集中器（被控对象）与后台服务器之间数据实时动态的交互、处理、和图形化仿真平台，从而有效地完成了远程采集数据的研究分析，为前后方战略决策提供及时有效的数据化支撑。

图1 基于AFDX 网络与MATLAB 的上行数据分析平台模型

1 组建AFDX 网络通信端系统

AFDX网络端系统是AFDX网络与航电系统之间的接口部件，具有发送和接收数据的功能，可以进行虚链路（VL）隔离、发送端流量整形、接收端冗余数据管理、接收端VL 标号识别、完整性检测等操作。AFDX 网络端系统通过AFDX 交换机进行连接，为各宿主机提供高速、可靠的数据通信。

端系统是AFDX 中非常重要的一部分， 它在航空子系统和交换网络之间起到桥梁的作用。负责将航空子系统需要发送的数据流进行整形， 然后按照一定的端系统调度算法将整形完的数据帧经相应的VL 发往目的终端，它还有一个重要的功能：冗余管理，它的作用是保证传输的可靠性。AFDX 端系统从上至下由应用层，传输层，网络层和媒体访问控制层组成。

根据ARINC653 航空电子应用软件标准接口, 本文中AFDX通信端系统选用采样端口。上位PC 机安装AFDX 端系统板卡、VC++及Matlab/ Simulink 环境后。在服务端VC++开发环境中，使用本文平台中上层应用程序，加载配置、创建端口和端口发送/接收，实现上位PC 机与远程数据集中器之间AFDX 通讯链路，然后上层应用程序调用socket()建立网络套接字，并将Socket 和本地IP 和UDP 端口进行绑定，完成服务端UDP 发送/接收操作，进一步实现AFDX 网络与Matlab/ Simulink 仿真平台之间的通信。

2 建立MATLAB 仿真平台

在客户端Matlab/ Simulink 开发环境中，创建客户端UDP发送/接收模块，终端地址、端口的设置要与AFDX 网络中的以太网的IP 地址、端口的设置一致，这就为客户端UDP 发送/接收模块指定了要通信的地址，即完成了发送/接收模块客户端UDP 的相关配置，也就完成了AFDX 网络与Matlab 之间通信任务的搭建。MATLB 实现平台见图2。

图2 基于AFDX 网络与MATLAB 的下行激励控制平台

3 平台功能实现及扩展

用户根接客户端UDP 所接收到远程被控对象数据的类型，在Matlab/ Simulink 中建立相应的可视化数学模型，对接收数据进行实时动态的仿真分析研究，同时也可通过本文提出的仿真平台对远程被控对象进行指令控制,使得远程被控对象按照预定的程序的运行，实现整个机载远程数据采集与传输系统下行激励控制平台智能化控制和上行数据分析平台实时连续的自动化动态仿真。

根据不同应用场景、不同应用系统及地面测试设备等对AFDX网络通信的技术需求，可对本文提出的仿真平台进行扩充或裁剪，便于研究工作的延续。