分布式试飞测试内总线研究

邓斐

（江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌，330000）

1 试飞测试技术特点及作用

1.1 试飞测试技术特点

1.1.1 小型飞机试飞测试的特点

小型飞机试飞测试有着以下特点：(1)试飞测试中涉及的参数数量较多，一个新机型的测试参数能够达到上万甚至更多。（2）测试项目种类繁多，小型飞机试飞测试同样涉及到各种项目，包括航空电子总线信号、数字量信号、模拟量参数以及飞机外部测试参数项目等。（3）测试数据量大，因测试过程中的参数数量多、种类多，也导致测试过程中涉及到大量的数据，每架飞机试飞测试设计的数据总量能达到万兆字节。（4）小型飞机测试对测试系统具有一些特殊要求，要求测试系统能够重复使用，且可靠性高、系统体积较小、具备通用性。（5）小型飞机测试中所有测试数据资料必须要传输回地面，同时地面站还能够对整个测试过程进行遥测监控。（6）小型飞机试飞测试中需要做好数据处理的预处理、实时采集分析和数据存储归档等工作。

1.1.2 大型飞机试飞测试的特点

对大型飞机进行试飞测试的过程中，和小型飞机的飞行测试具有较大区别，在小型飞机测试基础上还具有一些新的要求和特点：（1）大型飞机测试同样需要涉及到大量的参数和繁多的项目，以A340试飞测试为例，涉及到的测试参数超过10000个。（2）大型飞机测试要求较高带宽，同时还具有较多高速模拟参数要求。（3）大飞机测试中可以使相关工程师随机飞行。（4）因大型飞机体型大、空间大，因此在测试中可以配备大体积、大数量的测试设备。（5）大型飞机多为民用机，具备更短的测试周期、相对较低的测试成本。

1.2 试飞测试在飞行试验中的作用

对于不同机型的飞行测试而言，试飞测试具备不可忽视的作用，主要体现在以下几面：（1）试飞测试是获取飞行器飞行相关数据的基本方法。（2）能够有效保障试飞安全。（3）能够为试飞测试中涉及的大量数据提供分析方法，提供硬件平台、软件平台支持力度。（4）通过试飞测试能有效缩短飞机的试飞周期、提升试飞效率。（5）通过试飞测试能有效苹果飞机性能，发现隐患和故障并及时排除。（6）通过试飞测试得到飞机飞行相关参数，为航空器设计、优化等提供基础数据。（7）通过试飞测试得到试飞数据，为性能指标评估、飞行奠定报告提供科学依据。

2 分布式试飞测试内总线技术

2.1 总线技术

作为分布式试飞测试总线系统的重要内容，总线技术是核心关键之一，也是采集单元间和单元内进行通信的平台。

实际总线是进行信息共享和信息传输的公共路径，是基于统一标准和技术规范基础上的操作和连接方式。通过总线将一组设备连接在一起组成“总线段”（BusSegment）。不同总线时间相互连接，同时结合总线中的设备构成完整的网络。一次总线操作涉及到总线中所有的主设备和从设备，完整的一次总线操作包括“连接→数据传送→脱开”。

“脱开”（Disconnect）：在完成数据采集和传送操作之后，主设备会进行操作，断开和从设备之间的连接。主设备运行中一旦和从设备（一个或多个）进行连接就能够执行读写操作，经过总线操作后最终可以放弃总线占有权。“读”（Read）数据操作即对从设备中的数据进行读取，“写”（Write）实际是对从设备进行处理，进行备写数据，读写操作实质是主设备和从设备之间的数据传输和存储。在总线中引入管线传送和块传送技术，希望以此提升数据传送速度。在总线信息和数据传输中可能出现“冲突”（Contention），为避免和解决这些问题需要引入总线仲裁（Arbitration），保证同一时刻只有一个主设备占用总线，只有当其完成总线操作之后才能让其他主设备占用总线。

2.2 现场总线技术

信息技术的发展和自动化技术的革新推动了现场总线技术的更新迭代，目前已经形成了开放式系统互联通信网络，并基于此构建了全分布式网络集成自动化系统。在上世纪九十年代形成的现场总线（Fieldbus）主要应用于制造自动化、过程自动化以及家庭自动化等众多领域的现场通信互联，是现场控制系统和通信网络系统的集成，之后的现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）也是基于此发展起来的。作为新一代控制系统其将数字化应用到现场管理中。现场总线控制技术的应用进一步降低了控制系统的建设投入，进一步提高了控制质量，使得最终的系统具有更佳的互换性、开放性、分散性和集成性。同时基于此提出了很多现场总线的标准和规范，包括CAN、P-NET、FF、WORLDFIP、PROFIBUS和LONWORKS等，正因为这些标准和规范的提出影响了系统的开放性和集成性。现场总线技术作为目前自动化领域关注热点，越来越向着统一化、开放化的方向发展。

2.3 分布式实时系统

近年来人们越来越关注分布式实时系统，并且就该方面展开了大量的研究，目前在分布式系统组成和实时应用性质方面的研究主要集中在以下三个方向：①操作系统+基于分布式对象技术的实时扩展模块。在原有操作系统基础上引入分布式技术，结合以COM技术（微软公司）为代表的实时扩展模块进行优化。基于此得到的新型系统主要在弱实时系统进行应用。②实时操作系统+通用操作系统+实时通信。作为目前分布式实时系统中应用最为普遍的形式，实时操作系统的实现主要依靠实时功能模块实现，通用操作系统主要应用于非实时系统，最终能够实现实时通信及实时任务间交换。③分布式实时操作系统+计算机网络。随着人们研究不断深入，此种研究系统也成为人们研究热点之一。

3 分布式试飞测试内总线系统设计与应用

3.1 设计思想与目标

在进行设计中需要充分考虑试飞测试系统的要求和特征，地面配置软件指令能够应用于数据采集器内部总线数据传输功能控制。在进行数据采集的时候首先由地面软件进行配置，并生成相应指令进行控制，保证飞机试飞期间数据的准确采集。总线技术中采用单一指令循环控制执行，保证指令不会变换。采集系统集成化、体积小型化趋势明显，因此本文在设计中采用了不同于现有的内部总线标准，引入时序逻辑实现自定义非标准内部总线设计。

基于此确定本文最终的内部总线设计目标：最大有效传输率能够达到2MB/s，能够支持16个以下的功能插槽，设计中每个功能模块的寻址空间低于64kB。最终设计的功能板卡能够进行信息侦测，且能够实现一源多目的一次数据传输。保证数据能够有效传输到系统控制板卡、PCM编码卡等用户板卡。

3.2 系统结构

3.2.1 分布式采集系统

本文设计的分布式采集系统涵盖两个重要总线：采集器内部总线以及主设备、从设备采集器互连的外总线。外部总线主要应用于数据传输和控制各个分布式微采集器。内部总线作为微采集器内部的总线，主要应用于微采集器内部数据传输和内部控制。设计中涉及到的各个采集器均具备独立的格式、控制、采集和记录、输出功能。且每个采集器均具备从单元工作模式、主单元工作模式和独立工作模式三种工作模式。引入分布式结构后，每个采集器能够基于预设功能的基础上进行数据采集，同时系统外部总线控制下采集器会按照时间和模块进行相应数据采集，保证固定、稳定的时间采集关系。

系统设计中充分考虑数据传输、数据采集需求，需要预先定制检查/地面编制软件，结合任务需求完成系统配置，包括每个采集器功能采集卡的配置、分布式系统拓扑结构定义、传输控制（外总线控制模块）定义。设计中这些定义形成SETUP文件，文件将在外部总线中传递到采集器中，实现数据的循环采集和传输。

3.2.2 总线系统体系结构

本文设计的总线系统结构如图1所示，通过图中所示能够看出采集器内部各个功能模块和控制模块之间依靠总线进行连接控制。并且内总线采用并行传输总线模式，保证内总线具备高数据传输性能，以此实现数据的快速传输和信息的有效控制。外总线主要应用于采集器之间的连接，为保证系统互联还采用通用网络保障系统兼容性。

控制模块用于外总线和采集器之间的连接，而且接口采用网络适配器（NIA）和集线器（HUB）以满足灵活组网需求。

图1 总线系统结构图

3.2.3 验证系统

本文在研究中还引入验证系统，其主要由三个微型采集器构成，其中从采集器是微采集器2和3，而主采集器是微采集器1。主采集器设计按照标准进行，且能够根据用户需求和定义在分布系统中进行从采集器和主采集器的切换。基于此，总采集器包括功能卡、内部总线和系统控制卡。