一种机载LRU 通用接口仿真设备研制与设计＊

中国民航大学电子信息与自动化学院 谌宇婷 盛志强 代王菲 李彬 童文涛 崔海青

为了满足民航领域科研、教学对航线可更换单元的需求，本文提出了一种可通用的机载LRU 仿真组件的设计方法，其在硬件接口、电气特性与真实组件保持一致，可通过对内部电路，程序以及前面板的更换来实现不同仿真组件的功能。本文给出了该仿真设备的设计思路、实现方法以及用途，并且以甚高频仿真组件为例，验证所设计的一种机载LRU 通用接口仿真设备具有可行性与实用性。

航线可更换单元（Line Replaceable Unit，简称LRU）是可在工作现场从系统或设备上拆卸并更换的单元。它能在短的时间内对故障部件进行拆装更换，从而达到快速支撑、移动支撑和连续支撑的要求。目前已实现各类机载LRU 的研制，且各类LRU 的研制也使飞机在航线维修和维护中，在较短时间内完成故障LRU 的更换，大大提高了飞机维修的效率。然而，一个真实的机载LRU 组件的实现成本是十分高昂的，在一般的与飞机相关的教学或者是一些关于飞机的仿真实验中，采用高成本的机载LRU 组件是十分浪费财力资源的。为此，本文提出了设计一种仿真机载LRU 通用接口设备的设计方法，实现在接口规范及功能原理上仿真机载计算机、无线电通信导航领域的LRU 功能，并实现硬件部分的通用性和重复利用性。

在董建康等学者关于LRU 仿真件模型的研究文献中，已经提出用“功能模块”法建立LRU 模型，在维修过程中的不同阶段依次建立LRU 仿真件不同功能模型，使其满足飞机维修仿真过程中的不同维修行为，并能够用于飞机各类LRU 建模。本文依据前人已有的关于LRU组件功能模块建模的思维，分析各类LRU 功能特性，根据各类LRU 的不同功能原理，通过更换只是面板和切换机箱内部的仿真程序来实现不同LRU 仿真组件功能。

1 机载LRU 的分类

飞机是由飞机机体、飞机发动机和机载系统三大部分构成。其中机载系统主要实现飞机机械电力保障功能和飞机的信息管理作用。飞机的运行主要依靠系统与系统之间的相互协作以及信号之间的相互关联，而各系统又由更小的机械或者是电子、电气组件相互连接而成。这些小型组件被称为LRU。一旦飞机发生故障，可以在短时间内实现对故障LRU 组件进行拆卸和替换，提高系统维修的效率和经济效益。飞机LRU 主要有电子、机械和发动机三类。如图1 所示，电子类LRU 主要包括计算机、传感器、继电器、显示器、开关等；机械类LRU主要包括：管道、活门、舵面、控制阀门等；而发动机则比较特殊，其内部包含各种管道、活门等机械组件以及发电机和传感器等电子组件。本文中提出的通用机载LRU 仿真设备设计可以实现对无线电通信导航领域中部分电子类LRU 的仿真，比如：VHF 组件、HF 组件、GPS 组件、ADS-B 组件等。

图1 LRU 分类Fig.1 The classification of the LRU

2 通用机载LRU 仿真件的设计

通过以上分析，提出一种电子类LRU 仿真件的方法，设计出一种内部结构相对简单但又具有与真实机载LRU 组件相同的接口和功能的仿真组件。本设计中采用了软件无线电技术，其中软件无线电模块用于收发无线电，并包含不同航电组件模型对应的多种工作模式。结合内部电路模块、指示面板的更换，通过仿真不同模型实现通用功能。除此之外，增加了故障注入模拟功能，用来配合LRU 工作状态指示面板模块实现自检功能。

仿真设备包括机箱及其内外部安装的前面板、交直流电源板、CPU 板、软件无线电模块、离散IO 模块、航空总线通信模块、数据格式转化模块、LRU 工作状态指示面板、航空总线通信模块、航空插头。如图2 所示。在仿真组件运行前，通过离散I/O 模块输出开关量信号，检测组件是否准备完毕。在组件运行过程中，通过CPU板来控制软件无线电模块的工作模式与功能，软件无线电模块获取从CPU 板接收的流图设置信号，并基于流图设置信号从多种工作模式中确定出目标工作模式。当组件运行时，天线会将接收到的信号经过航空插头输入给软件无线电模块，软件无线电模块根据流图设置信号处理后再通过CPU 板将信号输入到数据格式转化模块，对信号进行格式化后输出。LRU 工作状态指示面板用来输出LRU 组件的状态。在组件运行过程中还可以利用航空总线通信模块实现仿真设备于其他系统的通信，通过航空总线通信模块对CPU 板发送“故障”指令实现模拟故障外部注入功能，并将检测结果通过LRU 工作状态指示板输出。

图2 LRU 仿真组件内部结构图Fig.2 The internal structure of the simulation of the LRU-component

下文以VHF 为例，对其设计思路与方法进行详细的说明。所设计的甚高频仿真件主要包括六个部分：仿真LRU 机箱、软件无线电HackRF、树莓派、工作状态指示板、音频输入输出模块以及电源模块。

3 各功能的实现

在甚高频各功能模块实现过程中，CPU 板起核心的控制作用。在选择CPU 板时，可以考虑选择使用单片机或是树莓派作为甚高频内部电路的CPU 板，本文以树莓派为例作为CPU 控制板。树莓派主要功能包括：（1）向LRU 工作状态指示面板输出自检结果。（2）与外部无线通信实现故障模拟注入功能。（3）基于软件无线电模型进行编程和仿真。（4）向音频输入输出模块输入解调信号。

3.1 信号接收与解调功能

利用软件无线电实现信号的接收与解调。软件无线电软件硬件平台采用HackRF One，软件平台采用GNU Radio，在GNU Radio 中搭建出如图3 所示流图。

图3 基于GNU Radio 的VHF 信号接收流图Fig.3 The flow chart of VHF reception based on the GNU Radio

流图过程包括：

（1）HackRF 接收信号。osmocom Source 模块用来接收AM 信号，使HackRF 工作于接收模式。设置采样率samp_rate=10M，Ch0：Frequency（Hz）设置为变量center_freq，同时设置一个滑块channel_freq，默认频率为118.2MHz。

（2）频谱搬移。用一个Signal Source 产生一个频率为center_freq-channel_freq 的余弦波来与接收信号相乘，将目标频率搬移到频谱中心。channel_freq 的取值设定为一个可调节的变量channel_freq。

（3）低通滤波。低通滤波器的截止频率设置为75kHz，过渡带宽为25kHz，Decimation 抽取值为50，经过此模块后的采样率由10MHz 变为了200kHz。

（4）重采样。使用Rational Resampler 模块来继续调整采样率。LP Filter 模块中降低采样率的比值Decimation只能设置为整数，Rational Resampler 模块可以用非整数来更改采样率，将其比值设置为12/5。经过重采样，采样率变化为200k×12/5=480kHz。与接下来AM 解调模块所需要的频率相同。

（5）AM 解调。使用AM Demod 模块来进行AM 解调，AM Demod 模块将AM 无线电信号转为实数音频信号，其中Audio Decimation 为10，表示将采样率480kHz 进一步降低10 倍，变为48kHz，以此来适应 Audio Sink 所要求的48kHz。输入的采样率Channel Rate 设置为480kHz，Audio Pass 设置为6kHz，Audio Stop 设置为8kHz。

（6）音量调节。利用Multiply Constant 模块对Audio Sink 入口的信号乘以一个量来实现调节声音大小。

运行该GRC 程序后，可以看到如图4 所示界面，并且能够听到天津的118.2MHz 的机场塔台电台，同时也可以通过输入或者调节Channel Frequency 的值来获取其他频率的电台。

图4 接收信号频域图Fig.4 Frequency-domain picture of received signal

3.2 模拟故障注入功能

本设计通过航空总线通信模块对树莓派发送指令的方式，实现模拟故障外部注入功能。如图5 所示，将树莓派作为服务器，上位机作为客户端，通过Socket 进行通信。设置树莓派开机自启服务器脚本，当仿真组件上电后，服务器会等待客户端的连接，在客户端连接成功后，可以向服务器输入天线故障、信号解调故障等模拟故障情况，服务器会对指令进行响应后产生测试结果并输出至LRU 工作状态指示面板及客户端。例如，当客户端向服务器输入天线故障，服务器接收到指令后会停止执行负责接收信号（osmocom Source 模块）的脚本并将仿真组件的状态通过LRU 工作状态指示板输出，同时向客户端反馈执行结果。

图5 模拟故障注入系统框架Fig.5 The system-framework of injecting simulative fault

4 组件的实施运行

将上述各模块连接组装成一个甚高频仿真件，并提前在树莓派中设置信号接收解调流图，确定软件无线电的工作模式，实现VHF 组件的仿真。如图6 所示，在仿真组件上电后，树莓派将组件状态信息输入至LRU 状态指示面板及离散IO 模块进行输出。与此同时，软件无线电模块开始工作，接收无线电信号的默认频率为上次仿真组件断电前的频率，也可以通过向树莓派输入频率值来改变接收目标无线电信号的频率。软件无线电将信号进行处理后，通过树莓派输入至音频输入输出模块，音频输入输出模块将其格式化后输出至飞机上的其他组件。除此之外，远程控制终端可以利用Socket 建立与树莓派之间的联系，向树莓派输入模拟故障情况。树莓派会根据指令做出一系列的响应，参阅3.2 部分。

图6 VHF 仿真组件运行流程图Fig.6 The running flow chart of VHF simulation component

5 结语

通过对上述甚高频仿真件的设计与功能仿真，实现了VHF 信号的接收与解调、组件工作状态的自检以及故障注入模拟检测功能，验证了本文所提出的可通用的机载LRU 仿真组件设计方法的可行性。在甚高频设计基础上，可以保持其在硬件接口、电气特性与真实组件保持一致，通过改变内部电路，程序以及前面板的更换来实现不同仿真组件及其功能。

机载LRU 仿真件的设计方法的可行性对解决LRU组件制作成本高昂难以满足民航教育培训与研究需求的问题提供了一个很好的解决思路。可以将机载LRU 通用仿真件用于航空类课程的教学，利用机载LRU 仿真组件可以在课堂上让同学们更加真实的感受到各类飞机的外形以及功能按键，可以更加全面细致的认识飞机各类组件。除此之外在飞机设计阶段集成仿真验证的时候可以用其替代真实组件，在维修的时候，也可以用机载通用LRU 仿真件当作调谐控制面板的辅助测试设备。

引用

[1] 胡启先,王卓健,任帆.LRU可靠性评估仿真模型及实例分析[J].航空工程进展,2019,10(5):634-642.

[2] 董健康,吴昊,刘家学.3D仿真环境下面向维修的LRU仿真件实现方法研究[J].制造业自动化,2013,35(24):68-71+73.

[3] 张鑫磊.飞机维修LRU元模型及其实现[D].天津:中国民航大学,2015.

[4] 张晓.基于GNURadio平台的无线电监测信号分析研究[D].太原:中北大学,2016.