面向FC网络的通用监控器设计与应用

崔 萌,王健雄,汪智超,张 旸

(1.中国船舶集团有限公司系统工程研究院,北京 100094;2.中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001;3.海装武汉局,湖北 武汉 430000;4.海军研究院,上海 200443

0 引言

随着航空技术的飞速发展,航空领域对于数据传输和通信的需求变得越来越重要和复杂[1]。在过去的几十年里,航空领域一直使用RS422、ARINC429、GJB289A等总线系统来传输和监控数据。然而,随着直升机系统的复杂化和数据量的增加,这些总线的局限性逐渐显现出来,如带宽瓶颈、信号干扰、布线复杂等。为了克服这些问题,航空工程师们开始研究和应用基于光纤通道技术的FC网络系统。

FC网络是一种高速、可靠的数据传输系统,它采用光纤通道技术和高速串行传输方式,能够满足航空领域对数据传输速度、带宽和可靠性的要求[2]。相比传统的总线系统,FC网络具有更高的传输速度、更低的延迟和更强的抗干扰能力,能够满足航空领域对大数据量、实时和可靠的数据传输要求。为实时监控FC网络的运行状态、数据传输情况和设备故障等信息,并进一步提升直升机安全性和性能,研究和设计了一款面向FC网络的通用监控器。

1 监控器功能需求分析

航电系统的功能复杂化,导致在航电联试、外场试验排故或者地保人员维护机载产品时,使用FC网络通信的直升机机载设备数据传输量增大,因而对FC网络监控器的需求越来越迫切。同时,当今在航空领域中,不同机型需要配备对应机型的FC网络监控器,尚未做到一款监控器多机型使用,以至于在不同机型试验时需要开发完善对应机型的FC网络监控器。此外,现阶段不同的FC网络采集卡配置不相同,致使需要重新开发对应适配的FC网络监控器,监控器使用效率有待提高。

针对上述问题,设计和实现一款面向FC网络的机载通用监控器,适配不同机型试验。基于模型的传递,通过读取总体系统设计输出的XML格式的ICD接口控制文件,监控器软件可自适应生成人机交互的可视化界面,供选择和查看所需要监控的解析数据。并且,为提高使用效率,FC网络监控器自动识别底层硬件所使用的采集卡,然后进行相匹配的FC采集卡使能配置。而且,为方便对各种类型总线监控器统型,包括RS422、ARINC429、GJB289A等总线监控器,在设计FC网络监控器时增加了对不同类型总线监控的软件和硬件拓展接口,使FC网络监控器兼具可适配不同机型、不同设备、不同采集板卡和可切换不同总线监控的功能,具有高通用性,如图1。

图1 FC网络监控器需求功能示意图

2 监控器设计与实现

2.1 监控器总体设计

FC网络作为未来机载数据总线的首选,越来越多的航空单位已经展开对其的研究与应用[3]。FC网络监控器是在FC网络的航电联试环境中进行试验。如图2,一套完整的航电系统与FC网络监控器需要以下部分:FC交换机、使用FC网络通信的设备、FC网络监控计算机(含FC网络采集板卡)。

图2 FC网络监控系统图

面向FC网络的监控器采用分层化设计,分为物理层、中间层、应用层,如图3。

图3 FC网络监控器结构图

其中,物理层为硬件部分,包括监控计算机和FC网络采集板卡等,为FC网络监控器提供硬件的性能支持,保障监控器的正常运行。

中间层是连接物理层和应用层的桥梁,提供了板卡驱动、控制板卡指令和采集板卡数据的接口。中间层统一了物理层对应用层的接口,当物理层使用不同型号的总线采集板卡时,应用层无需升级软件,通过中间层直接调用不同的物理层板卡驱动,采集总线数据。面向FC网络的监控器,中间层可支持提供FC网络采集板卡从物理层到应用层的接口。增加不同类型总线的采集功能,可在中间层进行拓展实现。

最顶层为应用层,负责人机交互的UI界面设计、FC网络数据处理和显示等功能开发。应用层的软件采用模块化设计,使软件各功能模块相互独立,修改或新增单个模块时各个模块之间不受影响。软件模块包括:初始化模块、读取ICD模块、系统设置模块、启动板卡模块、数据采集解析和保存模块、数据回放模块,如图4。

图4 应用层软件模块划分图

2.2 监控器硬件配置

FC网络监控器的硬件配置是确保其正常运行和高效监控的关键。该系统FC网络监控计算机采用Windows 7操作系统,FC网络数据采集卡包括硬件板卡、驱动和FPGA逻辑,具有4路光路口,具备FC-AE-ASM数据采集功能,光接口速率为2.125 Gbps。在此环境下,FC网络监控器能够稳定、安全地运行。

监控器与受试系统的连接方式:使用光纤线缆直接对接系统交换机的监控口(推荐);通过两受试设备点对点连接时搭接分光器与监控器,用光纤线缆连接。

2.3 监控器软件设计

FC网络监控器的核心是应用层的软件设计与实现:使用软件自动识别底层硬件板卡,FC网络监控器进行板卡自适应初始化;利用读取的不同机型的XML文件,FC网络监控器可敏捷适配不同机型,不同系统设备;通过设计人机交互式UI界面,FC网络监控器可将不同系统XML文件兼容显示在可视化界面上,同时灵活选择所监控的FC网络数据,清晰地查看数据解析并回放,一帧一帧查看、分析数据等。FC网络监控器是在Windows 7操作系统下使用QT的C++语言联试开发。软件运行主要包括如图5的流程,图中的各个步骤对应着图4中提到的不同软件模块的功能。

图5 FC网络监控器软件运行流程图

初始化模块自动识别底层硬件FC网络采集卡,进行相匹配的板卡初始化,可通用于不同厂商的FC网络采集卡。同时,模块对UI界面进行详细设计,使UI界面具备根据导入不同机型、不同系统的XML文件自动生成直观的人机交互式界面。

读取ICD模块能够读取不同机型、不同系统总体系统设计输出XML文件的ICD接口控制文件,提取FC网络数据采集解析的关键信息,将信息传递给UI画面自适应更新数据显示,同时可根据ICD信息对FC网络数据进行解析。

系统设置模块可根据使用需求灵活配置板卡参数和数据保存设置。同时,针对统型不同总线监控的需求,系统设置中预留了相关拓展接口。

启动板卡模块结合系统设置模块的参数,便捷地启动FC网络采集板卡,为数据采集做准备。

数据采集解析和保存模块是FC网络数据处理的核心模块。如图6,该模块的主要逻辑是通过调用中间层的接口读取物理层FC网络缓存区50 ms周期内的全部数据;接着在全部数据中匹配数据帧头,获取帧头位置,再按照ICD协议要求对数据进行解析处理。此外,数据采集解析和保存模块会根据保存数据设置,创建需保存的二进制文件,采集数据的同时写入数据,在结束采集时保存并关闭文件。

图6 FC网络监控器软件逻辑图

数据回放模块与数据采集解析和保存模块的区别在于数据回放模块通过读取过去采集时保存的二进制文件解析回放相关数据。数据回放模块的回放功能具备第一帧、上一帧、下一帧、最后一帧、跳转指定帧的功能。

3 监控器试验情况

现阶段FC网络监控器已经参与直升机航电系统联试试验,其中的一个项目中FC网络监控器已投入外场作为地面保障设备供地勤人员使用。打开FC网络监控器主画面如图7。

图7 FC网络监控器软件主画面

单击工具栏中的“打开ICD”,软件自动读取不同机型、设备的总体系统设计输出XML格式的ICD数据文件,提取其ICD关键信息进行可视化显示,可灵活选择试验的应用消息块进行监控,如图8。

图8 FC网络监控器读取ICD数据文件后选择应用消息块画面

根据试验需要,配置FC网络采集卡的监控通道,选择是否需要保存数据,设置监控数据保存路径,如图9。

图9 FC网络监控器系统设置画面

FC网络监控器开始采集后,实时采集所选择的应用消息块数据进行解析、显示,如图10。

停止采集后,FC网络监控器根据需要自动保存监控数据。

单击 “数据选择”进行数据回放,FC网络监控器会自动激活相应的工具栏按键,然后便可一帧一帧或者跳转指定帧进行数据查看,如图11。

图11 FC网络监控器数据回放画面

在相关试验期间,FC网络监控器能自适应板卡初始化,通过读取XML文件适配该机型试验,并能正常进行系统设置、数据采集、数据回放等功能。UI界面便捷人机信息交互,能及时显示网络解析数据进行查看分析。

4 结束语

针对航电联试、外场试验排故或地保人员维护机载产品,设计与实现了一款面向FC网络的通用监控器,可自动识别底层硬件板卡并自适应初始化,读取不同机型的XML文件敏捷适配不同机型、不同系统设备。通过设计人机交互式UI界面将不同系统ICD信息兼容显示在可视化界面上,并正确采集、解析其FC网络数据,根据需要保存数据,回放查看。该设计极大地减轻了航空试验监测FC网络数据的负担,提高了FC网络系统试验和排故的效率和可靠性。FC网络监控器已参与多个机型联试试验,在机载地面保障设备中使用,在试验排故和地面保障扮演着重要角色,取得了不错的成效。同时,FC网络监控器也预留了拓展不同总线数据采集、解析的接口,为未来直升机研究和应用总线监控器统型提供了更多参考价值。