摘  要： 對現役飛機的聯合式航空電子綜合進行了系統分析，提出了基于ICD庫控制的總線仿真測試方法，從而為新機航電綜合實驗室建設和各類型測控系統的設計提供了簡單有效和降低成本的測試方法。
關鍵詞： 航電綜合；1553B總線；拓撲結構；ICD數據庫

    隨著大規模集成電路和計算機技術迅猛發展，飛機上出現了越來越多的航空電子系統，它們都具有從傳感器、信號采集、信號處理到信息顯示與控制一套完整和獨立的功能。向飛機平臺和各系統提供飛行控制、飛機姿態和導航信息等一系列參數。在現役的三代飛機上，航空電子系統已與飛機平臺、機載武器平臺一起作為衡量現代軍用飛機作戰性能的三要素。可以預見，今后其功能還會不斷擴大。
    航空電子綜合是飛機電子系統有效綜合的技術，它采用系統工程的方法，將飛機上通信、導航、電子對抗、任務管理和飛行控制等諸多電子設備，通過機載計算機網絡和控制軟硬件綜合聯系到一起，以達到資源共享的目的，為飛機性能大幅提升和降低成本帶來保證。目前，所有飛機上的航空電子綜合都采用模塊化的開放式結構。因此，利用有效手段模擬仿真飛機上航空電子綜合的真實環境，對飛機的設計論證、性能驗證和測控系統研制具有極其重要的意義，也是該領域的發展方向之一。
1 航空電子綜合的拓撲結構
    航空電子綜合的拓撲結構代表了航空電子設備之間的交聯方式，也比較具體地反映了設備之間的資源調度和控制方式。因此，分析拓撲結構，是航空電子綜合環境仿真與調試驗證的基礎。迄今為止的數十年發展過程中，航空電子系統經歷了分立式、聯合式和綜合式3個階段。
    分立式航空電子系統突出特點是每個航空電子設備都有其獨立的傳感器、數據采集與處理和數據分配單元，各設備之間資源調度不成體系，沒有統一標準，導致系統的控制復雜，影響飛機效能的充分發揮。
    20世紀70年代美國提出了“數字式航空電子信息系統DAIS”，即聯合式航空電子系統。該系統機載電子設備子系統之間通過標準的網絡式數據總線互連，目前應用極為普遍的是軍用1553B總線，實現了設備之間的信息和資源共享，并且大大簡化了設備之間的連接，減小了系統綜合的復雜程度和電纜重量。通信、導航和飛行控制等功能子系統中的信息處理和操作由標準的機載計算機完成，各個子系統都作為功能部件連接到多路總線上，同時各子系統又是獨立的計算機系統，既可當作主總線的功能I/O，又可組織更低一層的分立式信息，顯示和控制的信息通過數據總線與各子系統進行交換，所有信息都由1個平顯和多個多功能顯示器顯示。飛機、武器系統及機載傳感器主要由綜合的操縱桿和油門桿、以及多功能顯示器的周邊鍵進行聯合控制，從而實現了綜合顯示與控制。聯合式航空電子系統是現役飛機的主流，廣泛裝備于F-16等三代飛機上，其典型結構如圖1所示。

2 基于ICD數據庫的仿真測試
    通過聯合式航空電子系統拓撲結構分析可以得出，各航空電子設備通過主總線1553B互連，各子系統可以當作1553B網絡總線的節點來看待。即如果用模塊化的通信單元取代各功能子系統，該通信單元能實時、正確地模擬仿真各功能子系統與總線的信息交換，真實建立航空電子綜合的仿真測試環境，目前在飛機設計、驗證和應用階段就采用了這種方法。
    基于總線的航空電子系統仿真測試方法分為2種模式。(1)從總線節點的底層開發做起，對每一個子系統的數據采集與處理、數據的格式轉換與輸出控制進行具體分析，并對底層資源進行針對性調試，這種模式便于開發，周期很短，但缺點也十分明顯。效率較低、系統不具備開放性和通用性。當測試需求發生變化時無法根據需要增加、調整系統資源，測試系統軟硬件結構不清晰，調試程序可讀性差，給系統的修改、維護造成了極大困難。(2)基于ICD的數據總線測試模式，有效克服了第1種模式的不足，已成為數據總線測試的發展方向。這種模式通過編制詳盡的子系統硬件和軟件接口控制文檔數據庫，將網絡節點物理層等底層資源控制交給專業計算機人員完成，對應用層等開發進行了統一格式管理，這樣對缺少與計算機I/O國際標準定義的各公司1553B板卡控制來說就很方便，不必考慮其具體形式的底層資源，同時具有廣泛的通用性和開放性特征。當測試需求發生變化時，只需根據統一格式修改ICD文件就能達到資源擴充的目的。
    在廣泛的ICD總線測試模式實際應用中還涉及了以下幾個特點：(1)如果以ICD方式進行，當用具體子系統設備取代模塊化通信單元時，可對具體子系統設備進行調試而不影響綜合系統的集成環境；(2)各個具體子系統或通信單元既可作為1553B網絡總線的節點，同時又具有數據組織和控制功能，現役飛機絕大部分為MIL-STD-1553B數據和ARINC429數據可對機載電子設備的各種類型數據進行處理。
2.1 1553B總線協議
    1553B總線的信號傳輸速率為1 Mb/s，采用曼徹斯特Ⅱ型雙向電平碼，可提供最多31個通信終端的總線型互連，使用屏蔽雙絞線為傳輸介質，電纜兩端由與其傳輸阻抗相匹配的電阻器進行端接，遠程終端經由變壓器耦合方式短截線連接到主總線。
    1553B總線定義了指令字、數據字及狀態字3種字格式，每個字為20 bit，包括3 bit同步頭、16 bit信息及1 bit奇偶校驗，如圖2所示。

    指令字是由BC發出的控制RT操作的命令字。它由同步頭、遠程終端地址字段、發送/接收位T/R、子地址/方式字段、奇偶校驗位P組成。
    數據字由同步頭、數據字段和奇偶校驗位組成。同步頭為3 bit時，與指令字同步頭的波形反相，同步頭之后的16 bit是數據內容，最后1 bit為奇偶校驗位。
    狀態字是由接收到指令字的RT發出，表示數據傳輸及RT狀況的響應字。由同步頭、遠程終端地址字段、消息差錯位、測試手段位、服務請求位和備用位等組成，其中同步頭和奇偶校驗位與指令字的對應位相同。
    1553B總線上的數據傳輸是以消息形式進行的，分為數據傳輸、方式控制和廣播消息3類，包括BC~RT、RT~BC和RT~RT等10種交互形式。
2.2 ICD數據庫的設計
    針對飛機型號或測控系統的特殊要求，由專業人員和計算機人員配合設計與總線仿真測試系統交聯很好的總線ICD數據庫，進行總線調試時，直接把要調試的參數通過總線仿真測試卡與總線ICD庫對應，就能自動進行對系統資源的控制，實施1553B數據流傳輸。ICD數據庫是一種邏輯電子數據庫，在此庫中所有總線系統的數據定義都按一定規則存儲，包括系統的邏輯控制、物理量的意義、比例關系、物理量的單位、有無符號位、編碼形式、故障代碼等相關信息，編碼根據需要從1個到幾十個字節。
    基于ICD的數據總線調試系統分為硬件ICD和軟件ICD，整個調試系統以ICD數據庫為核心，向上對局部網絡總線通信的應用層開發數據翻譯、顯示、網絡轉發、總線控制等模塊；向下對底層物理層等開發數據采集、數據塊和RT地址映射等模塊，整個ICD庫由專用可編程數據庫管理工具統一管理，其功能如圖3所示。

2.3 聯合式航空電子綜合仿真測試
    基本設計思路是用具有BC/RT/BM功能的31個仿真能力的1553B總線仿真測試卡，與對應的多臺控制計算機進行功能子系統數據的集中采集和總線數據格式轉換。計算機作為網絡節點具有聯合式方式，從而組成高度仿真的測試系統硬件環境。其中，各計算機配合總線板卡可以進行數據的仿真、采集、記錄、網絡總線數據發送、總線系統狀態的監控、總線負載的測量。由于各總線節點可以獨立仿真，因此這種綜合仿真測試系統可以真實模擬1個BC和多個靜態RT的實時系統，對聯合式航空電子系統進行綜合調試。
    這種測試模式的優點在于：(1)能夠實時采集不同總線的所有數據，并通過網絡將采集到的數據廣播到其他節點上；(2)可隨時根據1個或多個已定義好的數據塊號，從數據庫中把相關的邏輯含義讀到控制程序中，當從1553B MBI板卡采到數據時便可自動依照邏輯含義進行解釋處理，結果傳輸給顯示模塊；(3)總線節點具有數據采集和處理的完全存儲功能，對控制信息、數據信息和狀態信息進行模塊管理。
3 ICD庫總線測試的要求
3.1 實時性數據傳輸控制
    MIL-STD-1553B總線是半雙工方式的串行異步通信，是維系航空電子系統設備間協調工作的數據平臺，因此，必須考慮數據的綜合調度與分配和數據的同步，解決的方式是按固定的數據傳輸時間表工作，即周期性地安排數據傳輸，需要根據數據通信任務的最大和最小發送周期以及允許的傳輸延遲來確定時間表的安排，控制原則是消息傳輸過程中數據刷新率最低的設為大周期(稱為大幀)；消息傳輸過程中數據刷新率最高的設為小周期(稱為小幀)。在1個大周期內，所有周期性的傳輸至少發生1次。為了設計方便，大周期通常被分為2N個小周期，當周期性的消息傳輸完成后，在總線的空余時間進行非周期消息或臨時消息傳遞，考慮到總線負載的均勻分布，每個小周期安排總的消息傳輸量應該是相當的，其控制方式如圖4所示。

3.2 總線負載
    聯合式總線控制一般采用基帶傳輸方式，總線負載描述了承擔的數據傳輸量，它是一段時間內總線傳輸活動時間與這段時間的比值，一般用百分率表示。總線負載反映了數據總線的傳輸總能力的利用率，是衡量總線效率和總線系統設計合理性的重要因素。由于總線系統大體上是按大周期循環進行數據傳輸的，因此，在實際計算總線負載時取大周期為基本時間段。
    在實際測試系統設計時，要求總線負載不超過50%，為系統的擴展留出余地，同時可以充分考慮突發性的消息重試、故障恢復和總線控制權的切換等因素。
    在院校新機教學實驗室建設和工廠各類型測試系統研制過程中，利用本文研究的方法，重點搭建基于ICD庫方式的總線仿真調試環境，對聯合式航空電子綜合進行了高度仿真實裝環境的動態調試，為分析航空電子設備系統機理和故障模式等因素提供了基礎平臺。實踐表明，這種調試方式符合國際發展趨勢，具有良好地推廣應用前景。
參考文獻
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