面向FC網絡的通用監控器設計與應用

崔 萌,王健雄,汪智超,張 旸

(1.中國船舶集團有限公司系統工程研究院,北京 100094;2.中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001;3.海裝武漢局,湖北 武漢 430000;4.海軍研究院,上海 200443

0 引言

隨著航空技術的飛速發展,航空領域對于數據傳輸和通信的需求變得越來越重要和復雜[1]。在過去的幾十年里,航空領域一直使用RS422、ARINC429、GJB289A等總線系統來傳輸和監控數據。然而,隨著直升機系統的復雜化和數據量的增加,這些總線的局限性逐漸顯現出來,如帶寬瓶頸、信號干擾、布線復雜等。為了克服這些問題,航空工程師們開始研究和應用基于光纖通道技術的FC網絡系統。

FC網絡是一種高速、可靠的數據傳輸系統,它采用光纖通道技術和高速串行傳輸方式,能夠滿足航空領域對數據傳輸速度、帶寬和可靠性的要求[2]。相比傳統的總線系統,FC網絡具有更高的傳輸速度、更低的延遲和更強的抗干擾能力,能夠滿足航空領域對大數據量、實時和可靠的數據傳輸要求。為實時監控FC網絡的運行狀態、數據傳輸情況和設備故障等信息,并進一步提升直升機安全性和性能,研究和設計了一款面向FC網絡的通用監控器。

1 監控器功能需求分析

航電系統的功能復雜化,導致在航電聯試、外場試驗排故或者地保人員維護機載產品時,使用FC網絡通信的直升機機載設備數據傳輸量增大,因而對FC網絡監控器的需求越來越迫切。同時,當今在航空領域中,不同機型需要配備對應機型的FC網絡監控器,尚未做到一款監控器多機型使用,以至于在不同機型試驗時需要開發完善對應機型的FC網絡監控器。此外,現階段不同的FC網絡采集卡配置不相同,致使需要重新開發對應適配的FC網絡監控器,監控器使用效率有待提高。

針對上述問題,設計和實現一款面向FC網絡的機載通用監控器,適配不同機型試驗?；谀Ｐ偷膫鬟f,通過讀取總體系統設計輸出的XML格式的ICD接口控制文件,監控器軟件可自適應生成人機交互的可視化界面,供選擇和查看所需要監控的解析數據。并且,為提高使用效率,FC網絡監控器自動識別底層硬件所使用的采集卡,然后進行相匹配的FC采集卡使能配置。而且,為方便對各種類型總線監控器統型,包括RS422、ARINC429、GJB289A等總線監控器,在設計FC網絡監控器時增加了對不同類型總線監控的軟件和硬件拓展接口,使FC網絡監控器兼具可適配不同機型、不同設備、不同采集板卡和可切換不同總線監控的功能,具有高通用性,如圖1。

圖1 FC網絡監控器需求功能示意圖

2 監控器設計與實現

2.1 監控器總體設計

FC網絡作為未來機載數據總線的首選,越來越多的航空單位已經展開對其的研究與應用[3]。FC網絡監控器是在FC網絡的航電聯試環境中進行試驗。如圖2,一套完整的航電系統與FC網絡監控器需要以下部分:FC交換機、使用FC網絡通信的設備、FC網絡監控計算機(含FC網絡采集板卡)。

圖2 FC網絡監控系統圖

面向FC網絡的監控器采用分層化設計,分為物理層、中間層、應用層,如圖3。

圖3 FC網絡監控器結構圖

其中,物理層為硬件部分,包括監控計算機和FC網絡采集板卡等,為FC網絡監控器提供硬件的性能支持,保障監控器的正常運行。

中間層是連接物理層和應用層的橋梁,提供了板卡驅動、控制板卡指令和采集板卡數據的接口。中間層統一了物理層對應用層的接口,當物理層使用不同型號的總線采集板卡時,應用層無需升級軟件,通過中間層直接調用不同的物理層板卡驅動,采集總線數據。面向FC網絡的監控器,中間層可支持提供FC網絡采集板卡從物理層到應用層的接口。增加不同類型總線的采集功能,可在中間層進行拓展實現。

最頂層為應用層,負責人機交互的UI界面設計、FC網絡數據處理和顯示等功能開發。應用層的軟件采用模塊化設計,使軟件各功能模塊相互獨立,修改或新增單個模塊時各個模塊之間不受影響。軟件模塊包括:初始化模塊、讀取ICD模塊、系統設置模塊、啟動板卡模塊、數據采集解析和保存模塊、數據回放模塊,如圖4。

圖4 應用層軟件模塊劃分圖

2.2 監控器硬件配置

FC網絡監控器的硬件配置是確保其正常運行和高效監控的關鍵。該系統FC網絡監控計算機采用Windows 7操作系統,FC網絡數據采集卡包括硬件板卡、驅動和FPGA邏輯,具有4路光路口,具備FC-AE-ASM數據采集功能,光接口速率為2.125 Gbps。在此環境下,FC網絡監控器能夠穩定、安全地運行。

監控器與受試系統的連接方式:使用光纖線纜直接對接系統交換機的監控口(推薦);通過兩受試設備點對點連接時搭接分光器與監控器,用光纖線纜連接。

2.3 監控器軟件設計

FC網絡監控器的核心是應用層的軟件設計與實現:使用軟件自動識別底層硬件板卡,FC網絡監控器進行板卡自適應初始化;利用讀取的不同機型的XML文件,FC網絡監控器可敏捷適配不同機型,不同系統設備;通過設計人機交互式UI界面,FC網絡監控器可將不同系統XML文件兼容顯示在可視化界面上,同時靈活選擇所監控的FC網絡數據,清晰地查看數據解析并回放,一幀一幀查看、分析數據等。FC網絡監控器是在Windows 7操作系統下使用QT的C++語言聯試開發。軟件運行主要包括如圖5的流程,圖中的各個步驟對應著圖4中提到的不同軟件模塊的功能。

圖5 FC網絡監控器軟件運行流程圖

初始化模塊自動識別底層硬件FC網絡采集卡,進行相匹配的板卡初始化,可通用于不同廠商的FC網絡采集卡。同時,模塊對UI界面進行詳細設計,使UI界面具備根據導入不同機型、不同系統的XML文件自動生成直觀的人機交互式界面。

讀取ICD模塊能夠讀取不同機型、不同系統總體系統設計輸出XML文件的ICD接口控制文件,提取FC網絡數據采集解析的關鍵信息,將信息傳遞給UI畫面自適應更新數據顯示,同時可根據ICD信息對FC網絡數據進行解析。

系統設置模塊可根據使用需求靈活配置板卡參數和數據保存設置。同時,針對統型不同總線監控的需求,系統設置中預留了相關拓展接口。

啟動板卡模塊結合系統設置模塊的參數,便捷地啟動FC網絡采集板卡,為數據采集做準備。

數據采集解析和保存模塊是FC網絡數據處理的核心模塊。如圖6,該模塊的主要邏輯是通過調用中間層的接口讀取物理層FC網絡緩存區50 ms周期內的全部數據;接著在全部數據中匹配數據幀頭,獲取幀頭位置,再按照ICD協議要求對數據進行解析處理。此外,數據采集解析和保存模塊會根據保存數據設置,創建需保存的二進制文件,采集數據的同時寫入數據,在結束采集時保存并關閉文件。

圖6 FC網絡監控器軟件邏輯圖

數據回放模塊與數據采集解析和保存模塊的區別在于數據回放模塊通過讀取過去采集時保存的二進制文件解析回放相關數據。數據回放模塊的回放功能具備第一幀、上一幀、下一幀、最后一幀、跳轉指定幀的功能。

3 監控器試驗情況

現階段FC網絡監控器已經參與直升機航電系統聯試試驗,其中的一個項目中FC網絡監控器已投入外場作為地面保障設備供地勤人員使用。打開FC網絡監控器主畫面如圖7。

圖7 FC網絡監控器軟件主畫面

單擊工具欄中的“打開ICD”,軟件自動讀取不同機型、設備的總體系統設計輸出XML格式的ICD數據文件,提取其ICD關鍵信息進行可視化顯示,可靈活選擇試驗的應用消息塊進行監控,如圖8。

圖8 FC網絡監控器讀取ICD數據文件后選擇應用消息塊畫面

根據試驗需要,配置FC網絡采集卡的監控通道,選擇是否需要保存數據,設置監控數據保存路徑,如圖9。

圖9 FC網絡監控器系統設置畫面

FC網絡監控器開始采集后,實時采集所選擇的應用消息塊數據進行解析、顯示,如圖10。

停止采集后,FC網絡監控器根據需要自動保存監控數據。

單擊 “數據選擇”進行數據回放,FC網絡監控器會自動激活相應的工具欄按鍵,然后便可一幀一幀或者跳轉指定幀進行數據查看,如圖11。

圖11 FC網絡監控器數據回放畫面

在相關試驗期間,FC網絡監控器能自適應板卡初始化,通過讀取XML文件適配該機型試驗,并能正常進行系統設置、數據采集、數據回放等功能。UI界面便捷人機信息交互,能及時顯示網絡解析數據進行查看分析。

4 結束語

針對航電聯試、外場試驗排故或地保人員維護機載產品,設計與實現了一款面向FC網絡的通用監控器,可自動識別底層硬件板卡并自適應初始化,讀取不同機型的XML文件敏捷適配不同機型、不同系統設備。通過設計人機交互式UI界面將不同系統ICD信息兼容顯示在可視化界面上,并正確采集、解析其FC網絡數據,根據需要保存數據,回放查看。該設計極大地減輕了航空試驗監測FC網絡數據的負擔,提高了FC網絡系統試驗和排故的效率和可靠性。FC網絡監控器已參與多個機型聯試試驗,在機載地面保障設備中使用,在試驗排故和地面保障扮演著重要角色,取得了不錯的成效。同時,FC網絡監控器也預留了拓展不同總線數據采集、解析的接口,為未來直升機研究和應用總線監控器統型提供了更多參考價值。