一种集成化多接口航电网络测试平台设计与实现

        摘  要： 针对目前先进飞机的航电网络架构,分析其测试平台的特点和应具有的基本功能，设计了一种集成化、多接口、可动态配置的航电网络测试平台,支持对航电网络各种类型数据接口的通信测试、航电系统的模拟仿真及系统测试验证,通过零活的管脚编程实现了测试用例和测试配置的动态选择,设计并实现了测试平台硬件及上位机测试软件,并在航电网络测试工程实践中取得良好应用。

        关键词： 航电网络；测试平台；多接口；AFDX网络

        机载航电网络完成航电各个子系统之间的互联、数据采集、数据交换及传输功能，其主要部件包括网络节点机、交换机及外围的数据总线、I/O接口等设备，是构成航电系统的重要部分。航电网络运行的正确性是航电系统正确运行的基础，随着航电系统集成化程度及复杂程度越来越高，航电网络也向着集成化、统一化发展，对航电网络的集成化测试成为保证航电网络运行正确性的必要手段。

        本文设计一种集成化、多接口、可配置的航电网络测试平台，支持对以AFDX网络为主干的航电网络通信测试,同时集成了多接口功能,可以实现对多路ARINC825总线、ARINC429总线等二级总线及航电网络系统的传感器、作动器I/O接口进行测试。通过灵活的配置和测试用例设计，可以实现对网络不同场景、不同传输路径及数据流量的测试验证，能够有效地完成对航电网络数据传输的测试,保证航电系统数据传输的正确性。

1 航电网络架构及其测试分析

　 机载航空电子系统的发展经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式4个阶段^[1]，其系统综合化程度不断提高，因而作为航空电子系统互联基础的总线网络也向着集中式、统一化发展。在国内外先进飞机航电系统中，均采用了综合模块化航电技术作为其航电系统的主要架构，提高了航电系统的综合化水平。综合模块化航电网络系统基本架构如图1所示。

        图1中，航电网络系统组成主要包括IMA核心处理平台、主干网络交换设备、航电子系统和远程数据采集器等设备，通过主干网络进行互联。一般航电网络系统采用双冗余的架构，IMA核心处理平台、主干网络交换设备及子系统均采用多台设备以实现双冗余的架构。远程数据采集器实现二级总线及航电系统中其他的传感器、作动器数据向主干网络的接入及传输，通过远程数据采集器实现二级总线、传感器数据向核心处理机的采集和传输,实现核心处理机对外部作动器的输出控制^[2]。

        按照图1所示综合模块化航电的架构，对航电网络的测试，测试平台必需要作为航电网络系统的一个组成部分，接入到航电主干交换网络中，能够通过交换机同网络中所有的子系统及其他设备进行通信，同时，测试平台需要具备航电网络中二级总线、I/O接口功能，一方面，能够作为测试接口对航电网络中其他设备的接口进行测试，另一方面，可以模拟航电子系统功能实现多种类型数据的注入测试。在目前先进飞机(A380、B787、C919)的航电网络中，均采用AFDX作为其主干交换网络^[2-3]，针对以图1所示的综合模块化航电网络，本文设计的多接口集成化的测试平台集成了主干的AFDX网络接口，通过AFDX网络接口接入主干网络交换机，二级总线集成包括机载网络有广泛应用的ARINC825总线、ARINC429总线，外部I/O集成传感器包括温度传感器、电压采集传感器等，作动器主要包括为地开、28 V开等信号。

2 多接口集成化测试平台设计

        测试平台需要实现对航电网络所有类型通信接口的测试，同时需要考虑对被测设备的调试、监控等功能。本文测试平台利用模块化的产品，对其进行集成设计，实现覆盖了多种接口功能的测试平台，支持自动化的配置和测试用例构建，支持模拟仿真航电网络中通信设备的仿真测试，其总体设计如图2所示。

        如图2,测试平台通过余度AFDX网络接入航电网络核心交换机，经过余度交换机同航电网络其他各个子系统进行数据通信连接;测试平台提供多条的ARINC825总线,支持航电网络子系统中的多路CAN总线的接入;多路的I/O和ARINC429接收和发送接口可直接与航电网络中对应接口进行点对点连接测试;通过连接以太网交换机支持对多个航电网络子系统的网口调试功能;通过连接串口交换机支持对多个航电网络子系统模块的串口输出进行监控和显示，并支持串口调试功能。

2.1 接口设计

        根据目前航电网络的接口通信及测试需求，本文测试平台接口设计如图3所示。

        图3给出了测试平台所支持的外部接口,其中，配置引脚实现测试平台多个配置表的选择功能，通过外部硬信号，选择测试平台中对应的配置表运行测试用例，支持不同的测试场景，提高测试平台的灵活性。I/O接口主要用户对航电系统外部传感器、作动器信号的测试，在输出I/O接口中，提供了包含28 V开信号、温度信号、差分电压信号和地开信号等48路输出接口，在输入I/O接口中，提供了包含28 V开信号和地开信号的12路输入接口，数据总线接口中设计了余度的ARINC664总线接口、多路的ARINC825和ARINC429总线接口。

        在接口设计中，通过设计配置引脚和多路总线、多路输入输出接口来保证测试平台的灵活性，实际使用时，根据需要测试的数据传输路径、接口类型、接口数量等不同测试需求，可编制多张不同的测试配置表，将这多张配置表存储在测试平台中，配置引脚的每一种状态对应一个位置的测试配置表测试过程中，通过改变配置引脚的状态，测试平台自动选择对应的配置表，并加载到测试平台进行测试，提高了系统的测试效率。

2.2 基于CPCI接口的集成化测试平台设计

        CPCI接口是在PCI总线基础上使用标准针孔连接器，适用于更高可靠性应用场合^[4]。测试平台集成了多种网络、总线及I/O数据接口，采用模块化的思想，将各种接口功能分配到不同的模块，通过外部CPCI接口将多个模块集成在一起。通过这种设计，一方面，使得测试平台各接口功能相对独立而不互相影响；另一方面，便于测试平台的维护，在系统中某个模块或接口出现故障时，仅需通过对该模块进行更换即可，提高了测试平台的可靠性和可维护性。测试平台硬件设计如图4所示。

        如图4所示，基于模块化的设计思想，测试平台由主处理模块、I/O处理模块、AFDX模块、ARINC825模块和ARINC429模块5个模块构成，通过CPCI总线进行集成互联，构成一个集成了多模块的测试平台硬件。主处理模块实现测试平台主处理功能，采用商用的CPCI接口处理器模块实现，支持Windows操作系统，支持挂载多个CPCI从设备；AFDX模块通过FPGA实现AFDX的协议层控制,通过以太网收发器实现AFDX物理层功能,对外提供冗余的两路AFDX总线接口功能；ARINC825模块通过FPGA实现ARINC825总线协议的链路层控制功能,配置多路的专用CAN收发器实现多路的ARINC825总线接口功能；ARINC429模块通过FPGA实现ARINC429协议功能，配置多路的ARINC429收发器实现ARINC429总线接口功能；I/O处理模块实现测试平台的离散量和模拟量采集和输出控制接口功能，通过A/D转换实现外部模拟信号的转换，输入至FPGA实现模拟量和离散量的采集和输出控制，配置引脚作为外部的离散量输入，也由I/O处理模块来进行采集。

        测试平台的AFDX模块、ARINC825模块、ARINC429模块和I/O处理模块均以FPGA为核心进行设计，各模块与主模块的通信方式采用共享双口的形式完成，在FPGA内部实现一个内部双口DPRAM，用于主模块和各子模块的数据交互通信，该DPRAM通过CPCI总线向主模块开放。在FPGA内部实现对各总线的协议层控制和处理，实现对模拟量和离散量的数据I/O采集和输出控制功能。

3 测试平台软件设计

        测试平台软件运行在Windows操作系统环境的主处理模块上，其面向航电网络测试的主要功能包括：测试的配置解析及加载、网络数据监控、网络数据流量注入、测试数据的保存和离线分析等。测试平台软件层次结构如图5所示。

        如图5所示，测试软件运行在硬件层之上，按层次划分为系统层、驱动层、中间件层和应用层。硬件层为本文设计的基于CPCI总线的集成化测试平台，完成各种网络总线及I/O接口的硬件功能；系统层为软件运行的操作系统，采用Window操作系统平台；驱动层运行在操作系统之上，提供包括AFDX模块、ARINC825模块、ARINC429模块及I/O处理模块的驱动程序，支持各模块的硬件初始化、配置加载、数据接收和发送、数据采集和输出控制等功能，为上层的系统测试提供最底层的驱动功能；中间件层对驱动层各种软件接口进行统一的封装，面向上层屏蔽底层驱动的差异，向上层提供统一的调用和驱动接口，简化了上层软件的设计，避免由于底层驱动软件的修改而导致的上层软件改动，提高了软件设计与实现的效率。应用层基于底层的驱动实现测试平台的主要功能，包括配置管理、数据监控、数据分析和数据注入等。配置管理功能完成测试配置的解析、校验和加载，按照约定的格式对存储在测试平台的配置表进行解析，对配置内容进行校验，校验正确后，按照解析出的测试配置，对测试所需的平台软硬件接口进行初始化并启动其工作；数据监控功能实时监控并显示测试平台接收到的所有接口消息内容，并对其接收到的消息按照协议定义的各字段含义进行解析；数据分析功能完成测试平台监控到消息的存储和离线分析功能；数据注入功能按照设计的测试用例，按照其时间特性向航电网络中注入测试数据，支持按照协议定义的各个字段进行测试数据的组织。可视化界面软件是用户与测试平台的交互界面，基于测试用例完成测试平台各种功能的显示和控制功能。

4 测试验证

        搭建了图2所示的测试环境，航电网络由两台AFDX交换机和一台具备多总线接口远程数据采集器构成，对航电网络测试平台的接口的通信及采集等功能进行了测试验证，I/O接口的数据采集测试考虑到连接线引起的误差，通过软件对其测量结果进行了补偿校正，测试结果如表1所示。

        表1中温度输出和差分电压输出接口测试，在量程范围内由测试平台控制不同的输出值，在航电网络端对输出值进行采集，并计算测量误差，测量结果满足应用精度要求。

        本文结合目前先进飞机的航电网络架构及其接口类型，设计了一种集成化、多接口、可动态配置的航电网络测试平台，可实现对航电网络的接口测试、模拟仿真及系统测试功能，通过管脚编程可动态选择不同测试配置和测试用例，设计并实现了其硬件平台及上位机测试软件，在对航电网络系统测试的工程实践中得到了很好的应用。

参考文献

[1] 熊华钢，周贵荣，李峭. 机载总线网络及其发展[J].航空学报,2006,27(6):1135-1144.

[2] 孙欢庆. 民用飞机综合航电系统技术发展研究 [J]. 航空科学技术,2010(3):6-8.

[3] 赵永库，李贞，唐来胜. AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制,2011,19(12)：3137-3142.

[4] 李震. 基于CPCI的车载多通道调试系统[J]. 电子技术应用,2014,40(2):71-73.