機載航電網絡完成航電各個子系統之間的互聯、數據采集、數據交換及傳輸功能，其主要部件包括網絡節點機、交換機及外圍的數據總線、I/O接口等設備，是構成航電系統的重要部分。航電網絡運行的正確性是航電系統正確運行的基礎，隨著航電系統集成化程度及復雜程度越來越高，航電網絡也向著集成化、統一化發展，對航電網絡的集成化測試成為保證航電網絡運行正確性的必要手段。

        本文設計一種集成化、多接口、可配置的航電網絡測試平臺，支持對以AFDX網絡為主干的航電網絡通信測試,同時集成了多接口功能,可以實現對多路ARINC825總線、ARINC429總線等二級總線及航電網絡系統的傳感器、作動器I/O接口進行測試。通過靈活的配置和測試用例設計，可以實現對網絡不同場景、不同傳輸路徑及數據流量的測試驗證，能夠有效地完成對航電網絡數據傳輸的測試,保證航電系統數據傳輸的正確性。

1 航電網絡架構及其測試分析

　 機載航空電子系統的發展經歷了分立式、聯合式、綜合式和先進綜合式4個階段^[1]，其系統綜合化程度不斷提高，因而作為航空電子系統互聯基礎的總線網絡也向著集中式、統一化發展。在國內外先進飛機航電系統中，均采用了綜合模塊化航電技術作為其航電系統的主要架構，提高了航電系統的綜合化水平。綜合模塊化航電網絡系統基本架構如圖1所示。

        圖1中，航電網絡系統組成主要包括IMA核心處理平臺、主干網絡交換設備、航電子系統和遠程數據采集器等設備，通過主干網絡進行互聯。一般航電網絡系統采用雙冗余的架構，IMA核心處理平臺、主干網絡交換設備及子系統均采用多臺設備以實現雙冗余的架構。遠程數據采集器實現二級總線及航電系統中其他的傳感器、作動器數據向主干網絡的接入及傳輸，通過遠程數據采集器實現二級總線、傳感器數據向核心處理機的采集和傳輸,實現核心處理機對外部作動器的輸出控制^[2]。

        按照圖1所示綜合模塊化航電的架構，對航電網絡的測試，測試平臺必需要作為航電網絡系統的一個組成部分，接入到航電主干交換網絡中，能夠通過交換機同網絡中所有的子系統及其他設備進行通信，同時，測試平臺需要具備航電網絡中二級總線、I/O接口功能，一方面，能夠作為測試接口對航電網絡中其他設備的接口進行測試，另一方面，可以模擬航電子系統功能實現多種類型數據的注入測試。在目前先進飛機(A380、B787、C919)的航電網絡中，均采用AFDX作為其主干交換網絡^[2-3]，針對以圖1所示的綜合模塊化航電網絡，本文設計的多接口集成化的測試平臺集成了主干的AFDX網絡接口，通過AFDX網絡接口接入主干網絡交換機，二級總線集成包括機載網絡有廣泛應用的ARINC825總線、ARINC429總線，外部I/O集成傳感器包括溫度傳感器、電壓采集傳感器等，作動器主要包括為地開、28 V開等信號。

2 多接口集成化測試平臺設計

        測試平臺需要實現對航電網絡所有類型通信接口的測試，同時需要考慮對被測設備的調試、監控等功能。本文測試平臺利用模塊化的產品，對其進行集成設計，實現覆蓋了多種接口功能的測試平臺，支持自動化的配置和測試用例構建，支持模擬仿真航電網絡中通信設備的仿真測試，其總體設計如圖2所示。

        如圖2,測試平臺通過余度AFDX網絡接入航電網絡核心交換機，經過余度交換機同航電網絡其他各個子系統進行數據通信連接;測試平臺提供多條的ARINC825總線,支持航電網絡子系統中的多路CAN總線的接入;多路的I/O和ARINC429接收和發送接口可直接與航電網絡中對應接口進行點對點連接測試;通過連接以太網交換機支持對多個航電網絡子系統的網口調試功能;通過連接串口交換機支持對多個航電網絡子系統模塊的串口輸出進行監控和顯示，并支持串口調試功能。

2.1 接口設計

        根據目前航電網絡的接口通信及測試需求，本文測試平臺接口設計如圖3所示。

        圖3給出了測試平臺所支持的外部接口,其中，配置引腳實現測試平臺多個配置表的選擇功能，通過外部硬信號，選擇測試平臺中對應的配置表運行測試用例，支持不同的測試場景，提高測試平臺的靈活性。I/O接口主要用戶對航電系統外部傳感器、作動器信號的測試，在輸出I/O接口中，提供了包含28 V開信號、溫度信號、差分電壓信號和地開信號等48路輸出接口，在輸入I/O接口中，提供了包含28 V開信號和地開信號的12路輸入接口，數據總線接口中設計了余度的ARINC664總線接口、多路的ARINC825和ARINC429總線接口。

        在接口設計中，通過設計配置引腳和多路總線、多路輸入輸出接口來保證測試平臺的靈活性，實際使用時，根據需要測試的數據傳輸路徑、接口類型、接口數量等不同測試需求，可編制多張不同的測試配置表，將這多張配置表存儲在測試平臺中，配置引腳的每一種狀態對應一個位置的測試配置表測試過程中，通過改變配置引腳的狀態，測試平臺自動選擇對應的配置表，并加載到測試平臺進行測試，提高了系統的測試效率。

2.2 基于CPCI接口的集成化測試平臺設計

        CPCI接口是在PCI總線基礎上使用標準針孔連接器，適用于更高可靠性應用場合^[4]。測試平臺集成了多種網絡、總線及I/O數據接口，采用模塊化的思想，將各種接口功能分配到不同的模塊，通過外部CPCI接口將多個模塊集成在一起。通過這種設計，一方面，使得測試平臺各接口功能相對獨立而不互相影響；另一方面，便于測試平臺的維護，在系統中某個模塊或接口出現故障時，僅需通過對該模塊進行更換即可，提高了測試平臺的可靠性和可維護性。測試平臺硬件設計如圖4所示。

        如圖4所示，基于模塊化的設計思想，測試平臺由主處理模塊、I/O處理模塊、AFDX模塊、ARINC825模塊和ARINC429模塊5個模塊構成，通過CPCI總線進行集成互聯，構成一個集成了多模塊的測試平臺硬件。主處理模塊實現測試平臺主處理功能，采用商用的CPCI接口處理器模塊實現，支持Windows操作系統，支持掛載多個CPCI從設備；AFDX模塊通過FPGA實現AFDX的協議層控制,通過以太網收發器實現AFDX物理層功能,對外提供冗余的兩路AFDX總線接口功能；ARINC825模塊通過FPGA實現ARINC825總線協議的鏈路層控制功能,配置多路的專用CAN收發器實現多路的ARINC825總線接口功能；ARINC429模塊通過FPGA實現ARINC429協議功能，配置多路的ARINC429收發器實現ARINC429總線接口功能；I/O處理模塊實現測試平臺的離散量和模擬量采集和輸出控制接口功能，通過A/D轉換實現外部模擬信號的轉換，輸入至FPGA實現模擬量和離散量的采集和輸出控制，配置引腳作為外部的離散量輸入，也由I/O處理模塊來進行采集。

        測試平臺的AFDX模塊、ARINC825模塊、ARINC429模塊和I/O處理模塊均以FPGA為核心進行設計，各模塊與主模塊的通信方式采用共享雙口的形式完成，在FPGA內部實現一個內部雙口DPRAM，用于主模塊和各子模塊的數據交互通信，該DPRAM通過CPCI總線向主模塊開放。在FPGA內部實現對各總線的協議層控制和處理，實現對模擬量和離散量的數據I/O采集和輸出控制功能。

3 測試平臺軟件設計

        測試平臺軟件運行在Windows操作系統環境的主處理模塊上，其面向航電網絡測試的主要功能包括：測試的配置解析及加載、網絡數據監控、網絡數據流量注入、測試數據的保存和離線分析等。測試平臺軟件層次結構如圖5所示。

        如圖5所示，測試軟件運行在硬件層之上，按層次劃分為系統層、驅動層、中間件層和應用層。硬件層為本文設計的基于CPCI總線的集成化測試平臺，完成各種網絡總線及I/O接口的硬件功能；系統層為軟件運行的操作系統，采用Window操作系統平臺；驅動層運行在操作系統之上，提供包括AFDX模塊、ARINC825模塊、ARINC429模塊及I/O處理模塊的驅動程序，支持各模塊的硬件初始化、配置加載、數據接收和發送、數據采集和輸出控制等功能，為上層的系統測試提供最底層的驅動功能；中間件層對驅動層各種軟件接口進行統一的封裝，面向上層屏蔽底層驅動的差異，向上層提供統一的調用和驅動接口，簡化了上層軟件的設計，避免由于底層驅動軟件的修改而導致的上層軟件改動，提高了軟件設計與實現的效率。應用層基于底層的驅動實現測試平臺的主要功能，包括配置管理、數據監控、數據分析和數據注入等。配置管理功能完成測試配置的解析、校驗和加載，按照約定的格式對存儲在測試平臺的配置表進行解析，對配置內容進行校驗，校驗正確后，按照解析出的測試配置，對測試所需的平臺軟硬件接口進行初始化并啟動其工作；數據監控功能實時監控并顯示測試平臺接收到的所有接口消息內容，并對其接收到的消息按照協議定義的各字段含義進行解析；數據分析功能完成測試平臺監控到消息的存儲和離線分析功能；數據注入功能按照設計的測試用例，按照其時間特性向航電網絡中注入測試數據，支持按照協議定義的各個字段進行測試數據的組織?？梢暬缑孳浖怯脩襞c測試平臺的交互界面，基于測試用例完成測試平臺各種功能的顯示和控制功能。

4 測試驗證

        搭建了圖2所示的測試環境，航電網絡由兩臺AFDX交換機和一臺具備多總線接口遠程數據采集器構成，對航電網絡測試平臺的接口的通信及采集等功能進行了測試驗證，I/O接口的數據采集測試考慮到連接線引起的誤差，通過軟件對其測量結果進行了補償校正，測試結果如表1所示。

        表1中溫度輸出和差分電壓輸出接口測試，在量程范圍內由測試平臺控制不同的輸出值，在航電網絡端對輸出值進行采集，并計算測量誤差，測量結果滿足應用精度要求。

        本文結合目前先進飛機的航電網絡架構及其接口類型，設計了一種集成化、多接口、可動態配置的航電網絡測試平臺，可實現對航電網絡的接口測試、模擬仿真及系統測試功能，通過管腳編程可動態選擇不同測試配置和測試用例，設計并實現了其硬件平臺及上位機測試軟件，在對航電網絡系統測試的工程實踐中得到了很好的應用。

參考文獻

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