航空数据转发设备仿真器研究与设计

摘要：航空数据转发设备仿真器是用于飞机上的多台仿真设备（如惯导卫星传感器、气象雷达仿真器等）之间的通信。其中AFDX和ARINC429是新一代航空总线协议，硬件方面需要采用标准的ARINC429通讯卡、API-FDX-2通讯卡。数据转发设备仿真器需要完成实验室对硬线的自由转接和数据仿真工作，可按照系统要求进行节点自由转接以及与其它设备进行AFDX、ARINC429数据交互，以满足某航空研究所实验室的仿真需求。

关键词关键词：仿真；继电器；VC++.net； 数据转发； AFDX； ARINC429

中图分类号：TP316文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2014）005011403

0引言

计算机仿真技术[1]广泛应用于国防工业及其它各个行业，如：航空、航天、兵器、国防电子、船舶、电力、石化等行业，特别是应用于现代高科技装备的论证、研制、生产、使用和维护过程。

AFDX（航空电子全双工通信以太网交换）[2]是一个基于标准定义的电子和协议规范（IEEE802.3和ARINC 664 Part7），用于航空子系统之间的数据交换，AFDX网络是新一代航空电子系统的传输网络技术，具有高速、确定性和稳定性的特点。ARINC429[3]广泛应用在先进的民航客机中， ARINC429总线结构简单、性能稳定、抗干扰性强，由于非集中控制、传输可靠、错误隔离性好，因而可靠性高。

该仿真设备包括AFDX与ARINC429的协议数据转换处理功能：AFDX转为ARINC429，根据配置表规定能够支持单个VL转发至单个ARINC429发送通道、多个VL转发至单个ARINC429发送通道、单个VL转发至多个ARINC429发送通道以及多个VL转发至多个ARINC429发送通道等情况，支持最大1个AFDX帧包含40个ARINC429字的转发处理；ARINC429转为AFDX，根据配置表规定能够支持单个ARINC429接收通道转发至单个VL、单个ARINC429接收通道转发至多个VL、多个ARINC429接收通道转发至单个VL以及多个ARINC429接收通道转发至多个VL等情况，转发的单个VL支持0、1、2、3的子VL设置。转发是根据配置表中信息，按指定的LABEL进行筛选和组成较大的AFDX帧[4]。该模拟设备能兼容两种不同的协议数据转发，为实验的模拟需求带来很大的便利。

1系统总体设计

数据转发设备以研华IPC-610-L工控机为中心，配置ARINC429卡、AFDX通讯卡、数据采集卡（AECAD-PCI-64）、线路转接矩阵箱、电源控制箱。软件包括矩阵控制单元、RDC（远程数据集中器）文件解析、数据处理单元、电源监控单元。选用VC.Net[5]为开发环境，系统软件以Microsoft Office 2007接口风格为模板，模块化设计为设计主线，提供友好的用户接口，用户仅需简单的操作即可实现线路自动转接、数据转发设备仿真、电源监控与控制功能。数据转发设备仿真器架构如图1所示。

图1系统架构

2线路转接设备设计

本系统中使用的通讯设备均采用标准板卡，无需电路设计。系统核心部件转接设备为自研设备，采用Atmega16为核心的单板机实现系统控制机和人机交互。通过RS-485口将配置好的接口配置文件传输到单片机，单片机根据配置文件自动控制矩阵箱上的继电器实现线路转接[6]。矩阵箱为线路转换设备的操作机构，矩阵箱内单片机将外部电路通过继电器切换到指定的节点上。

3矩阵转换电路设计

为解决N个节点和N个节点的自由可配置连接，设计了矩阵箱，其原理如图2所示，在任意相交设置一个控制节点，用来控制是否导通行和列间的导线。将行或列分别设为源或目标，通过控制相交点的开关状态可实现任意2点间的连接控制。为实现多通路设计，电路板间采用级联方式设计，从而实现大规模线路转接需要。

矩阵箱可以有2种控制方式：①采用跳线帽法，当2点间需要连接时，将行列节点使用跳线帽连接；②采用继电器控制，使用这种方式可以通过软件实现动态控制，用户采用配置文件进行设置，可极大地提高控制的灵活性。矩阵的控制电路使用Atmega16核心单片机，通过GPIO驱动译码电路实现对继电器的控制。

4电源监控电路设计

电源组各路电压信号进入信号处理板，信号处理板调节电压信号到一定范围，提供继电器组供电。各路电信号经霍尔传感器进行电流调理以达到合适的电流信号，工控机内AECAD-64板卡对电压、电流信号实时采集[7]，每5毫秒判断电压、电流信号是否在安全范围内，如电压、电流信号不在范围内，通过RS-485总线向继电器组发送命令，将供电切断，实现对设备的供电安全控制；另外，软件显示模块不断更新电压、电流显示，供用户观察。

信号处理板是内部信号的输出与外部信号接入的中间处理与转化单元[8]，信号处理板包括信号调理模块和线路转接模块，主要实现如下功能：①转接测试板卡和接口适配的硬线连接；②调理被测信号，使之与被测试信号线性跟随，并将其控制到采集设备的采集范围内；③对供电进行控制。

由于线路转接模块功能较为简单，这里不再赘述。调理模块采用运放芯片搭建，利用运放输入阻抗极大的特点，可有效减小采集对原始信号的影响及干扰；当采集板卡出现输入阻抗动态调整时，由于运放输出阻抗极小，其信号可无损地到达采集端。调理电路的比例环节时，可将信号按照一定比例进行线性放大或缩小，以符合采集电路或电路输出的需要，具体设计如下：

所用集成运放为LM7372，其通频带宽120Mhz、单片双运放、低功耗、单双电源均可工作，如图2所示。

图2信号处理板原理

通过短路子把图2中的J2的1和2管脚短接、J3和J4断接，并将J1的1和2管脚短接、J5的2和3管脚短接，就可以得到倍放器的电路，得到的放大倍数为：Av=Vout1Vin=1+R21R1=2（1）通过短路子分别把图2中的J3和J4的1和2管脚短接、J2断接，并将J1的2和3管脚短接、J5的1和2管脚短接，就可以得到倍数缩小器的电路放大倍数为：Av=Vout1Vin=-R21R1×-R81R5=（-1）×（-112）=112（2）5软件设计

数据转发设备仿真器管理软件主要由以下模块组成：

（1）人机交互界面：提供用户管理测试流程和测试选择的接口，并向用户显示各被测项的实测数据及感兴趣的曲线。

（2）板卡驱动模块：实现应用系统与测试资源间的数据通信及管理。

（3）配置管理：解析通用和非通用配置文件，使其按照原机载设备的通讯格式进行数据处理，同时管理模块将在线数据转换成有物理意义的数据，实现数据监控和记录功能。

（4）线路转换控制模块：控制继电器矩阵实现线路动态切换。

（5）电源管理模块：管理电源通道，实现供电控制；采集电压信号，实现过流过压保护和监控。

（6）数据处理模块：处理人机的直接交互。

以上模块由VC.Net开发，使用面向对象程序设计方法，将各模块有机调用，实现投放盒单板的综合测试。打开软件后首先进行设备自检，自检通过后解析配置文件得到控制继电器的指令，即有目的地闭合继电器，实现线路转接矩阵的线路选通；同时在继电器工作时，电源监控程序会实时采集电流电压信号，以检测是否过流过压，如出现过流过压的情况则立即停止数据转发任务，防止设备损坏，电源监控没问题就进行数据转发工作。通过解析配置文件配合继电器工作来控制数据转发的过程，使数据转发过程方便快捷，相比以往手动控制线路的选择，大大提高了实验的效率。具体流程如图3所示。

图3软件流程

6结语

该设备利用模拟技术，实验时不需要动用真正的硬件设备，降低实验成本的同时简化了操作，有效防止了由于误操作而造成的设备损坏等情况的发生。所有操作都汇总到软件界面上，使用便捷，相对于使用硬件设备做实验，几乎可以做到零损耗，优点显而易见。兼容了两代不同的总线协议，配合线路转接矩阵，使得数据交互变得简单。

参考文献参考文献：

＼[1＼]张锋.计算机仿真技术及其应用[J].电脑知识与技术，2007（19）：233238.

[2]石改辉，张原，李达.全双工交换式以太网研究[J].信息安全与通信保密，2007（5）：5155.

[3]李榕，刘卫国，刘晓剑.航空用ARINC429总线收发系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2005（9）：970984.

[4]任向隆，马捷中.航空电子全双工交换式以太网终端系统研究[J].计算机测量与控制，2009（5）：924948.

[5]杨勇波，蒋伟荣.基于VC++.net的多线程串口通信实现[J].湖北汽车工业学院学报，2005（3）：4654.

[6]李丽强.可编程序控制与传统继电器控制的比较[J].新课程，2009（3）：117.

[7]王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用[J].电测与仪表，2004（8）：48.

[8]马青.高速数据采集信号调理电路的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009.责任编辑（责任编辑：杜能钢）