彭國金，劉婷，張　娟

(中國飛行試驗研究院，西安　710089)

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飛行試驗測試采集的AFDX總線檢測分析技術研究

(中國飛行試驗研究院，西安710089)

摘要：在航空產品的航電系統(tǒng)跨代升級中，AFDX總線數據的檢測分析是飛行試驗對航空產品航電系統(tǒng)進行科研鑒定的一項重要技術手段，針對復雜航空電子環(huán)境下的采集記錄的AFDX總線數據的多類、隨機性等特點，提出了AFDX總線消息識別、幀檢測、丟包檢測分析方法及實現(xiàn)技術，并結合采用了AFDX總線周期檢測分析算法，設計了AFDX總線的檢測分析技術，實現(xiàn)了飛行試驗AFDX總線的檢測分析，最后在某試驗機AFDX總線飛行試驗測試中進行了應用，試驗表明該AFDX總線檢測分析技術滿足飛行試驗對航電系統(tǒng)進行科研鑒定的需求。

關鍵詞：檢測分析；航電系統(tǒng); AFDX總線; 測試采集

0引言

隨著現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)復雜度的不斷增加，1553B等20世紀90年代成熟的航空總線技術,已經不能適應航空電子設備及子系統(tǒng)之間的通信需求，新型軍用高速總線AFDX(Avioics Full Duplex Switched Ethernet)[1-2]的實時性和可靠性以及高帶寬，都特別適合當代航空電子子系統(tǒng)的需求，并且在空客A380上得到了成功應用。隨著航空環(huán)境下AFDX總線技術逐漸成熟并進行工程運用，在飛行試驗[1]工程領域，對飛行試驗AFDX總線數據分析技術已經成為現(xiàn)代飛機飛行試驗的重要內容之一。

在飛行試驗過程中，試驗機機載總線測試系統(tǒng)采集記錄航電系統(tǒng)AFDX總線，試飛工程師對該記錄的數據進行分析，分析的結果數據作為對該試驗機航電系統(tǒng)進行科研鑒定的重要依據。

在傳統(tǒng)的飛行試驗航電總線[3]處理中，因為試驗機航電系統(tǒng)環(huán)境單一，同樣的試驗采集記錄環(huán)境也是單一的，不會有復雜的測試環(huán)境，記錄下試驗文件只包含總線數據，總線沒有專門的檢測分析這一需求。但是在AFDX總線測試采集過程中，因AFDX總線的網絡特性，具有復雜的測試環(huán)境、可能的幀不完整以及丟包的特點，故在AFDX總線數據處理中，對測試系統(tǒng)采集的AFDX總線進行檢測分析包括對采集的AFDX總線數據的完整幀檢測、對AFDX總線消息識別分析及丟包檢測分析，是飛行試驗鑒定飛機航電系統(tǒng)的一項重要內容，所以AFDX總線的檢測分析就成為航電系統(tǒng)AFDX總線數據分析的一項重要內容，而在復雜航空環(huán)境下，傳統(tǒng)的航電總線數據分析技術已不適用新形勢下對AFDX總線進行檢測分析。

1飛行試驗總線檢測分析

從某一方面來說飛行試驗是對試驗機整機性能到各個子系統(tǒng)的一個鑒定過程，隨著新型航空總線AFDX應用于航空產品中，試驗機航電系統(tǒng)隨之也進行了跨代升級，傳統(tǒng)的航電總線1553B技術被逐漸取代。試驗機新的總線技術構架[4]需要被飛行試驗進行科研鑒定，以確保其可靠、穩(wěn)定，且性能等各項指標符合設計要求，飛行試驗總線檢測分析作為一項重要的技術鑒定手段，直接給試飛工程師提高數據依據。

1.1飛行試驗傳統(tǒng)航電總線檢測分析

圖3　AFDX總線數據幀結構

在以1553B傳統(tǒng)航電總線為代表的航空產品總線技術構架中，1553B航電總線具有確定性，是一種飛機內部時分制指令/響應式多路傳輸數據總線，整個系統(tǒng)由總線控制器(BC)和最多31個遠程終端組成，總線上的所有通信都有BC發(fā)起，傳輸線采用雙余度，同一時刻只有一條總線進行工作。

對飛行試驗航電總線測試系統(tǒng)來說，采集記錄的1553B航電總線數據文件是由單一的總線數據組成，是符合航電系統(tǒng)規(guī)范設計的1553B消息幀數據，且沒有別的類型的數據被采集記錄，其測試環(huán)境單一，測試數據規(guī)范，試驗機機載總線測試系統(tǒng)記錄的1553B總線數據結構如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)1553B總線數據測試記錄數據結構

飛行試驗1553B總線數據處理軟件按通用試飛數據處理模式對記錄的總線數據進行處理，就可以為試驗機1553B航電系統(tǒng)進行科研鑒定提供數據，故不需要專門針對1553B總線進行檢測分析。

1.2新形勢下AFDX總線檢測分析

和傳統(tǒng)的1553B航電總線截然不同，航空電子全雙工通信以太網交換AFDX是一個基于標準定義的電子和協(xié)議規(guī)范(IEEE802.3和ARINC 664 Part7),應用于航空產品航電子系統(tǒng)之間的數據交換，同時允許其他總線標準(ARINC429、1553B)映射到網絡中進行通訊。AFDX總線具有的開放性及網絡特性給飛行試驗航電總線測試帶來了新的挑戰(zhàn)，在采用AFDX總線技術構架后，對采用了新技術后的試驗機航電系統(tǒng)進行科研鑒定是飛行試驗的一項重要內容。

應用了AFDX總線技術后的航電系統(tǒng)，飛行試驗測試環(huán)境有傳統(tǒng)的單一測試環(huán)境變得更為復雜，在飛行試驗總線測試系統(tǒng)中，AFDX總線消息幀被測試系統(tǒng)采集到之后，會被打上以太網UDP包頭，然后再發(fā)送給通用記錄器進行記錄，所以在飛行試驗中測試系統(tǒng)采集記錄的AFDX總線消息幀格式如圖2所示。

圖2　飛行試驗AFDX總線測試記錄數據結構

飛行試驗中，采用了通用飛行試驗采集器的總線測試系統(tǒng)，還會采集記錄以太網底層的系統(tǒng)通訊、系統(tǒng)事件等消息包，和AFDX總線一起被記錄到試驗原始數據文件中。針對AFDX航電系統(tǒng)的網絡傳輸特性及復雜的航空環(huán)境，對飛行試驗測試采集的AFDX總線數據進行檢測分析，通過分析采集的總線數據，對AFDX航電系統(tǒng)的各項指標及可靠性進行鑒定。

2AFDX數據檢測分析

2.1飛行試驗AFDX總線

AFDX總線是一種基于以太網的全雙工交換式航空數據總線，消息在傳輸過程中以以太網幀的形式封裝在以太網幀內，AFDX幀長度與以太網幀長度相同，最小為64字節(jié)，最大長度為1 518個字節(jié)，它是一種特殊的以太網幀，其總線系統(tǒng)組成如圖3所示。

同時，通用總線測試系統(tǒng)的采集模塊還會將航電系統(tǒng)的底層通訊等消息采集記錄下來，一并發(fā)送給記錄設備，這就給AFDX總線檢測分析增加了難度，這也是我們檢測分析的一個難點。

對飛行試驗來說，需要知道采集記錄了哪些AFDX總線消息幀，以和試驗機航電系統(tǒng)設計的總線消息幀進行比對鑒定，同時對采集的AFDX總線消息幀進行完整性和丟包檢測分析，以鑒定試驗機航電系統(tǒng)總線性能的可靠性。

2.2AFDX總線檢測分析

由于AFDX總線飛行試驗的測試環(huán)境及總線本身具有的網絡特性，需對AFDX總線進行檢測分析。AFDX總線檢測分析主要包括：AFDX消息幀識別、AFDX完整幀檢測、AFDX幀丟包檢測。

AFDX消息幀識別分析是AFDX總線數據分析的基礎，因飛行試驗采集記錄的AFDX總線數據是以二進制存儲的，同時記錄的不僅僅只有AFDX總線數據，還有隨機的其他底層通信消息，所以要對飛行試驗采集記錄的數據進行AFDX消息幀識別。

AFDX完整幀檢測分析是對AFDX總線數據進行處理的必要步驟，對識別后的AFDX消息幀進行完整性分析，以確定采集記錄的AFDX總線消息幀的完整性。

AFDX幀丟包檢測分析是對試驗機航電系統(tǒng)以及飛行試驗測試系統(tǒng)部署的一項重要的鑒定技術手段，對航電子系統(tǒng)之間通信的消息經過核心交換機之后是否存在丟失數據進行分析，以確定航電系統(tǒng)之間通信的可靠性。

2.3AFDX總線檢測分析過程

AFDX總線檢測分析的過程一般包含：

1)讀取飛行試驗測試記錄的AFDX總線數據；

2)按照記錄的協(xié)議開始進行AFDX總線的解析分析；

3)分析并找到完整的UPD數據包；

4)對完整的UPD數據包的數據進行分析；

5)按照AFDX協(xié)議進行AFDX總線的識別分析，確定記錄的AFDX消息幀；

6)分析并找到AFDX消息幀；

7)對AFDX消息幀進行完整性分析；

8)對完整的AFDX消息幀進行丟包分析檢測；

9)循環(huán)這一過程，直到檢測分析完成。

3AFDX數據檢測的關鍵技術

3.1AFDX總線消息識別分析技術

因為飛行試驗我們最后分析的AFDX總線飛行試驗數據就是一個包含了多種數據的原始文件。在對飛行試驗海量AFDX總線數據進行檢測分析時，需進行關鍵字段地判斷。

按照AFDX標準協(xié)議規(guī)定，AFDX幀的MAC源地址必須是MAC 單播地址，以用來確認物理層以太網接口。MAC的源地址是唯一的，并且是符合IEEE802.3標準的本地管理地址，其地址結構如圖4所示。

圖4　飛行試驗AFDX的MAC源地址格式

這樣在我們分析海量復雜原始AFDX總線數據時，對AFDX總線消息進行識別分析：

1)按照以太網協(xié)議標準，找到一個完整的UDP數據包；

2)我們判斷在記錄包頭MAC的源地址中的Constant field 是否為 “0000 0010 0000 0000 0000 0000”；

3)如果不是則表示不是我們需要的AFDX幀，接著分析下一個UDP數據包；

4)如果是則繼續(xù)判斷MAC的源地址中的Network _ID 高四位是否為0；

5)如果不是則表示不是我們需要的AFDX幀，接著分析下一個UDP數據包；

6)如果是表示該數據包為我們所需要的AFDX總線數據幀。

通過關鍵字的判斷，我們實現(xiàn)了AFDX總線消息的識別判斷，確定測試系統(tǒng)記錄了哪些AFDX消息幀。

3.2完整AFDX幀檢測技術

在獲得一個AFDX消息幀后，按照飛行試驗的需求，我們需要對AFDX總線消息幀進行完整性檢測，以鑒定FTI接收到的AFDX總線幀的完整性。從交換機FTI監(jiān)控口出來的數據幀的格式為實際有效的數據為AFDX Payload，為了獲得更多的信息，支持數據分析和故障排除，要求在監(jiān)控到的原始幀中插入附加信息，附加信息包括錯誤類別ETO信息、FCS信息。為了不影響原始數據幀的設計，附加信息插入在原始幀的末尾，如圖5所示。

圖5　飛行試驗AFDX的監(jiān)控信息格式

對照AFDX總線協(xié)議標準，對關鍵字段信息進行檢測，包括一個FCS定界符、一個EOF定界符和ETO字段：

1)首先我們對EOF界定符進行檢測 ；

2)如果EOF界定符的值不符合約定，則該數據幀就不是我們需要的消息幀；

3)其次對FCS字段進行檢測；

4)如果FCS界定符的值不符合約定，則該數據幀就不是我們需要的消息幀；

5)最后對ETO定界符進行檢測分析；

6)如果ETO界定符的值不符合約定，則該數據幀就不是我們需要的消息幀；

通過ETO定界符、EOF定界符和FCS字段的判斷，我們實現(xiàn)了AFDX總線消息的完整性檢測。

3.3AFDX幀丟包檢測技術

AFDX總線為網絡化總線技術，同時測試系統(tǒng)對AFDX總線的采集也運用了網絡化測試技術，理論上網絡化技術的運用就會存在丟包現(xiàn)象，所以對采集記錄的AFDX總線數據進行丟包檢測就非常有必要。

如圖3所示AFDX總線數據幀結構，描述了AFDX負載AFDX Payload和序列號AFDX SeqNo，序列號的起始值為0，每次加1遞增，然后在1~255之間循環(huán)，以此對AFDX消息進行丟包檢測分析：

1)打開飛行試驗測試記錄的AFDX原始數據并讀取；

2)對記錄的AFDX試驗數據進行AFDX總線消息識別分析即AFDX幀完整性檢測分析；

3)對需要檢測分析的AFDX消息，讀取ICD數據庫中相關信息；

4)對AFDX消息幀進行AFDX SeqNo檢測，如果AFDX SeqNo不為255，則比對每個消息幀出現(xiàn)的SeqNo數值是否連續(xù)，如果存在不連續(xù)數值的則表示丟包；

5)對AFDX消息幀進行AFDX SeqNo檢測，如果AFDX SeqNo為255，則下一個消息幀的SeqNo數值0，如果不是則表示丟包；

6)對檢測分析的AFDX總線數據幀進行丟包統(tǒng)計并給出結果。

通過周期信息序列號AFDX SeqNo的判斷，我們實現(xiàn)了AFDX總線消息的丟包檢測分析。

4設計實現(xiàn)與測試

基于飛行試驗實際總線數據分析需求，使用C++語言，采用AFDX總線消息識別分析技術、完整AFDX幀檢測技術、AFDX幀丟包檢測等技術開發(fā)了AFDX總線數據檢測分析軟件[5-6]。采用了SQL server數據庫技術對總線試驗信息進行管理和快速查詢，運用以上相關關鍵技術，采用模塊化設計技術設計了該分析軟件。

在某試驗機上，航電系統(tǒng)采用了AFDX總線技術構架，使用AFDX通訊機制實現(xiàn)了機上航空電子設備及子系統(tǒng)之間的消息通訊。該試驗機在飛行試驗中采集記錄了試驗航電總線AFDX數據。

應用AFDX總線數據檢測分析軟件對該試驗機測試的AFDX數據進行檢測分析：

1)確定測試系統(tǒng)采集記錄了哪些AFDX總線消息幀，將分析結果和配置消息表進行比對，找出哪些消息是交換機沒有轉發(fā)的，從而完善交換機消息配置；

2)對這些消息幀進行了完整性和丟包分析，并將軟件分析結果和實際飛行試驗航電系統(tǒng)設定，以及機上屏顯系統(tǒng)信息進行比對分析，檢測測試環(huán)境，對測試方案重點環(huán)節(jié)采集、傳輸等進行完善。

試驗結果表明，采用以上分析算法的軟件數據處理準確，滿足了試飛工程師對海量AFDX試驗數據檢測分析的需求。

基于以上算法開發(fā)的飛行試驗AFDX總線數據檢測分析軟件已在多個試驗機試飛中推廣使用。

5結束語

本文介紹了飛行試驗對AFDX總線數據檢測分析的要求,

設計了在現(xiàn)代飛行試驗中海量AFDX總線數據檢測分析的關鍵技術，采用這些算法設計了AFDX總線數據檢測分析軟件，解決了AFDX總線數據檢測分析的關鍵問題。經某試驗機試飛實際驗證，該軟件滿足了試飛工程師的AFDX總線檢測分析需求，分析的結果數據滿足對航空設備航電系統(tǒng)進行科研鑒定的需求。

參考文獻：

[1] ARINC 664, Aircraft Data Network, Part7: Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX) Network[S]. 2005.

[2] AFDX: The Next-Generation Interconnect for Avionics Subsystems[J]. Avionics Magazine, 2005.

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[4] 趙永庫等. AFDX網絡測試技術研究[J]. 計算機測量與控制, 2012，20(4).

[5] 彭國金. 基于類PCM結構過程的試飛多科目iNet數據處理技術[J].計算機測量與控制，2015(10).

[6] 彭國金等. 非結構化海量網絡數據處理技術研究[J].現(xiàn)代電子技術,2011(14).

Research on the Detection and Analysis Technology of the Flight Test Acquisition AFDX Bus Data

Peng Guojin,Liu Manting, Zhang Juan

(Chinese Flight Establishment of AVIC, Xi’an710089, China)

Abstract:In cross-generation upgrade of the avionics system of aviation products, the detection and analysis of the AFDX bus data is an important technology medium for scientific research appraisal to the avionics system of aviation products in the flight test, in view of the characteristics of the AFDX bus data acquisition and recording of complex airborne electronic environment, the bus data is random and so on, designed the detection and analysis technology of AFDX bus message recognized, frame analysis, lost packet analysis, and the AFDX bus cycle detection algorithm is used in combination, design the detection and analysis technology of the AFDX bus, realize the detection and analysis of the flight test AFDX bus. In the end, the technology is carried out in the flight test of a test aircraft, which meets the detection and analysis requirements of flight test AFDX bus data.

Keywords:detection analysis; avionics system; AFDX bus; test acquisition

文章編號：1671-4598(2016)02-0311-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.086

中圖分類號：TN911-34

文獻標識碼：A

作者簡介：彭國金(1978-)，男，江西人，碩士，高工，主要從事試飛測試與數據分析技術方向的研究。

基金項目：國防基礎科研項目(A0520132031)。

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2015-12-21。