文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.045
中文引用格式： 田澤，索高華，張榮華，等. 基于FPGA的AFDX網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(8)：179-182.
英文引用格式： Tian Ze，Suo Gaohua，Zhang Ronghua，et al. Design of high speed data acquisition system for AFDX network based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：179-182.
0 引言
試飛系統(tǒng)是一種通過收集、管理飛行試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立相關(guān)試驗(yàn)對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)管理和應(yīng)用系統(tǒng)，為航空科學(xué)研究提供寶貴的第一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代航空技術(shù)不斷發(fā)展和提高的必備手段[1]。在試飛系統(tǒng)的開發(fā)過程中，實(shí)時(shí)、高速采集飛行數(shù)據(jù)成為其關(guān)鍵性的技術(shù)之一，本文提出了一種基于AFDX網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)采集器，實(shí)時(shí)采集試飛試驗(yàn)中的垂直速度、氣壓高度、俯仰角、風(fēng)速、風(fēng)向等關(guān)鍵信息，廣泛應(yīng)用在AFDX網(wǎng)絡(luò)大型飛機(jī)的試飛系統(tǒng)中。
本文在深入理解航空標(biāo)準(zhǔn)ARINC664P7協(xié)議，掌握AFDX關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上[2]，結(jié)合AFDX網(wǎng)絡(luò)海量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的AFDX數(shù)據(jù)采集器，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、錯(cuò)誤幀過濾、參數(shù)挑選和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。該采集器是一款完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AFDX數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，完全滿足試飛驗(yàn)證要求，是從標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議理解、需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)與全面驗(yàn)證等完全自主研制的AFDX網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備。
1 AFDX數(shù)據(jù)采集器工作原理
AFDX數(shù)據(jù)采集器主要應(yīng)用于AFDX采集系統(tǒng)中，通過和AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的任意端口相連，采集余度數(shù)據(jù)信息，經(jīng)AFDX數(shù)據(jù)采集器處理后，完成100%轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)挑參，AFDX采集器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。AFDX采集模塊從AFDX1和AFDX2接口處接收AFDX網(wǎng)絡(luò)的余度幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過變壓器（H1102）、PHY（DP83848YB）將數(shù)據(jù)調(diào)理后與主控芯片F(xiàn)PGA（5CEFA7-U484）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互處理。FPGA將AFDX接口上的數(shù)據(jù)采集接收后，給每一幀都附加上接收時(shí)間戳信息，進(jìn)行完整性檢查和余度管理處理，處理后的數(shù)據(jù)一方面參考AFDX挑選參數(shù)配置表要求，挑選出需要的數(shù)據(jù)，按配置表指定的地址空間存儲(chǔ)，等待主機(jī)通過PCI接口訪問獲取；另一方面，將余度后的數(shù)據(jù)添加以太網(wǎng)幀頭信息，并100%地通過AFDX3接口發(fā)送出去，再經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)到記錄盤中。
圖1 AFDX采集模塊系統(tǒng)架構(gòu)
2 AFDX數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
AFDX數(shù)據(jù)采集器主要包括MAC控制管理模塊、PCI接口控制模塊、完整性檢查模塊、余度管理模塊和挑參控制模塊，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其中灰色的框圖為存儲(chǔ)模塊，其他顏色均為控制模塊。由于AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量大、數(shù)據(jù)速率快，需要對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)緩存，加之模塊板卡尺寸的限制，以及采集記錄對(duì)FPGA的處理能力和存儲(chǔ)配置的高要求，因此，F(xiàn)PGA采用Altera公司Cyclone Ⅴ系列芯片5CEFA7-U484中的EPCS64SI16N，配置模式為AS模，用于控制外部PHY芯片、PCI接口以及模塊的配置、挑參和轉(zhuǎn)發(fā)等功能，來完成數(shù)據(jù)的通信和交互。
圖2 AFDX數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)框圖
AFDX數(shù)據(jù)采集器各模塊的主要功能如下：
(1)MAC控制管理模塊。MAC采用MII(Media Inde-
pendent Interface)接口，包括一個(gè)數(shù)據(jù)接口以及一個(gè)MAC與PHY之間的管理接口。數(shù)據(jù)接口用于發(fā)送和接收的兩條獨(dú)立信道；MII管理接口是由時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)構(gòu)成的雙信號(hào)接口，主要用來監(jiān)視和控制PHY[3]。
(2)PCI接口控制模塊。對(duì)外PCI接口滿足基本PCI規(guī)范，對(duì)后端提供一組讀寫控制信號(hào)，后端讀寫控制主要是對(duì)用戶的橋IP讀寫時(shí)序作出相應(yīng)的翻譯，產(chǎn)生對(duì)FPGA內(nèi)部資源的讀寫控制。
(3)完整性檢查。對(duì)于兩個(gè)接收AFDX端口來說具有各自獨(dú)立的完整性檢查表及標(biāo)志位寄存器組，該寄存器組對(duì)應(yīng)512個(gè)VL_ID，用于記錄首次接收到的數(shù)據(jù)幀，具體流程如圖3所示。
圖3 接收數(shù)據(jù)幀完整性檢查流程示意圖
(4)余度管理模塊。在接收端口完成完整性檢查后，將各自的VL_ID序列值及本數(shù)據(jù)幀的SN號(hào)傳送給余度管理模塊，余度管理模塊輪詢調(diào)度兩個(gè)接收端口的狀態(tài)，根據(jù)先到先有效原則過濾掉冗余的數(shù)據(jù)幀[4]，具體流程如圖4所示。
圖4 接收數(shù)據(jù)幀余度管理流程示意圖
(5)挑選參數(shù)控制模塊。該模塊包括接收數(shù)據(jù)幀管道過濾和參數(shù)抽取兩大功能。接收數(shù)據(jù)幀管道過濾是對(duì)接收到數(shù)據(jù)幀依據(jù)配置的VL_ID和UDP端口號(hào)進(jìn)行過濾，過濾后的數(shù)據(jù)幀才符合參數(shù)抽取條件。對(duì)過濾后的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)挑選參數(shù)配置信息，抽取特定的飛行數(shù)據(jù)。AFDX數(shù)據(jù)幀在以太網(wǎng)幀的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，最大幀長(zhǎng)為1 518 B，最小幀長(zhǎng)為64 B，挑選參數(shù)的范圍可以是AFDX幀格式中的任意字節(jié)。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
AFDX數(shù)據(jù)采集器作為一種通用采集模塊，采用純硬件實(shí)現(xiàn)，板卡本身不帶軟件。與其配合的CPU軟件包括上層應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)軟件兩部分[5]，均位于系統(tǒng)上位機(jī)中，同時(shí)為了更加靈活直觀地表達(dá)顯示處理結(jié)果，增加PC端的圖形應(yīng)用界面，方便分析數(shù)據(jù)，顯示處理結(jié)果。
CPU端的驅(qū)動(dòng)軟件僅提供寄存器訪問接口，如初始化、配置加載、參數(shù)讀取等，均通過寄存器數(shù)據(jù)的讀寫操作完成。
上層應(yīng)用程序主要分為兩部分：(1)PCI接口通信程序，負(fù)責(zé)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序與FPGA進(jìn)行信息交互；(2)CPU用戶服務(wù)程序，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、組成INET包、發(fā)送等功能。其中上層應(yīng)用程序的基本操作流程如圖5所示。
圖5 上層應(yīng)用程序基本操作流程
3 AFDX數(shù)據(jù)采集器的驗(yàn)證
AFDX數(shù)據(jù)采集器的仿真測(cè)試平臺(tái)如圖6所示，4塊AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真卡用于仿真機(jī)載航空電子系統(tǒng)，2臺(tái)AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)余度網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，AFDX數(shù)據(jù)采集器接收AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的數(shù)據(jù)信息，完成采集、轉(zhuǎn)發(fā)、挑選參數(shù)功能，上報(bào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將以太網(wǎng)包傳送給PC，經(jīng)界面解析后完成數(shù)據(jù)的處理及顯示[6]。
圖6 AFDX數(shù)據(jù)采集仿真測(cè)試平臺(tái)
本文所設(shè)計(jì)的AFDX網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)采集器已經(jīng)過功能測(cè)試、性能測(cè)試、協(xié)議符合性測(cè)試及系統(tǒng)聯(lián)試等全面的測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，AFDX網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)采集器功能、性能穩(wěn)定可靠，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)分別發(fā)送64 B、512 B和1 518 B等典型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包對(duì)本文涉及的AFDX網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行測(cè)試，其采樣率完全滿足設(shè)計(jì)要求，能完成規(guī)定間隔的采集，測(cè)試項(xiàng)及測(cè)試結(jié)果如表1所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的AFDX網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)采集器是一款符合ARINC664協(xié)議，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備，該采集器實(shí)時(shí)性強(qiáng)、正確性高、性能穩(wěn)定，完全滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)、挑選參數(shù)要求。本文詳細(xì)介紹了AFDX采集記錄器的工作原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并搭建仿真測(cè)試平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行功能、性能、協(xié)議符合性、系統(tǒng)聯(lián)試等全面測(cè)試驗(yàn)證。該模塊設(shè)計(jì)新穎，尺寸小，功耗低，功能性能穩(wěn)定可靠，已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中，運(yùn)行狀態(tài)良好，為試飛驗(yàn)證和AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化打下了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。
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