基于AFDX与FlexRay总线的分布式测试系统构建策略

　随着飞行器系统性能要求的日益提高，飞行过程中需要测量的信号数量、信号制式种类、测量模式复杂程度较以往有大幅度的提高，对测试系统带来了越来越大的压力。目前，国内飞行器测量系统主要采用基于MIL-STD-1553B总线和RS422的点对点数据传输架构为主，也有以CAN总线为基础的局部测试网络应用的案例，完全利用总线实现测量参数数据采集交换的测量系统未见工程应用的先例。而制约总线在测量系统中应用的主要因素为实时性、数据传输码率、节点容量以及网络自身的健壮性等[1]。基于AFDX及FlexRay总线技术的快速发展的分布式总线测试技术为解决这些问题提供了手段，也是新一代航天型号测试系统的发展趋势。
　　在该系统中，AFDX总线作为一级总线，将各二级网络的数据汇总到中央数据采集设备，也可以通过AFDX总线向各个节点发送配置信息。FlexRay总线作为本系统的二级总线，直接与传感器连接，将所采集的数据上传至区域采集器，并向各个传感器节点发送来自上级系统的配置信息，以适应不同速率、类型、采集方式的测试需求。
　　一、设计思想
　　基于总线的分布式测量系统的首要任务是满足飞行器上测试系统对高速、实时数据交换的需要。结合分布式测试系统架构设计的原则和方法，提出了“机载分布式传感器高速时分综合数据总线系统”架构，即建立以传感器智能化网络与中央高速测试网络相结合的分层结构为标志的分布式数据采集系统如图1所示。与一般的分布式数据采集系统有所区别的是，本系统强调将数据采集所涉及的信号制式转换、信号调理、采集模式控制（采样速率变换、同步控制等）、数据预处理（校准、误差修正和编码）、数据缓存等功能向传感器前端推移，网络数采节点和中央数据采编控制仅完成数据汇聚等必须由上一级处理器处理的业务，这样可大大减轻中央处理器的工作负荷和总线带宽压力。
　　二、设计要点
　　（1）由全双工以太网提供全双工冗余架构的交换式100M数据带宽为骨干支撑全系统对骨干数据传输的需要，向下与分布在各处的传感器网络控制核心——传感器网桥连接。
　　（2）分布在各处的各类传感器，通过传感器智能化接口接入传感器网络，并通过网桥与系统骨干网连接，该网桥提供传感器网络、特殊的终端设备等下级总线设备与骨干网的连接，同时起着传感器子网络控制的作用。
　　（3）传感器智能化接口具有冗余连接、支持多种信号制式、支持多种信号处理算法、具备多种采样模式配置等功能，向下可连接数字式传感器（如RS422）、模拟量传感器（电压型、电流型、脉冲型等）等各类的输出制式的传感器，向上可通过有线方式或无线方式连接到传感器网桥，构成智能化传感器网络（子网），并向上与骨干网络连接。
　　三、网络架构
　　分布式高速时分综合数据网络系统框架如图2所示，由两级总线构成：
　　第一级总线是全双工交换式以太网构成的高速数据网络（AFDX），采用模块化结构，即网络内的以太网端口数量可以以4端口模块堆叠的方式不断增加，如4口、8口、24口等，以支持不断增加的高速设备。端口之间以及端口与背板总线之间的通讯为交换式，端口带宽100M。构成一级总线的主要设备包括：网络交换机、嵌入软件、总线电缆、附件、接口卡等。
　　第二级总线为FlexRay传感器总线结构，是由适应不同速率、类型、采集方式的FlexRay总线构成的复合智能化传感器网络。无论该总线下挂的传感器输出制式如何，通过智能化传感器接入模块都可以热插拔的方式接入到传感器网络内，进而被连接到整个综合数据网络。第二级总线主要由FlexRay传感器网络控制器（嵌入在网桥内）、智能化传感器接入模块、嵌入软件以及相应的总线电缆、附件等组成。
　　图2 机载分布式高速时分综合数据网络架构图
　　四、关键技术及其实现
　　（1）传感器通过智能化传感器接入模块接入二级总线，有特殊需求的也可直接接入一级总线。1）由智能化传感器接入模块向传感器提供高稳定度的直流激励，完成微弱信号的放大、滤波等调理工作，及模数转换；2）智能化传感器接入模块提供传感器电子表格，提供传感器身份登记、标识和验证，提供传感器产品信息和计算参数表，保证传感器在测试网络中的唯一性。
　　（2）两级总线为多总线组合方式，适应不同传输需求。1）两级总线为多总线组合方式，或在单一总线的基础上通过优化改进形成兼容总线；2）总线方案的选择综合考虑实时性、通信速率、节点容量、可靠性、容错性、成本等多种因素；3）组合方式可根据应用系统特点、设备数量灵活配置节点数量、接口配置、连接形式等。
　　（3）二级总线按网段划分，保证连接速率和节点数量。1）同类型设备接入一个子网，保证连接形式的一致性和易操作性，子节点可通过级连扩展；2）每个子子网段节点数目控制在一定范围（如32个），可保证总线的实时性；3）多网段组合方式，保证二级总线节点（传感器节点）数量不小于200个。
　　（4）网桥完成两级总线协议转换。网桥可采用单独模块或嵌入式模块形式（与全双工以太网交换机集成一体的方式）。
　　五、结束语
　　本文提出了以AFDX总线为一级总线、FlexRay总线为二级总线的分布式总线测试系统设计思想，绘制出了该测试系统的架构，并阐述了两级总线在整个测试系统中的作用，并指出了系统实际设计过程中的关键技术及实现。
　　参考文献：
　　[1]梁晓庚，王伯荣，余志峰.空空导弹制导控制系统设计[M].北京：国防工业出版社，2006.
　　[2]王建宇，王世奎.AFDX交换机管制功能测试方法的研究与设计[J].测控技术，2012（07）：82-84.
　　[作者简介]赵新（1986-），男，河南三门峡人，工程师，硕士研究生，研究方向：智能传感器与测试系统；张颖英（1983-），女，陕西汉中人，本科，工程师，主要研究方向：传感器技术与总线技术。