基本介紹
簡介,系統結構,系統實現,乙太網數據傳輸,廣播記憶體網數據傳輸,數據處理,數據存儲,實時監控,分散式機載數據系統,分散式系統結構,伺服器軟體功能,機載數據採集系統,
簡介
大型飛機試飛對機載測試系統提出了新的要求：首先是測量的參數種類多，包括常規參數、匯流排參數、GPS參數、視頻信號、音頻信號，甚至包括在一些研究/驗證機上才逐步使用的乙太網數據等；其次是感測設備分布範圍廣，傳統的集中採集方式往往難以滿足整個測試任務的要求；還有每架次試飛持續時間長，總數據存儲量大；特別是系統的實時處理和監控功能對新型飛機航電和任務系統的試飛尤為重要；最後是試飛周期短，專用設備的研發周期一般較長，很難滿足系統集成的需要。
系統結構
系統由採集前端、數據處理與存儲系統、實時監控系統、網路系統、時統系統及管理計算機等部分組成。採集前端包括基於乙太網的分布前端採集器和基於廣播記憶體網的分布前端採集器兩大類，其中基於乙太網的分布前端採集器就近分布在各感測器附近，採集的信號通過高速乙太網上傳；基於廣播記憶體網的分布前端採集器，以採集高速信號為主，數據通過廣播記憶體網上傳；數據處理與存儲系統包括兩個數據伺服器，其中一個數據伺服器上配置磁碟陣列，兩個數據伺服器可互為備份；實時監控系統由多台計算機來完成，可通過乙太網和廣播記憶體網獲得數據伺服器的實時處理結果，滿足工程師對對試飛過程進行監視、干預和調整的要求；網路系統結構包括光纖乙太網和廣播記憶體網兩大部分；時統系統由GPS時間碼發生器及時碼驅動器等組成，保證各分散式採集設備的時間基準統一到GPS時間上；系統的任務設定、運行控制、數據下載等的操作通過一台系統管理計算機來完成。
系統結構
系統結構同時，數據處理伺服器、管理計算機和部分基於廣播記憶體網的分布前端採集器共享一套顯控設備，可根據需要進行切換，對各計算機系統進行軟體維護和調試。
系統實現
乙太網數據傳輸
機載網路數據系統要求具有很強的實時性，為節約成本和縮短開發周期，其主要的數據傳輸採用乙太網系統。由於一般的乙太網系統都具有一定的不確定性，為滿足系統的性能要求，在具體實現時採取了許多措施。
1 網路拓撲結構
乙太網系統採用星形連線結構，並為網路交換機的各連線埠提供獨立的頻寬，同時合理控制數據流向和網路負載，使不同採集節點之間儘可能減少資源爭奪，降低匯流排上數據發生碰撞的次數，增加系統的確定性；最佳化設定交換機參數，充分提高其數據交換性能，降低數據衝撞和重發機率，確保中心不會成為系統數據交換的瓶頸；交換機關鍵部件採用冗餘熱備份，以提高系統的可靠性；採用光纖接口，提高抗干擾能力。
機載網路數據存儲系統的主、備伺服器網路接口均為1000Mb/s，提供給各採集節點的接口則均為100Mb/s。系統根據各節點數據負載的要求，在設計時提高了乙太網通信速率，以進一步增強其確定性。
2 網路協定
採集數據傳輸採用TCP/IP協定，確保數據安全可靠到達接收方。管理計算機授時則採用UDP廣播方式，各採集前端則通過包間隔限制的方式能夠區分有效包，從而避免偶爾的包長時間延遲造成的授時紊亂。
3 網路編程
在硬體環境組建完成後，提高乙太網網路傳輸速率的主要途徑則在於軟體實現。網路編程通過調用Winsock2的API函式來完成。數據伺服器軟體編程採用了多執行緒技術，包括數據伺服器連線處理執行緒、數據接收工作執行緒、系統線上檢測與監控數據發布執行緒，並賦予不同的優先權。執行緒之間的同步通過創建互斥體來實
乙太網數據交換程式採用了完成連線埠套接字IO模型，藉助Win32的重疊IO機制來進行數據交換；在交換數據中加入同步標誌，適應數據包長度的動態調整，保證從TCP流上能夠獲得正確的數據塊。同時在數據傳輸異常時，能夠通過搜尋同步字的方式，重新正確接收數據；針對系統套用特點合理設定套接字選項，進一步提高網路通信的速度。
廣播記憶體網數據傳輸
廣播記憶體網系統主要用於數據處理與存儲系統和監控系統及特殊採集前端的數據交換。該子網能夠使各節點的計算機實時、準確地共享記憶體，並擁有較高的頻寬和較低的延遲特性。與乙太網相比，該子網的優點在於數據傳輸的操作透明性和延遲確定性。系統根據系統監控對參數總延遲的時間要求，選擇合適的上傳周期，從而確定每次上傳數據的位元組數和所需要的操作時間。當採集數據刷新後，觸發數據處理伺服器的讀中斷，然後伺服器將共享區間的有效數據提取和處理。伺服器對生成的監控數據則按一定的刷新周期在特定地址進行廣播，各監控節點根據需要在對應的地址進行數據讀取。
系統採用動態分配廣播記憶體網地址的策略，即根據測試任務的需要，完成所有採集前端的任務重構後，伺服器和監控計算機也共同處理同一配置信息，整定出各種類型的參數在廣播記憶體網地址中的位置。一方面保證了程式的套用靈活性，一方面可使數據總是在廣播記憶體網的連續地址上存放，提高了數據的讀寫速度。
數據處理
程式進行任務初始化時，對包含採集器/板卡/通道/參數等信息的數據結構進行初始化，對所有參數進行索引排隊。伺服器接收到有效數據包時，根據連線方IP信息或廣播記憶體網約定標識，先獲得其採集器序號，再順序處理所有板卡數據。根據板卡編號確定其數據類型及在相應結構中的位置，然後處理完該板卡的所有參數，包括時間標籤生成、物理量轉換等。同時對採集參數進行補點/挑點處理，完成監控數據的生成。實時處理時只需檢索到採集器和板卡級，對應的通道/參數/校線數據/處理方法和存儲檔案系統則自動定位，大大減輕了伺服器的工作負荷。
數據存儲
數據存儲是影響系統數據吞吐率的主要瓶頸。為提高數據存儲速率，系統具體實現時採取了以下措施：
①合理設定磁碟陣列的RAID級別。針對系統數據存儲套用為對多個檔案每次少量寫入的特點，對陣列設定為RAID1(1+0)的級別，在保證存儲容量和允許故障的條件下，提高存儲介質的寫速度；寫入策略採用完全寫入的方式，使得數據在輸入到高速快取時，它同時也被寫到磁碟上。
②備份伺服器以採集器為單位對原始數據按二進制方式存儲，減少數據占用空間。主伺服器對處理後的數據以板卡為單位也按二進制方式存儲。同時進行合適的數據壓縮處理，以進一步降低數據尺寸，從而提高數據存儲速度。
③在存儲數據中按一定數據塊長度，在相應位置加入同步標誌，方便數據在地面的安全恢復。
實時監控
系統具有多個監控席位，各席位可選擇感興趣的參數進行監控，分數字/字元、曲線、圖表等各種顯示形式，還包括飛機的三維動態顯示、飛機某顯示設備的當前仿真畫面、某區域的視/音頻監控信息等。具體實現時採取如下措施：
①數據結構中充分考慮監控數據生成的需要，在載入試飛配置信息時，初始化完所有監控數據生成所需要的各種信息。
②接收到前端上傳的數據包時，根據參數的上傳頻率及時間標籤，針對監控數據刷新頻率的要求，對採集參數進行補點/挑點工作，放入監控數據緩衝區。
③區別處理固定採樣率或事件型代硬體時標，伺服器將全部處理參數按類型區分，在廣播記憶體網相應的共享區間發布。
分散式機載數據系統
分散式數據採集系統已經在運輸機的飛行試驗中得到套用。它在傳統數據採集系統的基礎上，利用乙太網和廣播記憶體網技術將分散在不同位置、不同功能的測試設備集成在一起，組成網路化測試與處理系統，從而實現複雜、相互組合的多種測控功能。
傳統的集中採集方式往往難以滿足整個測試任務的要求；還有每架次試飛持續時間長，總數據存儲量大；特別是系統的實時處理和監控功能對新型飛機航電和任務系統的試飛尤為重要；最後是試飛周期短，專用設備的研發周期一般較長，很難滿足系統集成的需要。根據大型、複雜的測試系統建設的需求，開發和集成了一種基於乙太網和廣播記憶體網的分散式機載數據采系統。其採集能力、處理能力、存儲能力和監控能力都較傳統的測試系統有極大的提高，對於提高型號試飛效率產生了積極意義。
分散式系統結構
系統配置兩個互為備份的數據處理伺服器，均配置1Gb/s乙太網接口和43Mb/s，廣播記憶體網接口，其中一個掛載大容量的磁碟陣列。
兩個伺服器完成各採集前端的數據包接收，其中一個伺服器對數據進行實時處理，並將結果在廣播記憶體網共享地址上發布，供監控計算機系統進行參數提取。基於乙太網的分布前端採集器由CPI以計算機及相應的ISA匯流排採集板卡組成，就近分布在各感測器附近。採集的信號通過光纖高速乙太網(10Mb/，)上傳給數據處理與存儲系統；基於廣播記憶體網的分布前端採集器以成熟的CPUCCPI工業計算機為平台，採用相應的各類採集板卡，以採集振動、電源等高速信號為主，採集的信號通過廣播記憶體網上傳給數據處理與存儲系統。
系統的運行控制通過一台管理計算機來完成，伺服器軟體的重構命令和詳細配置信息也來管理計算機。系統結構如圖所示。
系統結構
系統結構伺服器軟體功能
軟體運行在兩個數據伺服器上，主要的功能包括：
①通過載入配置信息的方式自動完成任務重構；
②通過乙太網實時接收前端計算機的採集參數，最大節點數4個，傳輸速率10Mb/s；
③通過廣播記憶體網實時接收前端計算機的採集參數，最大節點數8個，傳輸速率43Mb/s；
④一個伺服器對只對接收的原始數據進行存儲，另一個伺服器對接收的參數進行處理和轉換，對處理後的物理量數據進行存儲，並在廣播記憶體網上實時生成監控子系統所需要的參數，兩個伺服器的角色可實時交換；
⑤可通過其他計算機實現對伺服器的復位、關閉及應用程式的遠程運行控制；
⑥必須滿足系統實時性要求。
機載數據採集系統
隨著信息技術和網路技術日新月異的發展，以往許多在商業領域大量套用的乙太網、光纖、FDDI和ATM等技術越來越多地被套用到了航空領域。國內外新型飛機正利用這些成熟的商用技術，大幅提高機載航空電子系統及飛機性能的綜合水平。伴隨著這些新技術的套用，新型飛機對飛行試驗機載測試不斷地提出新需求。受需求牽引，新一代機載數據採集系統為滿足飛行試驗套用也在快速地發展。如愛爾蘭ACRA公司2000年研發推出的新一代KAM500機載數據採集系統到了2006年，該系統無論是從採集系統的設計、測量參數的類型、測量精度還是系統軟體都有了很大的發展，滿足了新型飛機對機載測試系統不斷提出的套用要求。
在飛行試驗中，通常把機載數據採集器分為兩類：一類是通用採集器，一類是專用採集器。通用採集器一般用於測量緩變參數和數字量、匯流排信號等；而專用採集器，如振動採集器、進氣道畸變採集器用於採集動態參數。這是因為通用採集器的參數總採樣率有限，測量信號的頻寬窄，數位訊號處理能力差。隨著新型飛機快速發展，機上的航空電子設備越來越多，給機載測試系統在飛機上加改裝的空間相當有限，重量、體積要求很嚴格，因此專用採集器將逐漸被新型的採集系統代替。另一方面新機測量的動態參數越來越多，信號頻寬在迅速增加，要求系統的測量精度也在不斷提高。
在飛行試驗中，傳統的機載測試系統除了採集系統以外，還必須有視頻子系統、GPS時間產生器及記錄子系統等。這樣無論大、中還是小型飛行試驗任務，也無論複雜的還是簡單的試飛任務，這些子系統都是必須配置的。這樣的配置增加了系統的成本，帶來了機上測試設備改裝的難度，降低使用的可靠性。因此，需要將視頻、GPS時間產生器集成到採集系統中，對於中、小型飛行試驗任務，為進一步節約空間，還可在採集系統中插一塊存儲卡記錄試驗的數據，節約試飛成本，提高系統使用的可靠性。
