馬智驄

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

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通用航電總線驅(qū)動軟件設計與應用*

馬智驄**

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

針對現(xiàn)有航電仿真系統(tǒng)中總線驅(qū)動軟件存在的功能單一、可擴展性差、重復開發(fā)嚴重等問題，結(jié)合航電仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動特點，提出了一種擴展便捷、配置靈活、運行穩(wěn)定的通用航空總線驅(qū)動仿真軟件的設計與實現(xiàn)方案。該方案基于面向?qū)ο笤O計思想，采用分層式軟件架構(gòu)與模塊化設計，利用可擴展標記語言(XML)格式的靈活配置特性和發(fā)布/訂閱式數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡的動態(tài)性及傳輸優(yōu)勢進行設計，保證了方案的通用性和靈活性，提高了軟件的健壯性和可重用性?；谠摲桨冈O計的通用總線驅(qū)動軟件可顯著提高航電仿真場景中多總線數(shù)據(jù)分發(fā)的效率。

航電仿真系統(tǒng)；通用總線驅(qū)動；分層開放架構(gòu)；面向?qū)ο笤O計

1 引 言

隨著航空總線技術發(fā)展和應用的日新月異，以及各類型航空總線技術標準、傳輸協(xié)議的不斷更新，航空電子仿真應用中的總線驅(qū)動軟件設計也日趨變得重要和復雜。近年出現(xiàn)并不斷應用的RapidIO總線、AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)總線等在傳輸速率和網(wǎng)絡配置靈活性等方面均有不同的提升和改進[1]，但由于設計初衷、應用時代背景等的差異，不同種類航空總線協(xié)議和規(guī)范不盡相同，如1553B總線協(xié)議、控制局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)總線協(xié)議、RapidIO總線協(xié)議以及ARINC429總線協(xié)議、ARINC664總線協(xié)議等，如何提高總線驅(qū)動軟件的靈活性和通用性成為航電仿真領域的又一研究熱點。

目前，航電仿真測試環(huán)境中各類模擬器軟件、總線監(jiān)控軟件往往需要針對某一特定航空總線進行開發(fā)，難以在不同型號航電系統(tǒng)中使用。為了支撐多型號、不同總線的數(shù)據(jù)激勵，改善航電仿真測試系統(tǒng)的通用性和延續(xù)性以及可通用總線驅(qū)動軟件的必要性尤為突出[2]。

國外業(yè)內(nèi)研究工作起步較早，多種商用通用總線驅(qū)動工具已有相關研究，支持多重總線協(xié)議并具有完備總線測試仿真功能的總線驅(qū)動仿真系統(tǒng)已在國外市場上占有航電仿真系統(tǒng)中70%以上的市場份額[3]。如：AIM公司的PBA總線測試工具，作為AFDX及ARINC429總線的集成測試系統(tǒng)，該工具可在同一軟件界面內(nèi)對AFDX總線及ARINC429總線進行同時數(shù)據(jù)收發(fā)測試。而在國內(nèi)，由于航空總線技術的外來引進性以及航空工業(yè)發(fā)展水平的限制，不同型號航電系統(tǒng)的接口控制文檔(Interface Control Document,ICD)與相關總線驅(qū)動軟件模塊不具備通用性，而在實際應用中，總線驅(qū)動軟件還停留在對單一總線及協(xié)議進行支持的層面上[4]。為此，本文提出一種通用型航空總線驅(qū)動軟件的設計思路，以開發(fā)出多總線接收及發(fā)送模塊的通用接口，并介紹了其實際工程應用效果。

2 通用總線驅(qū)動軟件的設計

2.1 通用總線驅(qū)動軟件的主要特征

傳統(tǒng)的總線驅(qū)動由于沒有通用性的設計，軟件往往具有獨立性、低內(nèi)聚高耦合的特點，這使得在不同型號的研制任務中，需要重新對于相同總線協(xié)議進行重新封裝和驅(qū)動。

基于總線驅(qū)動軟件的功能任務，并結(jié)合實際應用中對總線驅(qū)動軟件提出的需求，通用總線驅(qū)動軟件應具有以下主要特征：

(1)通用性。能夠同時支持多種總線協(xié)議，對不同總線、不同通道進行數(shù)據(jù)收/發(fā)操作。

(2)可擴展性。對于新增的總線協(xié)議能在不變動軟件架構(gòu)的情況下通過對總線板卡庫文件進行包含、配置文件重新定義等方式靈活地進行擴展。

(3)實時性。通用總線驅(qū)動軟件應具備對總線數(shù)據(jù)進行實時轉(zhuǎn)發(fā)、實時接收的特征。

(4)可靠性。通用總線驅(qū)動軟件應滿足各類型總線協(xié)議規(guī)定的發(fā)送/接收速率，并在多總線同時驅(qū)動時提供可靠的數(shù)據(jù)收發(fā)支持。

2.2 通用總線驅(qū)動軟件的架構(gòu)設計

為了實現(xiàn)軟件的通用性和可擴展性，按照面向?qū)ο笤O計思想，通用總線驅(qū)動軟件的架構(gòu)采用分模塊、開放式架構(gòu)，對于不同的總線協(xié)議采用工廠模式進行封裝，對于新增的總線協(xié)議，只需按照工廠模式實現(xiàn)方式加以添加，即可在不改變程序結(jié)構(gòu)的情況下達到效果。

通用總線驅(qū)動軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 通用總線驅(qū)動軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 General bus driver software structure diagram

2.3 總線驅(qū)動封裝工廠的設計

在圖1中，底層的各類型總線驅(qū)動均由中間層的總線驅(qū)動封裝工廠進行實例化生成，在新增總線時，往往需要增加動態(tài)鏈接庫和板卡自帶的以C語言格式提供的板卡初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)等操作函數(shù)。即便是同一種航空總線板卡,不同廠商所提供的API函數(shù)和板卡設置方式千差萬別。若要實現(xiàn)通用型的總線驅(qū)動軟件，則需要將不同航空總線板卡的操作由無規(guī)律的多樣性統(tǒng)一為單一的調(diào)用格式和過程。

為了達到這一目的，需要在各類型航空總線板卡及與其提供的API函數(shù)進行統(tǒng)一化封裝，以提供給上層軟件統(tǒng)一的函數(shù)接口。事實證明，各類總線板卡雖然存在不同特性和操作方式，但基本都遵從著板卡初始化、參數(shù)設置、通道配置、板卡啟動、數(shù)據(jù)收發(fā)這樣的過程。有了這樣的規(guī)律，結(jié)合面向?qū)ο缶幊趟枷?，通用總線驅(qū)動軟件中最核心的組成部分——總線驅(qū)動封裝工廠采取了工廠模式的設計思想：事先將不同種類的航空總線API函數(shù)、所需的.lib文件及資源文件按照總線類的方式進行封裝，將板卡的初始化過程封裝到單獨的總線類中，實際使用過程中再進行實例化?？偩€驅(qū)動封裝工廠里的各類型總線類提供給上層軟件的函數(shù)為統(tǒng)一函數(shù)名和參數(shù)格式，以提供通用總線數(shù)據(jù)驅(qū)動功能?？偩€驅(qū)動封裝工廠的類結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 總線驅(qū)動封裝工廠類結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Bus driven packaging factory class diagram

2.3.1 總線驅(qū)動封裝工廠基類的設計

總線驅(qū)動封裝工廠類的組成包括基類、數(shù)據(jù)監(jiān)聽類和若干特定總線驅(qū)動類，其中，總線驅(qū)動基類定義了總線驅(qū)動提供給上層數(shù)據(jù)分發(fā)中心使用的驅(qū)動調(diào)用虛函數(shù)?；惖某蓡T組成如表1所示。

表1 總線驅(qū)動基類函數(shù)定義Tab.1 The function definition of bus driver base class

根據(jù)前文將各類型總線按照類的方式封裝，在使用中進行對象實例化的思路，需要設計出各類型總線驅(qū)動類的基類，該基類作為總線驅(qū)動封裝工廠乃至整個通用總線驅(qū)動軟件設計的基礎，應當具備包含所有類型總線操作、易于被上層分發(fā)中心調(diào)用、便于擴展新總線驅(qū)動的特點。由于AFDX、ARINC 429總線等往往需要在初始化板卡后進行若干參數(shù)設置，只設置一個板卡設置函數(shù)是不夠的，基類中的設計是將板卡初始化和設置板卡參數(shù)分成兩個函數(shù)，在總線驅(qū)動對象實例化后，可根據(jù)需要分別調(diào)用初始化函數(shù)和設置參數(shù)函數(shù)。

同時，由于不同類型總線板卡配置所需的參數(shù)各不相同且彼此沒有規(guī)律可循，如果將初始化板卡函數(shù)和設置板卡參數(shù)函數(shù)的參數(shù)設置為固定數(shù)據(jù)類型，如INT型、LONG型，均不能滿足可擴展性的需求，為此，總線驅(qū)動基類將板卡操作相關的兩個函數(shù)的參數(shù)定義為string類型的map，以達到最大限度地滿足多樣性和可擴展性的需要。在實際使用中，可將各類總線的不同參數(shù)以string-string的形式傳至函數(shù)，再分別在不同的總線驅(qū)動對象中各取所需，如“arswitch”-“100k”。

在返回值的設計中，總線驅(qū)動基類將各類型總線常見出現(xiàn)的板卡操作返回值進行了總結(jié)歸類，定義了枚舉類型，以此來對各類型總線板卡操作中出現(xiàn)的問題進行統(tǒng)。返回值枚舉類型定義如表2所示。

表2 總線板卡返回值定義Tab.2 The definition of bus card return value

2.3.2 總線驅(qū)動封裝工廠數(shù)據(jù)監(jiān)聽類的設計

為了組建總線數(shù)據(jù)接收回調(diào)機制，總線驅(qū)動基類中包含了一個獨立的類——數(shù)據(jù)監(jiān)聽類，該監(jiān)聽類的作用為提供接收回調(diào)函數(shù)，供上層數(shù)據(jù)分發(fā)工廠調(diào)用。

總線板卡的數(shù)據(jù)接收方式通常有查詢式和中斷式兩種。查詢式接收方式為板卡API函數(shù)提供數(shù)據(jù)接收的函數(shù)接口，用戶調(diào)用此函數(shù)，通過函數(shù)返回值來確定是否正確接收到了總線數(shù)據(jù)，板卡運行時，不會主動通知用戶和上層調(diào)用程序接收數(shù)據(jù)，而是需要用戶在調(diào)用板卡接收函數(shù)時通過不間斷地判斷返回值的方式來進行數(shù)據(jù)接收判斷。往往在設計查詢式總線接收軟件時，需要以板卡接收函數(shù)為基礎設計獨立的接收線程，通過若干接收線程來判斷返回值，從而接收總線數(shù)據(jù)。如：GE公司AFDX板卡提供的板卡接收函數(shù)是此類型且以單個端口為接收單位，那么在實際程序中，AFDX端口將會產(chǎn)生相應數(shù)量的接收線程。此種方式的特點為運行穩(wěn)定、不易發(fā)生異常，但效率低下、占用資源多。

針對查詢式方式存在的缺點，某些廠商提供了中斷式板卡接收數(shù)據(jù)方式。中斷式接收方式需要在板卡參數(shù)設置時設置接收函數(shù)對應的中斷調(diào)用函數(shù)，并指定相應的函數(shù)參數(shù)。板卡運行后，監(jiān)聽數(shù)據(jù)接收狀況的任務由板卡自身完成，當板卡內(nèi)部機制查詢到有新數(shù)據(jù)接收到時，即調(diào)用設置好的接收中斷函數(shù)，同時將新接收的數(shù)據(jù)上報，以此來完成總線數(shù)據(jù)的接收。相比于查詢式接收方式，中斷式總線接收不需要程序開啟單獨的接收線程來進行總線數(shù)據(jù)監(jiān)聽，從而節(jié)約了系統(tǒng)資源，這對于總線接收數(shù)目或端口較多時效果較為明顯。但中斷式接收由于需要進行函數(shù)回調(diào)，存在數(shù)據(jù)傳遞效率不高的問題，當大量并發(fā)數(shù)據(jù)同時接收時，容易造成板卡接收隊列滿額或接收數(shù)據(jù)超時嚴重。

在設計通用總線驅(qū)動軟件基類的數(shù)據(jù)監(jiān)聽類時，采用了設置回調(diào)函數(shù)的方式來建立總線數(shù)據(jù)接收機制，這是中斷式數(shù)據(jù)接收方式的特點，當基類的接收回調(diào)函數(shù)上報數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)監(jiān)聽類即接收總線驅(qū)動對象的回傳數(shù)據(jù)并提供給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心調(diào)用。

2.3.3 總線驅(qū)動封裝工廠繼承類的設計

總線驅(qū)動封裝工廠繼承類包含封裝工廠基類的各成員函數(shù)和參數(shù)，針對不同的航空總線實例化設計，從而滿足總線驅(qū)動通用化的目標。在實際使用中，通用化驅(qū)動軟件往往需要進行不同類型總線的配置。為了實現(xiàn)通用性，將這些配置信息固定到軟件代碼里是不現(xiàn)實的。XML數(shù)據(jù)格式具有定義清晰、結(jié)構(gòu)清楚、便于讀取、易于修改的特點，為了滿足使用環(huán)境中對于總線配置信息動態(tài)化定義的需求，通用總線驅(qū)動軟件將總線配置信息、數(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式等一系列信息定義在XML格式的配置文件里，程序在運行時動態(tài)加載并將配置文件里定義的信息進行板卡的相關設置操作?？偩€板卡配置過程如圖3所示。

圖3 總線板卡配置過程Fig.3 The process of bus card configuration

由于不同總線以及各廠商之間對于板卡資源的定義和配置存在很大差異，在特定總線驅(qū)動繼承類里需要針對不同總線所需參數(shù)進行規(guī)劃，如：GE公司AFDX板卡(PCI接口，Version3.0及以下)所需參數(shù)資源為發(fā)送端口號、接收端口號、數(shù)據(jù)長度、端口類型、采樣頻率等，而國內(nèi)某公司wt_429板卡(PCI接口，Version4.11及以下)所需參數(shù)資源為發(fā)送通道號、接收通道號、發(fā)送速率、接收速率、奇偶校驗等。一個典型的總線驅(qū)動對象(以ARINC 429總線為例)如圖4所示。

圖4 ARINC 429總線驅(qū)動對象定義圖Fig.4 ARINC 429 bus driver object definition diagram

通過XML格式的配置文件，可以將一個ARINC 429總線驅(qū)動對象所需的信息進行定義，ARINC 429總線驅(qū)動類將會解析到上述的“cardnumber”“sendrate”“recvrate”“arswitch”等信息，在ARINC 429驅(qū)動類實例化時，驅(qū)動類將會逐一獲取上述信息進行相關板卡操作。

2.4 數(shù)據(jù)分發(fā)中心的設計

數(shù)據(jù)分發(fā)中心在通用總線驅(qū)動軟件中處于最頂層，作用為接收并分發(fā)來自航電系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)，經(jīng)篩選后分發(fā)數(shù)據(jù)至特定總線驅(qū)動對象，同時接收總線驅(qū)動對象上報的總線數(shù)據(jù)并將它們按照分發(fā)規(guī)則傳送至航電系統(tǒng)，以起到數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)、篩選、分發(fā)的作用。

為了達到這一目標，數(shù)據(jù)分發(fā)中心必須采用高效可靠的數(shù)據(jù)分發(fā)方案，通用總線驅(qū)動軟件的這一方案采用了數(shù)據(jù)分發(fā)服務(Data Distribution Service，DDS)中間件技術。DDS數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)是建立在傳輸層之上的中間件，如圖5所示，DDS致力于數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸層和應用程序中間構(gòu)建中間件，具有QoS保證的數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性；DDS中間件體現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心進行結(jié)構(gòu)設計的方法學。

圖5 DDS網(wǎng)絡層次示意圖Fig.5 Hierarchical diagram of DDS network

DDS中間件不同于以往的pear-pear通信和CS架構(gòu)通信方式，采用特有的出版/訂閱(Publish/ Subscribe)通信方式，在各個通信節(jié)點之間建立一個名為Topic的通信總線，發(fā)布方將數(shù)據(jù)發(fā)布，接收方從總線等待收到數(shù)據(jù)通知，非常適用于數(shù)據(jù)量大的多-多通信。同時，DDS中間件所采用的出版/訂閱模式不同于中間采用過的以往點到點模式和服務器-客戶端模式的最大優(yōu)點在于它不需要建立顯示的連接關系，非常適用于多-多的通信方式。中間件技術實現(xiàn)形式對比見圖6。

圖6 中間件技術實現(xiàn)形式對比圖Fig.6 Comparison of middleware implementation form

通用總線驅(qū)動軟件與業(yè)務處理軟件之間的連接是通過DDS網(wǎng)絡來完成的，可部署在DDS網(wǎng)絡中的不同節(jié)點，用以收發(fā)不同類型總線板卡的數(shù)據(jù)，而處理業(yè)務邏輯的軟件也分布在DDS網(wǎng)絡中，它們與通用總線驅(qū)動軟件中的數(shù)據(jù)分發(fā)中心聯(lián)系，通過DDS網(wǎng)絡訂閱、發(fā)布所需的總線數(shù)據(jù)。通用總線驅(qū)動軟件數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡如圖7所示。

圖7 通用總線驅(qū)動分發(fā)網(wǎng)絡圖Fig.7 General bus driver distribution network diagram

3 通用總線驅(qū)動軟件在工程中的應用

3.1 應用項目來源

通用總線驅(qū)動軟件來源于某航電系統(tǒng)聯(lián)試環(huán)境需求，在分系統(tǒng)航電聯(lián)試環(huán)境需使用AFDX和ARINC 429兩種總線，由于聯(lián)試環(huán)境的集成性、實時性需求較高，同時需要保證各總線數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件的完整性、穩(wěn)定性。

通過在型號聯(lián)試環(huán)境中使用該通用總線驅(qū)動軟件，減輕了環(huán)境軟件開發(fā)人員的開發(fā)工作量和維護工作量，減少了人為誤差，加快了科研進度。同時，由于該系統(tǒng)具備良好的配置方式，可以加快總線驅(qū)動軟件部署、更新速度，降低了聯(lián)試成本。

3.2 系統(tǒng)組成

該型號聯(lián)試環(huán)境的組成是基于DDS中間件的分布式測試驗證平臺，由若干AFDX收/發(fā)客戶端和ARINC 429收/發(fā)客戶端組成，相互之間通過DDS局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，每個客戶端分別部署通用總線驅(qū)動軟件，根據(jù)使用目的不同進行有針對性的配置。型號聯(lián)試環(huán)境仿真測試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)仿真測試環(huán)境組成圖Fig.8 The composition diagram of system simulation test environment

3.3 實現(xiàn)效果

通用總線驅(qū)動軟件在實際使用中，達到了很好的效果。

(1)ARINC 429總線數(shù)據(jù)驅(qū)動

通用總線驅(qū)動軟件能夠完成ARINC 429總線的板卡初始化、通道速率設置、奇偶校驗設置、發(fā)送/接收通道設置，并能夠?qū)崟r發(fā)送/采集總線上的數(shù)據(jù)，記錄發(fā)送/接收時間(精確到0.1 ms)，組裝AIM數(shù)據(jù)包。

(2)AFDX總線數(shù)據(jù)驅(qū)動

通用總線驅(qū)動軟件能夠完成AFDX總線的VL定義、Port定義、UdpPort定義、數(shù)據(jù)長度定義、端口類型定義等，并能夠?qū)崟r發(fā)送/接收總線上的數(shù)據(jù)并記錄時間(精確到1 ms)。

(3)DDS數(shù)據(jù)分發(fā)

通用總線驅(qū)動軟件能夠定義并管理DDS數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡，能夠靈活配置數(shù)據(jù)項的流向、發(fā)送者、接收者、轉(zhuǎn)發(fā)者，同時能夠?qū)τ谵D(zhuǎn)發(fā)的二進制數(shù)據(jù)通過封裝頭的方式打上標簽。

通用總線驅(qū)動軟件運行時，可以轉(zhuǎn)發(fā)不同總線數(shù)據(jù)并進行記錄和分析，并可根據(jù)航電ICD格式進行數(shù)據(jù)解析。解析狀態(tài)的運行效果如圖9所示。

圖9 通用總線驅(qū)動軟件實現(xiàn)效果Fig.9 The realization effect of general bus driver software

4 結(jié) 論

本文提出了一種通用型的航空總線數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件，能提供各類型總線數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分發(fā)功能，提高了綜合化航電系統(tǒng)聯(lián)試工作中數(shù)據(jù)分發(fā)效率，便于推廣應用。項目充分結(jié)合DDS數(shù)據(jù)傳輸技術和XML文件定義的技術特點，設計開發(fā)了一套支持不同航空總線數(shù)據(jù)的監(jiān)視回放產(chǎn)品。目前，依據(jù)此方案設計的通用總線驅(qū)動軟件已應用于實際工程中，其功能與性能均滿足工程需求。

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Design and Application of Universal Bus Driver Software for Avionics Systems

MA Zhicong

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In consideration of the existing problems of bus driver software in avionics simulation system,such as single function,poor scalability and immoderately repeated development,and according to the features of data driven in avionics simulation system,this paper puts forward a design and implementation scheme of bus driver software for avionics simulation system,which is easy to expand,flexible to configure and stable to run. This scheme bases on the object-oriented design principle,and uses a layered software architecture and modular design. It takes advantage of the flexibly of extensible markup language(XML) and the dynamics and transmission advantage of publish/subscribe data distribution networks. Thus,the versatility and flexibility of the scheme are guaranteed and the robustness and reusability of the software are enhanced. In conclusion,through the design of this scheme,bus driver software remarkably improves the efficiency of multi-bus data distribution in the avionics simulation environment.Key words：avionics simulation system;universal bus driver;layered open architecture;object-oriented design

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.018

馬智驄.通用航電總線驅(qū)動軟件設計與應用[J].電訊技術，2017,57(7):834-840.[MA Zhicong.Design and application of universal bus driver software for avionics systems[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):834-840.]

2017-03-05；

2017-05-31 Received date:2017-03-05；Revised date：2017-05-31

TP336

A

1001-893X(2017)07-0834-07

馬智驄(1983—)，男，四川瀘州人，2009年于重慶大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航空電子信息系統(tǒng)、工程管理、計算機軟件工程等。

Email:49601434@qq.com

**通信作者：49601434@qq.com Corresponding author：49601434@qq.com