航电系统验证平台的设计.docx

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1、航电系统验证平台的设计（计算机仿真杂志）2014年第六期1工作原理航电综合验证平台通过模型设计、仿真配置、仿真运行3个阶段，完成一个详细的综合验证试验(图2)。首先，根据仿真目的，设计机载电子设备模型及其交联仿真模型。根据系统设计输出的ICD及DD文件，设计大气数据计算机、惯导系统、飞行管理系统等机载设备模型。在航电系统设计阶段，主要的验证目的是设备间接口及交互逻辑的正确性。因而，机载设备内部逻辑在模型设计时能够简化，重点在于准确对通信接口定义及设备间交互逻辑进行建模。从平台的角度，提供了ICD接口模型的自动生成模块，简化模型设计。交联仿真模型主要包括液压、燃油、发动机、环控等非航电系统模型，

2、飞行运动仿真模型，以及大气、风场、无线电导航台站、机场等飞行环境模型。交联仿真模型为各航电设备模型提供鼓励数据，完成全飞行经过仿真。除此之外，POP仪表仿真模块、三维飞行视景模块也接入到系统中，提供仿真经过中的可视化支持。完成模型设计之后，利用运行管理模块进行仿真配置。仿真配置的主要工作之一，是综合所有模型的输入、输出数据，完成CIA中间件数据对象的定义，构成CIA配置文件，到所有接入CIA中间件的节点，以正确实现数据访问。CIA中间件上定义的数据包括ICD数据及飞行仿真数据。ICD数据描绘的是在真实飞机上通过AINC429、AFDX等机载航电网络传递的数据;飞行仿真数据描绘的是不通过机载网络

3、传递，但在仿真经过中需要的数据，例如飞行环境模型输出、飞机动力学输出等。对于INS设备模型，其AINC429总线输出数据属于ICD数据;需要从飞机动力学仿真模型获取的飞机三轴角速率、比力等数据则属于飞行仿真数据。仿真配置所构成的CIA配置文件，除模型使用外，也提供应数据采集、存储、故障注入等工具模块，实现对仿真经过数据的访问。仿真配置的另一项主要工作是完成仿真任务规划，以定义试验场景。仿真任务规划包括飞机初始状态、飞行计划、设备故障形式、飞行环境设置等。完成仿真配置后，即可运行仿真。运行管理模块将CIA配置数据和任务规划数据加载到各个仿真节点，并控制各模型的初始化、运行、暂停、停止等状态切换。

4、同时，运行管理模块作为主引擎，为各参试模型提供仿真时间推进机制。通过CIA中间件，机载设备模型仿真对应设备的逻辑和接口，以真实的交互流程及ICD定义的格式进行通信，在外围交联环境的支持下，仿真航电系统的行为，进而验证系统设计的完好性及正确性。2关键功能设计21中间件设计CIA中间件用于完成如下关键功能:1)运行调度:接受运行管理模块的指令，向各仿真模型及相关节点发送初始化、启动、暂停、停止指令，控制系统协调运行;2)时间管理:向需要同步的节点发送仿真同步指令，保证仿真模型的时间一致性;3)数据传输:构造一个对所有节点可见的全局数据空间，并在此数据空间上定义数据对象，所有节点根据各自的订阅关系，

5、对数据对象进行访问，完成节点间的数据交换。CIA中间件支持单机形式和分布式形式。在单机形式下，利用操作系统提供的本地时钟、事件机制，并建立全局分享数据区，即可实现所需功能。在分布式形式下，有DDS(数据分发服务)及反射内存两种可选的途径实现CIA中间件的功能。DDS构造了一个分享的“全局数据空间，分布式的节点能够通过Topic完成数据的订阅4。反射内存网络通过硬件同步机制，实现了各个节点的数据同步，对应用软件来讲构造了一个透明的分享内存区;同时，反射内存网络支持全局异步事件，可实现各节点调度及同步功能。DDS的优点是无需新增硬件，但其实现一般基于以太网，商用DDS需一定的产品费用，且在嵌入式系

6、统上移植有一定难度;反射内存网络的缺点是需要新增专用硬件，但开发难度小，具备强实时性，且对各类操作环境适应性好。在本系统的设计中，考虑到开发、维护、实时性等因素，选择反射内存网络作为介质实现分布式CIA中间件。22建模环境本平台支持MatlabSimulink及C/C+两类通用性良好的模型设计环境。针对MatlabSimulink环境，开发专用的Simulink接口库，将CIA中间件的运行控制、数据通信功能集成到Simulink环境中，使得基于Simulink设计的机载设备模型可快速参加综合验证平台。对于C/C+开发环境，本平台参照FMI(FunctionalMockupInterface)规

7、范5，定义模型接口及描绘方式，实现手写代码的规范化。FMI是由达索公司主导、欧洲诸多软件公司及研发中心介入推出的可交换功能样机接口规范。本平台设计了软件工具，直接生成接口程序框架及数据定义，只需在框架下编写机载模型。为了进一步简化模型设计，在FMI规范基础上，对接口进行进一步封装，通过如下接口函数即可完成模型逻辑描绘:1)模型初始化函数MDLInitialize();2)模型周期输出函数MDLOutputs();3)模型周期更新函数MDLUpdate();4)模型终止函数MDLTerminate();23接口生成对于航电系统，描绘系统通信的ICD数量可达数千条，给出了块、信号及所包含域的具体定

8、义。假如手工实现，开发量大，且极易出错。本平台针对MatlabSimulink及C/C+建模环境，基于ICD信息直接生成接口模型，避免人工转换导致的错误，加快设备模型的集成经过。5给出了自动生成的机载设备Simulink模型的顶层视图。机载设备的AINC429、AFDX等外部航电网络接口被设计为Simulink总线模型，封装了在该总线上传输的数据块、信号、域等信息。图6给出了生成的Simulink机载设备模型的内部构造。所生成的构造化模型中，包含了静态模型、动态模型两个可选通道，并设计统一的模型选择信号。在实际中，可根据详细的仿真场景，灵敏选择所需的模型。3扩展应用在航电系统数字化综合验证平台

9、的基础上，能够扩展进行机载设备在环仿真和航电系统增量集成。其构成如图7所示。为支持真实机载设备接入，需要接入一个IO接口节点。该接口节点具备AINC429、AFDX、AINC825、离散量等物理接口，与真实设备连接，完成对真实设备的信号鼓励及采集，并实现与CIA中间件数据对象的双向映射。为保证与真实设备通信的时序性要求，仿真模型及IO接口节点都应运行在实时环境中。随着真实设备的逐步接入，对应的模型被相应替换，而实现航电系统的增量式集成，系统的重点也从数字综合过渡到实物综合。4结束语随着AJ21、C919等民用飞机型号研制及适航审定经过的推进，大量国外飞机设计验证的理念、方法、工具被引入进来。这

10、些经过验证的实践需要消化吸收，并结合国内需求特点及技术发展，进行本地化，以与飞机设计单位构成高效互动的生态系统，推动设计、验证水平的提高。针对国内在系统设计早期缺乏验证手段的现状，本文扼要介绍了一套航电系统综合验证平台的设计思路。基于该平台，能够在系统设计阶段，在不具备任何真件的情况下，进行机载设备模型的集成，并根据DD及ICD定义的流程及数据格式进行通信，模拟航电系统的工作经过，对系统设计输出进行验证，进行迭代优化。目前，该平台完成原型开发，并已应用于工程实践，表明了该设计的可行性。希望通过该平台的应用，增加航电系统的早期验证手段，并通过各种其它手段的综合运用，使验证活动贯穿于航电系统研发的全经过。