论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了飞行模拟机引入接口系统的原因与意义，并分析了某型A320飞行模拟机两种不同电子设备接口系统的实现方式。
关键词：飞行摸机器;接口系统;以太网接口;ARINC接口系统
飞行模拟机技术是以计算机仿真技术、通信技术、信息技术以及其应用相关专业技术为基础，以工业计算机、通信设备和航空电子设备为工具，利用仿真系统模型对飞行系统进行包含有人回路的实时仿真系统。飞行模拟机接口系统能使仿真计算机和驾驶舱电子设备进行快速通信。飞行模拟机接口按照系统分类管理，快速准确的完成数据交换，并实现跟真实飞机相同操作训练功能，飞行模拟机采用多种接口模式通信，保证了计算机与座舱设备实时、高效和灵活的完成数据通信。
1 飞行模拟机引入接口系统的意义
我们先来看一个例子，如图1所示，是一个非常简单的灯泡控制电路，主要由28V电源、跳开关SW、开关CB和灯泡组成。当需要灯泡工作时，只需闭合SW开关，灯泡就可以点亮正常工作。但是对于飞行模拟机，由于模拟机飞行训练需求，经常要使驾驶舱电子设备工作在非正常状态下。按照图1实现起来需要添加许多额外的控制电路。我们换一种思路，在飞行模拟机上我们引入接口系统，把各个单元的功能模块化。我们把座舱中的设备如跳开关SW、开关CB和灯泡都当成接口系统输入与输出的一部分，接口系统负责对设备的输入进行集中数字化处理，而计算机通过接口系统的输入获取开关的状态信息。这些开关位置不直接决定灯泡的工作状态，而是根据仿真计算机逻辑运算后产生控制信号，再通过接口的输出通道来控制灯泡的状态。这样设计的精妙在于飞行教员可以根据训练要求，灵活设置飞行故障，达到控制驾驶舱电子设备的目的，且取消飞行设备故障简单。而训练的飞行员却觉察不到飞行模拟机和真實的飞机有什么不同。
2 模拟机接口系统的原理概述
从上面的论述我们知道，我们把飞行模拟机按照功能进行了模块化设计，分成了仿真计算机、系统接口和机载电子设备。飞行模拟机的接口系统充当了仿真计算机和机载电子设备相互通信的桥梁。首先机载电子设备信号通过接口系统数字化处理发送给仿真计算机，数据通过计算机实时仿真程序运算，向接口发送数据，数据通过接口数据处理后返回机载电子设备，实现飞行模拟机一个完整的实时数据交流环路。
2.1 某型A320飞行模拟机接口系统
由于飞行模拟机上电子设备通常包括飞机真件和实物仿真件，首先仿真件与真件它们的驱动信号方式是存在差异的，同一设备也可能需要多种不同类型信号进行驱动。A320飞行模拟机上主要的驱动信号主要由DI、DO、AD、DA、PWA、arinc429等组成。由于不同类型的驱动信号在传输数据类型与速率上不同，飞行模拟机需要根据不同数据类型采用了不同的接口系统。其主要驱动信号方式由以太网接口系统、ARINC接口系统来进行驱动等。
2.2 以太网接口系统
以太网接口系统主要通过使用MIO-e（Modular Input Output-Ethernet）卡处理主计算机与机载设备的实时数据信号。计算机主机由运行实时操作系统VERTEX的多块RECE卡组成，飞行仿真程序按照类别加载在不同的RACE卡内存单元上，这些RACE通过HSSL光纤环路组成光纤环路，其通信协议为Reflect Memory（共享内存交换数据）。同时计算机主机上的以太网网卡通过主板上的PCI总线与某块处理IO信息的RACE卡内存进行数据交换，网卡使用UDP网络协议将数据地址和数据传送到以太网总线上，IO网卡设置TCP/IP地址协议，通过路由器将总线数据按照路由地址分送到不同区域的接口单元，这些接口单元通常称为一个接口模块单元，在该型号飞行模拟机上一共有7个接口模块单元，分别与驾驶舱不同的电子设备通信。在每个模块单元上Slot10位置MIO-e卡设为主控制卡，负责上传和下载PCI总线数据，该位置MIO-e卡可以通常母板上高速串行接口与该组件单元上其它从属MIO-e卡交换数据。所有MIO-e按照系统配置定义文件将计算机数据转换成指定信号传输给驾驶舱电子设备，同时驾驶舱电子设备反馈数据信号也通过主MIO-e卡完成数据转换再通过以太网传回计算机主机。由于每个接口组价单元卡槽限制，其母板能安装MIO-e卡的最大数为6张。其中每张MIO-e卡能最大可以处理56个数字信号和16个模拟信号。也就是说每张MIO-e通过文件配置最大管理56个 DI/DO和16个AI/AO通道数据转换。同时每一MIO-e卡上装有一对常闭继电器，可以实现自我故障诊断，并把状态信息同时主MIO-e卡反馈给主计算机上的监控系统。
2.3 ARINC接口系统
飞行模拟机器是能够复现飞行器及空中环境并能够进行训练操作的模拟设备。飞行模拟机上由于集成了许多机载航电设备，这些航电设备除了需要一般控制信号外，还需要跟真实飞机上一样的ARINC信号，由于标准的工业计算机主机通常无ARINC数据总线接口，需要飞行模拟机的接口系统将计算机主机的数据格式转化成标准的ARINC数据总线与机载航电设备通信。
如图3所示，ARINC接口系统主要由计算机主机、VPC（VME PMC Carrier）母板卡、和驾驶舱电子设备组成。在计算机主机上，飞行模拟机的ARINC程序被运行在主计算机PCI Slot16位置的RACE卡上（上文已经提到），主计算机上RACE可以通过HSSL RM模式与其它RACE卡进行内存共享。除此之外该位置RACE卡还采用高速光纤网络HSSL BR模式与模拟机不同位置上的VPC母卡组成回路拓扑网络。VPC卡分布在每个接口单元组件，通常在其Slot3和Slot4位置上，在每张VPC卡上有两块独立工作PAI（PMC ARINC429 INTERFACE）子卡，每张PAI卡通过其接口组件单元上VME BUS总线与VPC通信。其中PAI板卡是ARINC接口系统的处理核心，每块PAI卡最大可以同时处理24个ARINC429信号通道，其总线寻址地址为32BIT，工作频率为12.5MHZ。每张PAI卡在上电初始化时通过内部FPGA 来配置每张PAI卡的端口，PAI卡的0-15号设置为发送端口，16-23号设置为接收端口。以PAI卡接收数据为例，当PCI地址总线上有地址总线申请时，PAI卡先把PCI总线上的数据存入到RAM内存中，通过其内部FPGA对32BIT地址信息进行译码，选择对应的端口，将RAM内存数据通过选择的端口完成ARINC429数据格式转化，再通过WDA绕线组件与其它信号线一起组成完整的电缆线完成与机载航电设备通信。
3 接口系统的主要评价标准
①实时性：由于飞行模拟机包含了计算机、接口系统和机载设备等，这些设备在处理数据时存在反应时间，所以飞行模拟机必须按照模拟机鉴定测试指南测试模拟机的传输延时，保证飞行模拟机实时性符合要求。②抗干扰性：由于计算机、接口系统和机载设备在空间上存在一段距离，且布线采用集中布线方式，线缆存在着相互干扰和信号衰减问题，这就需要接口系统选用抗到干扰衰减能力更强的设备，或者添加中继设备增强信号强度，以及做好线缆之间的屏蔽措施。③稳定性：由于模拟机的接口系统通常安装在模拟机驾驶舱附近，由于模拟机训练振动，需要在设计安装时，考虑接口的抗震性和稳定性。防止接口板卡或者接头在使用中松动。除此之外，接口系统还应注意接口系统自诊断和易维护性等。
4 结语
本文分析了某型A320飞行模拟机两种接口系统设计的原理及意义，并对两种不同接口方式的系统设计进行了分析，希望大家对了解飞行模拟机接口有所帮助。
参考文献：
[1]R7系列模拟机操纵与技术手册.美国L3民用飞行模拟机公司，2014.
[2]飞行模拟机鉴定与测试指南.中国民用航空军，2005.
[3]现代飞行模拟机论证概要.中国民航飞行学员学报，2001.
关键词：飞行摸机器;接口系统;以太网接口;ARINC接口系统
飞行模拟机技术是以计算机仿真技术、通信技术、信息技术以及其应用相关专业技术为基础，以工业计算机、通信设备和航空电子设备为工具，利用仿真系统模型对飞行系统进行包含有人回路的实时仿真系统。飞行模拟机接口系统能使仿真计算机和驾驶舱电子设备进行快速通信。飞行模拟机接口按照系统分类管理，快速准确的完成数据交换，并实现跟真实飞机相同操作训练功能，飞行模拟机采用多种接口模式通信，保证了计算机与座舱设备实时、高效和灵活的完成数据通信。
1 飞行模拟机引入接口系统的意义
我们先来看一个例子，如图1所示，是一个非常简单的灯泡控制电路，主要由28V电源、跳开关SW、开关CB和灯泡组成。当需要灯泡工作时，只需闭合SW开关，灯泡就可以点亮正常工作。但是对于飞行模拟机，由于模拟机飞行训练需求，经常要使驾驶舱电子设备工作在非正常状态下。按照图1实现起来需要添加许多额外的控制电路。我们换一种思路，在飞行模拟机上我们引入接口系统，把各个单元的功能模块化。我们把座舱中的设备如跳开关SW、开关CB和灯泡都当成接口系统输入与输出的一部分，接口系统负责对设备的输入进行集中数字化处理，而计算机通过接口系统的输入获取开关的状态信息。这些开关位置不直接决定灯泡的工作状态，而是根据仿真计算机逻辑运算后产生控制信号，再通过接口的输出通道来控制灯泡的状态。这样设计的精妙在于飞行教员可以根据训练要求，灵活设置飞行故障，达到控制驾驶舱电子设备的目的，且取消飞行设备故障简单。而训练的飞行员却觉察不到飞行模拟机和真實的飞机有什么不同。
2 模拟机接口系统的原理概述
从上面的论述我们知道，我们把飞行模拟机按照功能进行了模块化设计，分成了仿真计算机、系统接口和机载电子设备。飞行模拟机的接口系统充当了仿真计算机和机载电子设备相互通信的桥梁。首先机载电子设备信号通过接口系统数字化处理发送给仿真计算机，数据通过计算机实时仿真程序运算，向接口发送数据，数据通过接口数据处理后返回机载电子设备，实现飞行模拟机一个完整的实时数据交流环路。
2.1 某型A320飞行模拟机接口系统
由于飞行模拟机上电子设备通常包括飞机真件和实物仿真件，首先仿真件与真件它们的驱动信号方式是存在差异的，同一设备也可能需要多种不同类型信号进行驱动。A320飞行模拟机上主要的驱动信号主要由DI、DO、AD、DA、PWA、arinc429等组成。由于不同类型的驱动信号在传输数据类型与速率上不同，飞行模拟机需要根据不同数据类型采用了不同的接口系统。其主要驱动信号方式由以太网接口系统、ARINC接口系统来进行驱动等。
2.2 以太网接口系统
以太网接口系统主要通过使用MIO-e（Modular Input Output-Ethernet）卡处理主计算机与机载设备的实时数据信号。计算机主机由运行实时操作系统VERTEX的多块RECE卡组成，飞行仿真程序按照类别加载在不同的RACE卡内存单元上，这些RACE通过HSSL光纤环路组成光纤环路，其通信协议为Reflect Memory（共享内存交换数据）。同时计算机主机上的以太网网卡通过主板上的PCI总线与某块处理IO信息的RACE卡内存进行数据交换，网卡使用UDP网络协议将数据地址和数据传送到以太网总线上，IO网卡设置TCP/IP地址协议，通过路由器将总线数据按照路由地址分送到不同区域的接口单元，这些接口单元通常称为一个接口模块单元，在该型号飞行模拟机上一共有7个接口模块单元，分别与驾驶舱不同的电子设备通信。在每个模块单元上Slot10位置MIO-e卡设为主控制卡，负责上传和下载PCI总线数据，该位置MIO-e卡可以通常母板上高速串行接口与该组件单元上其它从属MIO-e卡交换数据。所有MIO-e按照系统配置定义文件将计算机数据转换成指定信号传输给驾驶舱电子设备，同时驾驶舱电子设备反馈数据信号也通过主MIO-e卡完成数据转换再通过以太网传回计算机主机。由于每个接口组价单元卡槽限制，其母板能安装MIO-e卡的最大数为6张。其中每张MIO-e卡能最大可以处理56个数字信号和16个模拟信号。也就是说每张MIO-e通过文件配置最大管理56个 DI/DO和16个AI/AO通道数据转换。同时每一MIO-e卡上装有一对常闭继电器，可以实现自我故障诊断，并把状态信息同时主MIO-e卡反馈给主计算机上的监控系统。
2.3 ARINC接口系统
飞行模拟机器是能够复现飞行器及空中环境并能够进行训练操作的模拟设备。飞行模拟机上由于集成了许多机载航电设备，这些航电设备除了需要一般控制信号外，还需要跟真实飞机上一样的ARINC信号，由于标准的工业计算机主机通常无ARINC数据总线接口，需要飞行模拟机的接口系统将计算机主机的数据格式转化成标准的ARINC数据总线与机载航电设备通信。
如图3所示，ARINC接口系统主要由计算机主机、VPC（VME PMC Carrier）母板卡、和驾驶舱电子设备组成。在计算机主机上，飞行模拟机的ARINC程序被运行在主计算机PCI Slot16位置的RACE卡上（上文已经提到），主计算机上RACE可以通过HSSL RM模式与其它RACE卡进行内存共享。除此之外该位置RACE卡还采用高速光纤网络HSSL BR模式与模拟机不同位置上的VPC母卡组成回路拓扑网络。VPC卡分布在每个接口单元组件，通常在其Slot3和Slot4位置上，在每张VPC卡上有两块独立工作PAI（PMC ARINC429 INTERFACE）子卡，每张PAI卡通过其接口组件单元上VME BUS总线与VPC通信。其中PAI板卡是ARINC接口系统的处理核心，每块PAI卡最大可以同时处理24个ARINC429信号通道，其总线寻址地址为32BIT，工作频率为12.5MHZ。每张PAI卡在上电初始化时通过内部FPGA 来配置每张PAI卡的端口，PAI卡的0-15号设置为发送端口，16-23号设置为接收端口。以PAI卡接收数据为例，当PCI地址总线上有地址总线申请时，PAI卡先把PCI总线上的数据存入到RAM内存中，通过其内部FPGA对32BIT地址信息进行译码，选择对应的端口，将RAM内存数据通过选择的端口完成ARINC429数据格式转化，再通过WDA绕线组件与其它信号线一起组成完整的电缆线完成与机载航电设备通信。
3 接口系统的主要评价标准
①实时性：由于飞行模拟机包含了计算机、接口系统和机载设备等，这些设备在处理数据时存在反应时间，所以飞行模拟机必须按照模拟机鉴定测试指南测试模拟机的传输延时，保证飞行模拟机实时性符合要求。②抗干扰性：由于计算机、接口系统和机载设备在空间上存在一段距离，且布线采用集中布线方式，线缆存在着相互干扰和信号衰减问题，这就需要接口系统选用抗到干扰衰减能力更强的设备，或者添加中继设备增强信号强度，以及做好线缆之间的屏蔽措施。③稳定性：由于模拟机的接口系统通常安装在模拟机驾驶舱附近，由于模拟机训练振动，需要在设计安装时，考虑接口的抗震性和稳定性。防止接口板卡或者接头在使用中松动。除此之外，接口系统还应注意接口系统自诊断和易维护性等。
4 结语
本文分析了某型A320飞行模拟机两种接口系统设计的原理及意义，并对两种不同接口方式的系统设计进行了分析，希望大家对了解飞行模拟机接口有所帮助。
参考文献：
[1]R7系列模拟机操纵与技术手册.美国L3民用飞行模拟机公司，2014.
[2]飞行模拟机鉴定与测试指南.中国民用航空军，2005.
[3]现代飞行模拟机论证概要.中国民航飞行学员学报，2001.