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【聚焦1394】——1394總線仿真係統設計與實現
發布時間:2016/12/2 11:30:42 點擊數:1010
導讀
隨著1394總線在機載領域的廣泛應用,出於低成本、靈活性考慮,地麵配置、仿真、測試、監控、試驗等環節急需建立一套完整的1394總線仿真測試係統。可靠的總線仿真係統可實現產品的模塊級、係統級應用測試,同時最大程度的縮短係統研製周期,節省開發成本。本文提出一種1394總線仿真係統的設計方案,該方案結合係統需求,從係統搭建、係統配置、係統監控與仿真及係統管理等進行詳細介紹,建立全麵、完備、可靠的仿真係統平台。可通過該平台對1394總線的通信機製、運行方式、工作原理以及係統應用進行深入研究,同時方便係統應用者進行故障檢測、排查與設備維護,進而為機載設備的開發、驗證、試驗與應用提供可靠的技術保障。
1引言
仿真係統作為總線係統驗證與應用的關鍵環節,對於機載總線網絡研製的重要性不言而喻。全麵可靠的總線仿真係統不僅可以提高係統設計效率,降低研發成本,而且可以發現係統存在的潛在問題,完善係統設計,進而全麵係統的建立機載總線網絡的綜合化仿真平台。
本文是在深入解讀、分析和研究1394總線協議,結合型號需求,提出一種1394總線仿真係統設計方案。下文對1394總線仿真係統的係統架構、網絡配置、係統管理等功能模塊進行詳細闡述。
2係統功能

1394總線仿真係統用於在地麵環境下對1394總線進行仿真測試,通過分析航空重點型號的研製需求及1394總線係統特性,設計仿真係統驗證環境及測試方法,實現對1394總線係統特性及總線產品性能的驗證。由1394仿真測試設備搭建的1394總線仿真係統可以對1394總線產品進行測試。主要包括係統功能測試和係統可靠性測試。測試方法及主要內容如下所示。

3係統設計
1394總線仿真係統實現了1394總線拓撲搭建、網絡配置、係統仿真、數據監控及網絡管理等功能。
4係統搭建
1394總線仿真係統是在充分理解1394協議的基礎上,結合型號需求及總線係統特性進行仿真原型設計的。該仿真係統采用環形拓撲結構設計,一個典型的1394總線仿真係統主要由一個控製計算機(Control Computer,CC)、多個遠程節點(Remote Node,RN)、中繼器、仿真卡、總線分析儀和1394連接線纜組,如下圖所示。

1394總線仿真係統應用中各設備的主要特點及功能如下所示:


     係統搭建過程中必須包含CC節點和RN節點。CC節點在總線係統中作為控製管理計算機,主要完成總線係統管理和實現總線通信;RN節點作為係統遠程節點,協助CC節點實現總線係統通信工作。CC節點通過固定幀周期發送STOF包實現總線同步,利用STOF包負載內容完成係統管理指令的發布,通過周期消息和事件消息完成與RN的數據交互。RN節點在係統中接收STOF包,通過發送異步流消息向CC上報自身狀態並完成信息交互。
5係統配置
      為提高1394總線係統的高確定性,一般利用係統靜態預分配的方式以提供保障。係統靜態預分配指通過網絡通信配置表對總線係統預設定。
      1394總線的高確定性主要體現在網絡拓撲預配置、STOF同步、靜態分配通道、預分配帶寬等方麵。網絡拓撲具有唯一性,在整個總線係統生命周期內不允許被改變。STOF同步在總線係統中由控製計算機按照固定幀周期發送STOF包進行廣播,遠程節點在接收到STOF包之後開始本周期的總線通信活動。設備通道號在總線係統中也是唯一確定的,每個設備獨立使用一個通道號,在1394總線係統中一共具有64個通道,通道號為0~63,其中通道號“31”作為STOF包的使用通道,通道號“0”作為控製計算機的使用通道,剩餘通道作為遠程節點的使用通道。總線帶寬在係統應用中起著重要作用,反映了該係統總線的利用率。
      係統靜態預分配的具體實現方式由總線配置表完成。在總線配置表中確定CC為根節點,設置使用通道為0通道,以保證在係統通信過程中根節點不被更改。總線配置表中設定STOF包的幀周期以及周期門限值,配合控製計算機發送STOF包,從而完成整個總線係統周期同步。總線係統中所有消息均采用“點對點”的通信方式,即:每個設備在係統中唯一確定。為確定設備在係統中唯一性,可通過在總線配置表中設定目的通道號解決這一問題。確定設備後,可根據該設備在係統中使用的角色,在總線配置表中設定消息的消息數目、消息大小、消息發送時間,從而對總線帶寬進行預分配。
      總線配置表在1394總線係統中起著至關重要的作用。在對複雜的配置表進行設計時過多的人工參與,在很大程度增加人為因素引入故障概率,為解決這一問題開發了總線配置工具,如下所示。其可在減少人工參與的情況下,自動生成總線配置表並對其配置內容進行合理性進行檢驗,預先發現潛在錯誤,縮短網絡驗證周期。

6係統管理
      1394總線係統管理是指控製計算機對整個係統網絡的狀態進行控製管理,主要包括通道故障邏輯、係統模式和網絡管理等。
      通道故障邏輯和係統模式一般用於多餘度控製計算機中,進行餘度控製計算機的有效性、計算機的狀態、計算機管理模式管理。各餘度CC之間利用交叉通道數據鏈路(Cross Channel Data Link,CCDL)進行消息表決,在表決過程中出現不一致時,由通道故障邏輯進行裁決,進行CC之間的交互,並向上層應用上報自身的狀態信息,以達到控製管理係統的信息共享,從而提高係統的安全性。
      網絡管理主要通過修改和約束異步流消息實現。控製計算機通過發送STOF包和WDT加載消息,控製遠程節點上下網狀態。遠程節點根據應用需求通過發送請求上網消息請求上網,並周期發送生命消息上報自身節點信息,待係統中的遠程節點處於上網之後可通過異步流消息與主機進行信息交互。其中網絡管理方案具體流程如下所示。

7係統監控
      係統監控是通過監控設備對1394總線係統進行數據監控,監控的總線數據可用於重要數據備份或者故障數據分析。總線係統中一般利用中繼設備將數據分流,引入監控設備進行實時數據監控,這種監控方式可以真實地反映係統中的通信情況,同時不影響總線係統中其他節點的正常通信。由於總線係統中通信數據量巨大,監控設備不能完全監控係統中的數據,通常選取其中重要的數據進行監控、存儲,以便後續進行分析。
8係統驗證與仿真
      總線係統在設計完成之後必須通過全麵的驗證與仿真,排除係統設計中缺陷與異常,從而提高係統安全與健壯性。
      係統驗證過程中應按照自下而上的方式進行,首先驗證係統中各設備節點的功能是否正確,然後驗證其係統功能是否滿足應用需求。各設備節點在實現的過程中均通過了協議符合性測試,因此在進行設備節點功能驗證時,開發對應設備的功能測試用例,各設備節點功能測試用例如下所示:

     各設備節點功能驗證完成後,可進行係統功能驗證。係統功能驗證時應依據係統需求進行驗證用例設計,從而完成係統功能的驗證。
      係統仿真是利用仿真節點在地麵與控製計算機、遠程節點以及監控設備的虛擬仿真功能,以提高係統設計的正確性。係統仿真可用於產品研製的全過程,為產品數學仿真和物理仿真提供激勵及工作環境。通過設計驗證環境和用例對1394總線係統或者某單一1394產品進行驗證,預先發現潛在故障,縮短產品研發周期,節省產品研發成本。
9結論
      該仿真係統已在國內包括航空、航天地麵仿真測試及試驗環境中廣泛應用,可完成係統/子係統/部組件的建模/仿真、控製律設計相關的建模/仿真、試驗設施相關的建模/仿真、虛擬飛行等工作,同時可提供全機模擬試驗和機上在線試驗,為飛管係統、航電係統綜合聯試提供便捷、高效的測試平台,大大推進了項目進展。

轉自:《電子技術應用》2016 第42卷 第6期
西安翔騰微電子科技有限公司供稿

下期將對“1394三節點仿真卡”產品進行詳細介紹,敬請關注!



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