0 引言

    仿真系統作為總線系統驗證與應用的關鍵環節，對于機載總線網絡研制的重要性不言而喻。全面可靠的總線仿真系統不僅可以提高系統設計效率，降低研發成本，而且可以發現系統存在的潛在問題，完善系統設計，進而全面系統地建立機載總線網絡的綜合化仿真平臺^[1]。

    本文在深入解讀、分析和研究1394總線協議的基礎上，結合型號需求，提出一種1394總線仿真系統設計方案。下文對1394總線仿真系統的系統架構、網絡配置、系統管理等功能模塊進行詳細闡述。

1 系統功能

    1394總線仿真系統用于在地面環境下對1394總線進行仿真測試，通過分析航空重點型號的研制需求及1394總線系統特性，設計仿真系統驗證環境及測試方法，實現對1394總線系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總線仿真系統可以對1394總線產品進行測試，主要包括系統功能測試和系統可靠性測試。測試方法及主要內容如表1所示。

2 系統設計

    1394總線仿真系統實現了1394總線拓撲搭建、網絡配置、系統仿真、數據監控及網絡管理等功能，下面將從1394總線系統的各功能部分進行詳細介紹。

2.1 系統搭建

    1394總線仿真系統是在充分理解1394協議的基礎上，結合型號需求及總線系統特性進行仿真原型設計的。該仿真系統采用環形拓撲結構設計，一個典型的1394總線仿真系統主要由一個控制計算機(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連接線纜組成，如圖1所示。

    1394總線仿真系統應用中各設備的主要特點及功能如表2所示。

    系統搭建過程中必須包含CC節點和RN節點。CC節點在總線系統中作為控制管理計算機，主要完成總線系統管理和實現總線通信；RN節點作為系統遠程節點，協助CC節點實現總線系統通信工作。CC節點通過固定幀周期發送STOF包實現總線同步，利用STOF包負載內容完成系統管理指令的發布，通過周期消息和事件消息完成與RN的數據交互。RN節點在系統中接收STOF包，通過發送異步流消息向CC上報自身狀態并完成信息交互。

2.2 系統配置

    為提高1394總線系統的高確定性，一般利用系統靜態預分配的方式以提供保障。系統靜態預分配指通過網絡通信配置表對總線系統預設定。

    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、預分配帶寬等方面。網絡拓撲具有唯一性，在整個總線系統生命周期內不允許被改變。STOF同步在總線系統中由控制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包之后開始本周期的總線通信活動。設備通道號在總線系統中也是唯一確定的，每個設備獨立使用一個通道號，在1394總線系統中一共具有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”作為控制計算機的使用通道，剩余通道作為遠程節點的使用通道。總線帶寬在系統應用中起著重要作用，反映了該系統總線的利用率。

    系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，以保證在系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，配合控制計算機發送STOF包，從而完成整個總線系統周期同步。總線系統中所有消息均采用“點對點”的通信方式，即：每個設備在系統中唯一確定。為確定設備在系統中唯一性，可通過在總線配置表中設定目的通道號解決這一問題。確定設備后，可根據該設備在系統中使用的角色，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總線系統中起著至關重要的作用。在對復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，如圖2所示。其可在減少人工參與的情況下，自動生成總線配置表并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。

2.3 系統管理

    1394總線系統管理是指控制計算機對整個系統網絡的狀態進行控制管理，主要包括通道故障邏輯、系統模式和網絡管理等。

    通道故障邏輯和系統模式一般用于多余度控制計算機中，進行余度控制計算機的有效性、計算機的狀態、計算機管理模式管理。各余度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，并向上層應用上報自身的狀態信息，以達到控制管理系統的信息共享，從而提高系統的安全性^[2，3]。

    網絡管理主要通過修改和約束異步流消息實現。控制計算機通過發送STOF包和WDT加載消息控制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，并周期發送生命消息上報自身節點信息，待系統中的遠程節點處于上網之后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圖3所示。

2.4 系統監控

    系統監控是通過監控設備對1394總線系統進行數據監控，監控的總線數據可用于重要數據備份或者故障數據分析。總線系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系統中的通信情況，同時不影響總線系統中其他節點的正常通信。由于總線系統中通信數據量巨大，監控設備不能完全監控系統中的數據，通常選取其中重要的數據進行監控、存儲，以便后續進行分析。

2.5 系統驗證與仿真

    總線系統在設計完成之后必須通過全面的驗證與仿真，排除系統設計中缺陷與異常，從而提高系統安全與健壯性。

    系統驗證過程中應按照自下而上的方式進行，首先驗證系統中各設備節點的功能是否正確，然后驗證其系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表3所示。

    各設備節點功能驗證完成后，可進行系統功能驗證。系統功能驗證時應依據系統需求進行驗證用例設計，從而完成系統功能的驗證。

    系統仿真是利用仿真節點在地面與控制計算機、遠程節點以及監控設備的虛擬仿真功能，提高系統設計的正確性。系統仿真可用于產品研制的全過程，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總線系統或者某單一1394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^[1]。

3 結論

    該仿真系統已在國內包括航空、航天地面仿真測試及試驗環境中廣泛應用，可完成系統/子系統/部組件的建模/仿真、控制律設計相關的建模/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，為飛管系統、航電系統綜合聯試提供便捷、高效的測試平臺，大大推進了型號進展^[1]。

參考文獻

[1] 楊朝旭.飛控系統設計專家[J].航空制造技術，2014(21)：31.

[2] Bai Haowei.Analysis of a SAE AS5643 Mil-1394b based high-speed avionics network architecture for space and defense applications[C].Proc.of IEEE Aerospace Conference[s.l.]：[s.n.]，2007.

[3] SAE AS5643/1 S400 copper mediainterface characteristics over extended distances[S].2004.