0 引言

    仿真系统作为总线系统验证与应用的关键环节，对于机载总线网络研制的重要性不言而喻。全面可靠的总线仿真系统不仅可以提高系统设计效率，降低研发成本，而且可以发现系统存在的潜在问题，完善系统设计，进而全面系统地建立机载总线网络的综合化仿真平台^[1]。

    本文在深入解读、分析和研究1394总线协议的基础上，结合型号需求，提出一种1394总线仿真系统设计方案。下文对1394总线仿真系统的系统架构、网络配置、系统管理等功能模块进行详细阐述。

1 系统功能

    1394总线仿真系统用于在地面环境下对1394总线进行仿真测试，通过分析航空重点型号的研制需求及1394总线系统特性，设计仿真系统验证环境及测试方法，实现对1394总线系统特性及总线产品性能的验证。由1394仿真测试设备搭建的1394总线仿真系统可以对1394总线产品进行测试，主要包括系统功能测试和系统可靠性测试。测试方法及主要内容如表1所示。

2 系统设计

    1394总线仿真系统实现了1394总线拓扑搭建、网络配置、系统仿真、数据监控及网络管理等功能，下面将从1394总线系统的各功能部分进行详细介绍。

2.1 系统搭建

    1394总线仿真系统是在充分理解1394协议的基础上，结合型号需求及总线系统特性进行仿真原型设计的。该仿真系统采用环形拓扑结构设计，一个典型的1394总线仿真系统主要由一个控制计算机(Control Computer，CC)、多个远程节点(Remote Node，RN)、中继器、仿真卡、总线分析仪和1394连接线缆组成，如图1所示。

    1394总线仿真系统应用中各设备的主要特点及功能如表2所示。

    系统搭建过程中必须包含CC节点和RN节点。CC节点在总线系统中作为控制管理计算机，主要完成总线系统管理和实现总线通信；RN节点作为系统远程节点，协助CC节点实现总线系统通信工作。CC节点通过固定帧周期发送STOF包实现总线同步，利用STOF包负载内容完成系统管理指令的发布，通过周期消息和事件消息完成与RN的数据交互。RN节点在系统中接收STOF包，通过发送异步流消息向CC上报自身状态并完成信息交互。

2.2 系统配置

    为提高1394总线系统的高确定性，一般利用系统静态预分配的方式以提供保障。系统静态预分配指通过网络通信配置表对总线系统预设定。

    1394总线的高确定性主要体现在网络拓扑预配置、STOF同步、静态分配通道、预分配带宽等方面。网络拓扑具有唯一性，在整个总线系统生命周期内不允许被改变。STOF同步在总线系统中由控制计算机按照固定帧周期发送STOF包进行广播，远程节点在接收到STOF包之后开始本周期的总线通信活动。设备通道号在总线系统中也是唯一确定的，每个设备独立使用一个通道号，在1394总线系统中一共具有64个通道，通道号为0~63，其中通道号“31”作为STOF包的使用通道，通道号“0”作为控制计算机的使用通道，剩余通道作为远程节点的使用通道。总线带宽在系统应用中起着重要作用，反映了该系统总线的利用率。

    系统静态预分配的具体实现方式由总线配置表完成。在总线配置表中确定CC为根节点，设置使用通道为0通道，以保证在系统通信过程中根节点不被更改。总线配置表中设定STOF包的帧周期以及周期门限值，配合控制计算机发送STOF包，从而完成整个总线系统周期同步。总线系统中所有消息均采用“点对点”的通信方式，即：每个设备在系统中唯一确定。为确定设备在系统中唯一性，可通过在总线配置表中设定目的通道号解决这一问题。确定设备后，可根据该设备在系统中使用的角色，在总线配置表中设定消息的消息数目、消息大小、消息发送时间，从而对总线带宽进行预分配。

    总线配置表在1394总线系统中起着至关重要的作用。在对复杂的配置表进行设计时过多的人工参与，在很大程度增加人为因素引入故障概率。为解决这一问题，开发了总线配置工具，如图2所示。其可在减少人工参与的情况下，自动生成总线配置表并对其配置内容进行合理性进行检验，预先发现潜在错误，缩短网络验证周期。

2.3 系统管理

    1394总线系统管理是指控制计算机对整个系统网络的状态进行控制管理，主要包括通道故障逻辑、系统模式和网络管理等。

    通道故障逻辑和系统模式一般用于多余度控制计算机中，进行余度控制计算机的有效性、计算机的状态、计算机管理模式管理。各余度CC之间利用交叉通道数据链路(Cross Channel Data Link，CCDL)进行消息表决，在表决过程中出现不一致时，由通道故障逻辑进行裁决，进行CC之间的交互，并向上层应用上报自身的状态信息，以达到控制管理系统的信息共享，从而提高系统的安全性^[2，3]。

    网络管理主要通过修改和约束异步流消息实现。控制计算机通过发送STOF包和WDT加载消息控制远程节点上下网状态。远程节点根据应用需求通过发送请求上网消息请求上网，并周期发送生命消息上报自身节点信息，待系统中的远程节点处于上网之后可通过异步流消息与主机进行信息交互。其中网络管理方案具体流程如图3所示。

2.4 系统监控

    系统监控是通过监控设备对1394总线系统进行数据监控，监控的总线数据可用于重要数据备份或者故障数据分析。总线系统中一般利用中继设备将数据分流，引入监控设备进行实时数据监控，这种监控方式可以真实地反映系统中的通信情况，同时不影响总线系统中其他节点的正常通信。由于总线系统中通信数据量巨大，监控设备不能完全监控系统中的数据，通常选取其中重要的数据进行监控、存储，以便后续进行分析。

2.5 系统验证与仿真

    总线系统在设计完成之后必须通过全面的验证与仿真，排除系统设计中缺陷与异常，从而提高系统安全与健壮性。

    系统验证过程中应按照自下而上的方式进行，首先验证系统中各设备节点的功能是否正确，然后验证其系统功能是否满足应用需求。各设备节点在实现的过程中均通过了协议符合性测试，因此在进行设备节点功能验证时，开发对应设备的功能测试用例。各设备节点功能测试用例如表3所示。

    各设备节点功能验证完成后，可进行系统功能验证。系统功能验证时应依据系统需求进行验证用例设计，从而完成系统功能的验证。

    系统仿真是利用仿真节点在地面与控制计算机、远程节点以及监控设备的虚拟仿真功能，提高系统设计的正确性。系统仿真可用于产品研制的全过程，为产品数学仿真和物理仿真提供激励及工作环境。通过设计验证环境和用例对1394总线系统或者某单一1394产品进行验证，预先发现潜在故障，缩短产品研发周期，节省产品研发成本^[1]。

3 结论

    该仿真系统已在国内包括航空、航天地面仿真测试及试验环境中广泛应用，可完成系统/子系统/部组件的建模/仿真、控制律设计相关的建模/仿真、试验设施相关的建模/仿真、虚拟飞行等工作，同时可提供全机模拟试验和机上在线试验，为飞管系统、航电系统综合联试提供便捷、高效的测试平台，大大推进了型号进展^[1]。

参考文献

[1] 杨朝旭.飞控系统设计专家[J].航空制造技术，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.