CN112363799A - 一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，硬件平台上包含有通用处理模块，通用处理模块根据模拟的航空电子设备运行的应用软件，采用多核处理器基于跨平台中间件驻留多个应用软件并协同运行，该跨平台中间件支持多操作系统；跨平台中间件包括操作系统适配层、接入适配层和虚拟分区层；操作系统适配层为应用软件提供符合ARINC653标准的函数接口，实现应用软件与操作系统的解耦，接入适配层实现应用软件与硬件平台的解耦，虚拟分区层实现应用软件与操作系统适配层的协同运行。本发明提供的基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器具有机载软件移植快、通用化程度高、适用范围广、研制周期短、成本低、维护性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及航空模拟器和航空电子系统仿真领域，尤其涉及一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，实现对航空电子设备的低成本模拟和仿真，支持航电系统各应用软件的快速跨平台移植、升级和维护。
背景技术
航空电子系统是支持飞机完成任务使命的所有航空电子设备的总和，支撑飞机完成起降、导航、飞行控制、目标搜索、识别跟踪、火控解算、武器管理、武器投射、电子战、通信、数据传输/处理、显示控制和综合任务管理等功能。航空电子系统主要由探测、导航、通信、任务处理与管理、人机交互等设备和分系统组成，通过机载网络互联形成有机的整体，是飞机完成各种飞行和作战任务的“大脑”和核心系统。
以机载座舱综合显示控制设备为例，机载座舱综合显示控制设备主要承担人机交互控制、任务管理、总线管理、数据处理等工作，是航电系统的核心。因此，在航空模拟器和航电仿真模拟系统的研制过程中，机载座舱综合显示控制设备的仿真、模拟显得尤为重要。目前，机载座舱综合显示控制设备均使用嵌入式实时操作系统，图形和视频通道繁多，对外数据接口繁杂，这就使驻留的飞行作战应用软件对硬件平台有很强的依赖性。同时，受不同战场任务特点的影响，机载飞行作战应用软件技术状态多样，这就对机载座舱综合显示控制设备模拟器的设计、维护和升级提出了很高的要求。故在高等级航空模拟器的研制过程中，为便于维护和升级，产品配套多以实装或半实装设备为主，通用化程度低、成本高，且对航空模拟器的普及和发展形成了一定阻碍。
发明内容
针对现有机载航空电子设备模拟器在成本控制，机载应用软件无缝移植、升级和维护，通用化、系列化等方面的不足，本发明的发明目的在于提供一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，具有机载软件移植快、通用化程度高、适用范围广、研制周期短、成本低、维护性高等特点。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，硬件平台上包含有通用处理模块；
通用处理模块根据模拟的航空电子设备运行的应用软件，采用多核处理器基于跨平台中间件驻留多个应用软件并协同运行；
跨平台中间件包括操作系统适配层、接入适配层和虚拟分区层；操作系统适配层为应用软件提供符合ARINC653标准的函数接口，实现应用软件与操作系统的解耦，接入适配层实现应用软件与硬件平台的解耦，虚拟分区层实现应用软件与操作系统适配层的协同运行。
优选地，跨平台中间件支持的操作系统包含Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks 653、Windows、Linux等。
优选地，操作系统适配层向应用软件提供ARINC653标准所规定的分区管理、任务管理、时间管理、分区间通信管理、分区内通信管理、健康管理等六类共计56个标准函数接口。
其中任务管理类函数接口将操作系统中的任务管理接口封装为对应的ARINC653标准接口，并将操作系统中的任务管理接口的函数返回值转化为ARINC653标准中所规定的返回值，返回给应用软件，实现了ARINC653标准定义的任务管理功能。
时间管理函数接口为：在跨平台中间件初始化时启动一个周期性定时器；在创建周期任务时同时创建一个信号量，周期任务在周期性休眠中等待该信号量；周期性定时器每过1ms会触发一次计数，当周期任务的周期时间到达时，在周期性定时器中释放该信号量，唤醒等待的周期任务。
优选地，在虚拟分区层中，运用操作系统上的进程来模拟仿真ARINC653标准的分区，一个进程相当于一个分区，通过对进程的启动、暂停、恢复、停止来模拟对分区的控制操作。
进一步，硬件平台上还包含通用图形模块，通过PCIe总线与通用处理模块交互，根据通用处理模块上应用软件的控制生成模拟的航空电子设备所需的各种图形并输出。
进一步，硬件平台上还包含通用总线模块，通用总线模块包括HB6096总线模块、AFDX总线模块、1553B总线模块、FC总线模块，均通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，实现应用软件与外部航空电子设备的数据交互。
进一步，硬件平台上还包含通用接口模块，通用接口模块包括离散量采集和输出模块、模拟量采集和输出模块，均通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，实现多路模拟量的采集和离散量的输入输出控制。
进一步，硬件平台上还包含通用视频模块，通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，根据通用处理模块上应用软件的控制实现模拟的航空电子设备所需的各种视频并输出。
进一步，通用视频模块包括视频处理模块和视频分配模块，视频处理模块根据主控应用软件的指令实现视频拼接、叠加、开窗、矩阵选通；视频分配模块用于对外部输入视频的格式转换、缩放，转换为标准分辨率的视频供通用视频处理模块处理。
本发明的有益效果在于：
本发明基于分层解耦架构构建了一套支持Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks653、Windows、Linux等操作系统和不同硬件平台的跨平台中间件，支持应用软件的跨操作系统和跨硬件平台无缝移植，有效降低航空电子设备模拟器的复杂度和成本，并为后期应用软件的升级和维护提供便利；采用通用架构开展航空电子设备设计，预留多个槽位，内部各模块均按照标准接口设计，配置多样，具有很强的兼容性和可扩展性，可满足各类机载座舱综合显示控制设备的人机交互需求；具有通用化程度高、适用范围广、成本低、维护性高、研制周期短等特点。本发明对航空模拟器的系列化、通用化推广和应用有着重要意义，成本低、研制周期短、风险可控，能产生较大的经济效益。
附图说明
图1为基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器的硬件平台结构示意图。
图2为通用处理模块的结构示意图。
图3为通用图形模块的结构示意图。
图4为通用处理模块的软件架构。
图5为基于分层解耦架构的跨平台中间件的软件架构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
以机载座舱综合显示控制设备为例，参见图1所示，本实施例所示的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其硬件平台通过采用具有18个槽位5U高度的CPCIe机箱将通用处理模块、通用图形模块、通用总线模块、通用接口模块、通用视频模块、母板等集成在一起，通过灵活的配置和扩展，可模拟、仿真目前机载各种航空电子设备。
1)通用处理模块：单个通用处理模块占用3个槽位，通用处理模块在提高集成度和降低成本的原则上，通过多核处理器模拟机载多个单核处理资源，通过PCIe总线与通用图形模块、通用总线模块、通用接口模块、通用视频模块进行数据交互。参见图2所示，作为举例说明，本实施例中通用处理模块基于T2080处理器设计，4核8线程，CPU主频可达1533MHz，浮点运算能力可达1641.13MWIPS，整数运算能力可达3225831Loop/s，具有接口资源丰富、处理速度快的特点，配置512GB的固态电子盘，单个模块可驻留4个机载应用，有效降低成本。
通用处理模块支持与商用Windows平台主控模块的互换，可根据模拟的航空电子设备功能驻留多个基于ARINC653规范开发的机载应用软件。同时通过基于分层解耦架构的跨平台中间件向下兼容航空电子系统各航空电子设备上运行的不同操作系统，向上为应用软件提供符合ARINC653标准的函数接口。
根据机载座舱综合显示控制设备的需求，本实施例在通用处理模块1驻留的应用软件有主控应用软件和地图应用软件等，主控应用软件控制整个航空电子设备模拟器的运行状态，地图应用软件控制通用图形模块1生成机载数字地图辅助导航、近地告警等图形画面；通用处理模块2驻留的应用软件有3个图形应用软件，在主控应用软件的调度下，控制通用图形模块2生成6路机载人机交互界面。
2)通用图形模块：单个模块占用2个槽位，采用高性能图形引擎，通过PCIe总线与通用处理模块交互，根据通用处理模块上应用软件的控制生成模拟的航空电子设备所需的各种图形并输出，能够满足航空电子设备人机交互的各类显示需求。
作为举例说明，参见图3所示，通用图形模块基于E8860图形处理器设计，显存2GBGDDR5(128-bit wide)，具有640个shader处理器，支持6路显示(2路DVI接口，点频支持162MHz，分辨率支持1600×1200@60Hz；支持4路DP接口，支持DP1.2，分辨率支持4096×2160@30Hz)，最高支持16Lanes的PCIE通信，支持PCIE3.0。
3)通用总线模块：单个通用总线模块占用1个槽位，以FPGA为核心，包括HB6096总线模块、AFDX总线模块、1553B总线模块、FC总线模块等，均通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，可按需进行灵活配置和扩展，实现主控应用软件与外部航空电子设备的数据交互。
4)通用接口模块：单个通用接口模块占用1个槽位，以FPGA为核心，包括离散量采集和输出模块、模拟量采集和输出模块等，均通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，可按需进行灵活配置和扩展，实现机载多路模拟量的采集和离散量的输入输出控制。
5)通用视频模块：单个通用视频模块占用1个槽位，以FPGA为核心，通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，根据通用处理模块上应用软件的控制实现模拟的航空电子设备所需的各种视频并输出，可按需进行灵活配置和扩展。通用视频模块包括视频处理模块和视频分配模块。
视频处理模块支持12路视频输入、6路DVI视频输出，根据主控应用软件的指令可实现12*6的视频拼接、叠加、开窗、矩阵选通等功能，最大支持6个窗口的叠加，实现机载多路视频驱动的模拟。
视频分配模块实现外部输入视频的格式转换、缩放等处理，转换为标准分辨率的视频供视频处理模块处理，支持6路DVI视频输入和12路视频输出，根据外部设备输入的模拟和数字视频，并转换为ARINC818视频输出至通用视频处理模块处理，用于模拟目前大部分机载外视频输入处理。
6)母板：按照18个槽位设计，自带PCIe交换机，能够满足目前机载各种座舱综合显示控制设备的接口需求。
通用处理模块上驻留的基于分层解耦架构的跨平台中间件是整个航空电子设备模拟器的核心，跨平台中间件将Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks 653、Windows、Linux等操作系统提供的API函数封装成统一的ARINC653规范定义的APEX接口形式，基于ARINC653规范开发的应用软件不需要做任何代码修改就可以在Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks 653、Windows、Linux等操作系统上进行运行，实现应用软件在不同操作系统间的跨平台运行，部署了跨平台中间件的通用处理模块的软件架构图见图4，通用处理模块上部署了跨平台中间件后，具备了模拟仿真航电系统各设备的操作系统运行环境的能力。
基于分层解耦架构的跨平台中间件见图5，包括操作系统适配层、接入适配层和虚拟分区层。操作系统适配层实现应用软件与操作系统的解耦，接入适配层实现应用软件与硬件平台的解耦，虚拟分区层实现应用软件与操作系统适配层的协同运行。支持机载应用的跨平台快速移植、升级和维护。
1)操作系统适配层：向应用软件提供ARINC653标准所规定分区管理、任务管理、时间管理、分区间通信管理、分区内通信管理、健康管理等六类共计56个ARINC653标准函数接口。应用软件调用这些标准函数接口后，操作系统适配层中调用对应的操作系统的函数接口，并将操作系统的函数返回值转化为ARINC653标准中所规定的返回值，返回给应用软件，实现了应用软件与操作系统的解耦。
不同的操作系统中任务管理以及时间管理等功能的操作系统函数接口是不一样的，本发明基于ARINC653标准对上述操作系统函数接口进行了封装，屏蔽了不同操作系统中系统函数接口的差异。部分功能设计如下：
a)任务管理功能设计
如表1所示，跨平台中间件提供的任务管理功能参照ARINC653标准共提供12个函数接口，在本发明的设计中，在Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks653、Windows、Linux操作系统中将表格中所列的函数接口封装为对应的ARINC653标准接口，实现了ARINC653标准定义的任务管理功能。
表1不同操作系统任务管理接口对应关系
| 任务管理接口名 | ARINC653 API | Windows API | Linux API | VxWorks6.x API |
| 创建新任务 | CREATE_PROCESS | CreateThread | pthread_create | taskSpawn |
| 设置任务优先级 | SET_PRIORITY | SetThreadPriority | pthread_setschedprio | taskPrioritySet |
| 暂停当前任务 | SUSPEND_SELF | Sleep | nanosleep | taskDelay |
| 暂停指定任务 | SUSPEND | SuspendThread | pthread_kill | taskSuspend |
| 恢复指定任务 | RESUME | ResumeThread | pthread_resume | taskResume |
| 停止当前任务 | Stop_SELF | ExitThread | pthread_exit | taskSuspend |
| 停止指定任务 | Stop | TerminateThread | pthread_cancel | taskSuspend |
| 启动指定任务 | START | CreateThread | pthread_create | taskRestart |
| 延迟启动指定任务 | DELAYED_START | CreateThread | pthread_create | taskRestart |
| 锁定任务抢占权 | LOCK_PREEMPTION | 无 | 无 | taskLock |
| 解锁任务抢占权 | UNLOCK_PREEMPTION | 无 | 无 | taskUnlock |
| 获取当前任务的ID | GET_MY_ID | GetCurrentThreadId | pthread_self | taskIdSelf |
b)时间管理功能设计
ARINC653标准中时间管理功能中的周期任务休眠等待是一项重要功能，是指挂起当前的周期任务，直到任务的下一个调度时间到来后将该任务唤醒。但在Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks 653、Windows、Linux操作系统中没有对应的功能，无法通过操作系统实现周期任务的调度时间到了自动唤醒任务。在本发明的设计中，跨平台中间件初始化时启动一个高精度(1ms)的周期性定时器；在创建周期任务时同时创建一个信号量；在周期性休眠等待功能的接口PERIODIC_WAIT中等待该信号量；周期性定时器处理函数每过1ms会触发一次计数，当周期任务的周期时间到达时，在周期性定时器处理函数中释放该信号量，唤醒等待的周期任务。
2)接入适配层：在接入适配层中针对不同硬件平台上总线驱动接口不统一的情况，将对不同的总线驱动提供的数据传输函数接口封装为统一标准的数据传输函数接口，如表2所示。应用软件调用这些标准的数据传输接口，接入适配层调用不同的总线驱动数据传输函数接口，并返回统一标准的返回值，实现应用软件与总线驱动的解耦。
表2数据传输接口
| 数据传输接口名 | API NAME |
| 创建采样端口 | CREATE_SAMPLING_PORT |
| 向采样端口发送消息 | WRITE_SAMPLING_MESSAGE |
| 从采样端口接收消息 | READ_SAMPLING_MESSAGE |
| 获取采样端口的标识 | GET_SAMPLING_PORT_ID |
| 获取采样端口的状态 | GET_SAMPLING_PORT_STATUS |
| 创建队列端口 | CREATE_QUEUING_PORT |
| 向队列端口发送消息 | SEND_QUEUING_MESSAGE |
| 从队列端口接收消息 | RECEIVE_QUEUING_MESSAGE |
| 获取队列端口的标识 | GET_QUEUING_PORT_ID |
| 获取队列端口的状态 | GET_QUEUING_PORT_STATUS |
3)虚拟分区层：分区为ARINC653标准中所定义的应用程序运行的载体，其特点是分区之间的时间、空间相互隔离。航电系统各设备中运行的一些操作系统，如Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks 653、Windows、Linux等操作系统为非分区的操作系统，没有ARINC653标准中所定义的分区机制。在虚拟分区层的设计中，基于Windows、Linux操作系统上的进程之间也是时间、空间隔离的原理，用Windows、Linux操作系统上的进程来模拟仿真ARINC653标准的分区，一个进程相当于一个分区，通过对进程的启动、暂停、恢复、停止等操作来模拟对分区的控制操作，虚拟分区层与应用软件没有直接调用的函数接口，主要是为应用软件提供了类似于分区的运行载体，实现了对分区机制的仿真模拟。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，硬件平台上包含有通用处理模块，其特征在于：
通用处理模块根据模拟的航空电子设备运行的应用软件，采用多核处理器基于跨平台中间件驻留多个应用软件并协同运行；
跨平台中间件包括操作系统适配层、接入适配层和虚拟分区层；操作系统适配层为应用软件提供符合ARINC653标准的函数接口，实现应用软件与操作系统的解耦，接入适配层实现应用软件与硬件平台的解耦，虚拟分区层实现应用软件与操作系统适配层的协同运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于跨平台中间件支持的操作系统包含Vxworks5.x、Vxworks6.x/RTP、Vxworks 653、Windows、Linux。
3.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于操作系统适配层向应用软件提供ARINC653标准所规定的标准函数接口，标准函数接口类型包含分区管理、任务管理、时间管理、分区间通信管理、分区内通信管理、健康管理；
其中：任务管理类函数接口将操作系统中的任务管理接口封装为对应的ARINC653标准接口，并将操作系统中的任务管理接口的函数返回值转化为ARINC653标准中所规定的返回值，返回给应用软件，实现了ARINC653标准定义的任务管理功能；
时间管理函数接口为：在跨平台中间件初始化时启动一个周期性定时器；在创建周期任务时同时创建一个信号量，周期任务在周期性休眠中等待该信号量；周期性定时器每过1ms会触发一次计数，当周期任务的周期时间到达时，在周期性定时器中释放该信号量，唤醒等待的周期任务。
4.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于在虚拟分区层中，运用操作系统上的进程来模拟仿真ARINC653标准的分区，一个进程相当于一个分区，通过对进程的启动、暂停、恢复、停止来模拟对分区的控制操作。
5.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于硬件平台上还包含通用图形模块，通过PCIe总线与通用处理模块交互，根据通用处理模块上应用软件的控制生成模拟的航空电子设备所需的各种图形并输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，硬件平台上还包含通用总线模块，通用总线模块包括HB6096总线模块、AFDX总线模块、1553B总线模块、FC总线模块，均通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，实现应用软件与外部航空电子设备的数据交互。
7.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于硬件平台上还包含通用接口模块，通用接口模块包括离散量采集和输出模块、模拟量采集和输出模块，均通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，实现多路模拟量的采集和离散量的输入输出控制。
8.根据权利要求1所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于硬件平台上还包含通用视频模块，通过PCIe总线与通用处理模块交互数据，根据通用处理模块上应用软件的控制实现模拟的航空电子设备所需的各种视频并输出。
9.根据权利要求7所述的一种基于分层解耦架构的航空电子设备模拟器，其特征在于通用视频模块包括视频处理模块和视频分配模块，视频处理模块根据主控应用软件的指令实现视频拼接、叠加、开窗、矩阵选通；视频分配模块用于对外部输入视频的格式转换、缩放，转换为标准分辨率的视频供通用视频处理模块处理。
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