摘 要：在新一代网络化采集系统的创新性研制背景下，针对机载常用高速数据总线，本文提出了一种基于DSP和FPGA架构的通用设计方案，设计了基于Hash算法的数据检索方法，设计出了总线数据的采样与传输机制，以此技术成功研制出的1553B总线监听模块、ARINC429总线监听模块和RS422总线监听模块，应用在了新一代网络化采集系统中，并在飞行试验中得到了验证。
关键词：机载总线，实时采集，实时过滤，数据采样
1 引言
“新一代网络化采集系统”是我国具有自主知识产权的新一代网络化机载测试系统，旨在改变机载测试技术设备长期依赖进口的现状，实现机载测试装备的工程化、标准化和国产化。该项目为国家技术创新基金项目。
机载高速数据总线监听模块是新一代网络化采集系统的重要功能模块，主要用来监听机载高速总线数据，将高速数据总线进行实时采集，根据用户编程配置，将符合要求的数据字从总线数据中快速检索过滤出来，并按照特定的规则将数据提交至“新一代网络化采集系统”的背板总线上，最终由主控网络模块将
总线数据发送出去，以便实时记录或遥测传输。
在研究、借鉴国外同类采集器中关于机载高速总线监听模块的基本原理、方案的基础上，尤其借鉴了国外KAM4000、UMA2000、770采集器中关于总线监听模块的设计思路和方法，结合我院实际具体应用需求，本文提出了一种以DSP和FPGA为架构的总线监听模块通用设计方案，设计了一种基于哈希算法的快速检索方法，设计了一种数据采集与传递机制。根据本文提出的方案、方法和技术，研制出了高速总线监听模块，如RS422总线监听模块、ARINC429总线监听模块和1553B总线监听模块。这些模块直接应用到了新一代网络化采集系统中，并在飞行试验中得到了验证，工作稳定、可靠。本文将详细论述这种设计方案、技术和方法。
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图1 新一代网络化采集系统构架
2 系统方案设计
2.1 新一代网络化采集系统架构
新一代网络化采集系统是一种模块化、网络化的采集系统，各功能模块可以插在机箱内任意位置，如图1所示。通过采集器背板总线，各功能模块与控制器模块进行通信。一方面各功能模块的配置信息由控制器模块通过采集器背板总线进行下发，另一方面各功能模块采集到的数据也将通过采集器背板总线传递至控制器模块，最后组成网络包进行数据输出。
2.2 软件方案设计
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图2 机载高速数据总线监听模块设计方案
高速数据总线监听模块是新一代网络化采集系统的重要组成部分，主要用来对机载数据总线进行监听功能，以便使新一代网络化采集系统具有对机载高速数据总线的采集功能。机载高速数据总线，一般分为RS422总线、ARINC429总线和1553B总线等其它总线。针对这些总线的监听，本文设计了一种通用的设计方案，如图2所示。该方案以DSP和FPGA器件为架构，共分为三个部分：
第一部分：信号电平转换电路。该部分将机载总线信号码型调制为TTL电平信号，以便后续逻辑电路进行采集和判断；
第二部分：FPGA逻辑电路。该部分首先完成读取来自采集器背板总线的配置信息，并将这些配置信息送往DSP；然后对高速数据总线进行协议解析，将解析后的并行总线数据存放在缓存电路中等待DSP读取；其次完成FPGA与DSP的接口电路设计，将DSP处理完成的总线数据按照采样规则放置在缓存电路中，由采集器背板总线按照采样时刻进行读取[1]。
第三部分:DSP程序设计。该部分主要完成两项任务，其一读取缓存总线配置信息，构建内存映射空间，从而方便数据检索；其二，读取缓存中FPGA内的总线数据，启动快速检索定位符合要求的数据，并将这些数据进行缓存。其三，按照等间隔定时采样方式将数据发送至FPGA缓存电路中，等待采集器背板总线读取。
通过这三部分，可以完成对机载常用高速数据总线的解析，将符合编程配置要求的总线数据保留下来，从而实现对高速数据总线的监听功能。
2.3 硬件电路方案设计
高速数据总线监听模块主要由DSP处理器、FPGA逻辑器件、FLASH存贮器、SRAM存储器和背板总线接口及电源电路等组成，如图3所示。DSP处理器主要完成编程加载和采集检索功能，外扩FLASH存储器和SRAM存储器构成主控电路系统。FPGA逻辑器件，主要完成背板总线协议解析、总线协议解析、数据缓冲区等功能。DSP处理器和FPGA逻辑器件，通过总线方式进行连接。.png)
图3 系统硬件电路设计
3 基于Hash算法的数据检索方法
高速数据总线监听模块的功能是实时采集总线数据，将需要的数据从中检索出来，按照规定时间放置在指定缓冲区内。由于总线数据量一般比较大，如何高效检索出符合要求的数据变得非常重要。Hash算法是把任意长度的输入数据空间P，通过散列算法变换成固定长度的输出数据空间Q，P空间中任何数据都可以映射Q空间的某一数据，一般P空间大于Q空间，传递函数如式1所示，即Hash函数[2] [3] [4] [5]。
Q=H(P)-------------------（式1）
基于Hash算法，本文设计了一种快速检索数据的方法，适用于高速数据总线ARINC429、RS422、1553B总线的数据检索。这种方法分为三个部分：其一，检索条件的确定；其二，由检索条件构建基于RAM空间的Hash表格；其三，确立由数据源至Hash表格的映射关系，执行检索。由于这种方法对高速数据总线数据检索的共用性，本文以ARIC429总线的数据检索为例，详细论述这种检索方法。
3.1 检索条件的确定
ARINC429总线数据传递的最小单位是字，每字占32位，1-8位为标志位Lable，9-10为源/目的位SDI，11-29位为负载数据位，30-31为状态位SSM，32为奇偶校验位。ARINC429总线数据字通过Lable位、SDI位和SSM为来表征负载数据位的属性与含义。
图4 ARINC429字结构
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表1 ARINC429总线数据检索分类
新一代网络化采集器ARINC429总线监听模块允许用于通过编程软件对Lable位、SDI位和SSM位进行设置，以便从总线数据中找到符合这些条件的数据。然而，SDI位和SSM位，用户也可以关闭过滤使能。因此，通过对Lable、SDI和SSM分析，可以确定如表1所示的四种类型的检索条件。
ARINC429总线监听模块每个总线通道可以有N个检索条件，N<=2048。根据设计最大化原则，假定N=2048。因此，当从ARINC429总线采集到一个数据字时，可以提取数据字的Lable、SDI和SSM位，从而和2048个检索条件进行碰撞比对，比对成功则保留数据，否则丢弃。如果采用逐一循环比对法，将消耗大量的时间，无法满足实时采集的要求。因此，本文将建立Hash映射空间进行快速检索。
3.2 Hash映射空间的建立
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图5 Hash内存映射空间
Hash映射空间是将以过滤条件为组合的空间通过一定的计算关系映射到内存空间上，实现快捷检索。如前所述，本文以ARINC429总线为例，描述高速数据总线类Hash空间的设计与建立。ARINC429总线的Hash空间如图5所示，Hash空间分为Lable空间、SDI空间和SSM空间。Lable空间共256个地址，对应于Lable标号（0-255）。每个地址中存储两个值，第一个值表征Lable是否存在，即“真”说明该Lable是过滤条件；若“假”则不是过滤条件，数据可以丢弃。第二个值表征该Lable条件下的过滤方式，有4种过滤方式，对应于表1中四种检索条件。
若Lable地址下第二个值为1时，表明SDI和SSM字段均需要过滤，数据索引将指向SDI空间和SSM空间。SDI空间存储，有4个地址，每个地址对应于SDI所有可能的值，即0-3，地址下存储的数据表征SDI是否为存在，若是则说明SDI为过滤条件，若不是，则把数据丢弃；同时，数据索引也指向SSM空间，有4个地址，每个地址对应于SSM所有可能的值，即0-3，地址下存储的数据表征SSM是否为存在，若是则说明SDI为过滤条件，若不是，则把数据丢弃。SDI空间和SSM空间的索引值都为“真”，则保留数据，否则丢弃。
同理，若Lable地址下第二个值为2时，表明SDI需要过滤，SSM字段不需要过滤，数据索引仅指向SDI空间；若该值为3时，表明SSM需要过滤，SDI字段不需要过滤，数据索引仅指向SSM空间。若该值为4时，表明SSM和SDI字段均不需要过滤，可以直接保留该条件下的数据。
基于Hash映射空间的快速检索方法，适用于RS232总线、ARINC429总线和1553B总线等各类总线数据的实时检索。
4 数据采样与传输机制
4.1 数据采样方法
经过前文检索到的总线数据放入缓冲区内，当再次检索到新的总线数据时，那么旧数据经会被覆盖。因此，将对总线数据的采样转变为对指定缓冲区内的数据采样。根据新一代网络化采集器的背板总线协议时序规定，每一个大周期信号表征一个采样周期的开始，大周期信号内包含若干个小周期信号，小周期信号表征基本的采样时刻。当采样率小于小周期频率时，定义为子传输；当采样率大于小周期频率时，定义为超传输。
当为子传输时，将总线数据中的采样率进行归类，同一采样率的数据放置相同的缓冲区内，将小周期频率和该采样率的比值作为放置数据的计数器时刻。对小周期信号计数判断，即将数据写入指定缓冲区的指定地址内。
当为超传输时，将总线数据中的最大采样率与小周期频率的比值，作为定时器触发的基本单元。将总线数据的采样率与小周期频率的比值作为定时器触发的次数。当小周期信号到来时，根据定时器的触发次数，可以判断该放置哪些数据到指定地址的数据缓冲区内，超传输的时序如图6所示。
图6 超传输时序图
假设总线数据为超传输模式，当小周期到来时采样率计数器清零，按照定时器触发次数，判断是否该放置数据，实现时序如图7所示。
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图7 时序控制的实现过程
4.2 数据传输机制
采集器背板总线与数据采集模块通过数据空间进行数据传递，为了避免数据操作冲突，本文设计了一种乒乓操作方法。将数据空间使的1024个地址，分为高512地址区和低512地址区，如图8所示。当小周期信号到来时，允许采集模块在低512地址区操作，允许采集器背板总线在高512地址区操作；当下一个小周期信号到来时，允许采集模块在高512地址区操作，允许采集器背板总线在低512地址区操作。操作时序如图9所示。如此，根据小周期信号，周而复始，避免采集器背板总线与数据采集模块对同一地址区进行操作，引起混乱与冲突。
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图8 数据空间乒乓分区
图9 数据空间乒乓时序
5 方案、技术和方法的应用
基于前文描述的系统方案、数据检索方法、数据采样与传输机制，应用到新一代网络化采集系统高速数据总线功能模块的研制中，相继开发出了我院飞行试验常用的功能测试板卡，如RS422总线采集模块、ARINC429总线采集模块和1553B总线采集模块，并在某型飞机上进行了飞行验证。结果表明：根据本文所设计的方案、技术和方法，所研制的总线监听模块的功能可靠、良好，可以满足对机载高速数据总线的实时监听需求，满足工程需要。
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图10 机载高速数据总线监听模块
6 总结
基于新一代网络化采集系统的创新性预研项目，针对高速数据总线的实时采集与监听方面，本文为其设计了通用的架构方案，提出了一种基于Hash映射空间的快速检索方法，并且设计了一种简单、可靠的数据采样机制。这些技术，已经成功应用到了高速总线监听模块的研制中，开发出了相关的总线监听模块，实现了工程应用。
参考文献：
1 于振华.基于PCI的ARINC429机载总线板卡的设计与实现[M].信息与信号处理,2010.
2 黄秋兰.分布式存储系统的哈希算法研究[J].计算机工程与应用, 2014，50（1）
3 何山.哈希函数的应用辨析[J]. 电脑知识与技术,2013,9(34)
4 严蔚敏,吴伟民.数据结构（C语言版）[M].北京:清华大学出版社, 2011
5 Anand Rajaraman, Jeffrey David Ullman. Mining of Massive Datasets [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
论文作者:董青
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：总线论文; 数据论文; 模块论文; 空间论文; 背板论文; 新一代论文; 地址论文; 《科学与技术》2019年18期论文;