段宝元;穆永花;穆永河
【摘 要】简单介绍了PCM规范和新飞机测试改装网络包协议,论述了新飞机测试改装网络数据到PCM/NRZL信号转换的嵌入式设备——PCM生成器的软硬件设计思路以及在新支线客机试飞测试中的应用情况;测试和使用结果表明,新飞机测试改装网络数据到PCM转换设计的思路正确,转换速度、时延满足飞行试验要求.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2014(022)010
【总页数】3页(P3356-3358)
【关键词】PCM帧;非归零码;先进先出
【作 者】段宝元;穆永花;穆永河
【作者单位】中航工业试飞院,西安 710089;中航工业试飞院,西安 710089;中航工业试飞院,西安 710089
【正文语种】中 文
【中图分类】V216
0 引言
IRIG 106是美国靶场司令委员会（RCC）下属的遥测工作组（TG）制定的遥测标准，主要包括FM（频率调制）和PCM（脉冲编码调制）遥测标准，涵盖数据采集、遥测发射、遥测接收和记录等环节内容。其中第一部分第4章PCM 被众多遥测设备厂家支持，广泛应用于政府和工业部门，成为事实上的国际标准。航空飞行试验测试领域几十年来一直将PCM作为主要使用标准。 随着以太网在商用、民用领域的成功应用，近几年逐渐被引入到航空测试领域。然而以太网固有的不确定性传输时延的特点和缺少可靠的远距离遥测传输手段阻碍了其在航空、军工领域的快速推广。
烟雾处理
1 PCM 和新飞机测试改装网络数据简介
1.1 PCM
PCM 是在PAM（脉冲幅度调制）的基础上发展起来的，是一种时分式数字调制方式，对发射噪声有较强的抑制作用［1］。它是将模拟信号的幅度进行等间隔采样，转换成离散电平，用数字对它们编码，最后将这些数值放进帧结构里，通过串行方式按照固定的位速率一位位等间隔传输，如果需要无线传输，使用频率调制方式和高频载波信号调制在一起后进行遥测发射。近几年，为了给高位速率的数据提供更好的带宽，一种新的调制方法——正交相移键控调制（QPSK）正逐步得到应用。最简单又最常用的PCM 格式是：以一个主帧作为所有参数的一个采集周期，每个主帧分为若干个小帧，每个小帧包含相同个数的PCM 字，每个PCM 字包含相同的位数，PCM字可以有0～2位奇偶校验位。每个小帧前面包含1～2个同步字，每个小帧还包含一个标示小帧顺序的小帧识别字。各参数在一个主帧出现的频次可以不一样，可以占用不同个数的PCM 字，参数在主帧里等间隔出现，未被参数占用的PCM 字用填充字填充。 这种格式的PCM 编码／解码、同步较简单，因此被广泛采用。
PCM 采集属于集中式采集，传感器和采集器之间的线缆连接比较复杂，增减节点比较困难，加上速率低，已经不能完全满足现代军用航空测试分布式采集以及大容量数据、数字视频、语音传输的需要。进几年的发展趋势是将军用和商用，传统和现代总线技术结合起来，形成新的技术标准。AFDX［2］、FC－AE－1553和FC－AE－IP是典型的几种，它们采用令牌环或交换式星型网络结构［3］，具备高带宽、低延迟、确定性传输、冗余设计、维护简单及适应恶劣环境等特点。
1.2 新飞机测试改装网络数据
冰雕模具我国新支线客机ARJ21适航审定飞行试验过程中，机载测试系统在传统以太网技术的基础上进行了部分改进。KAM4000采集器的网络板卡具备互为备份的两个以太网端口，多个采集器连接到全双工交换机上以实现数据共享和传输，参数数据被打包成新飞机测试改装（test installation of new aircrafts－IENA）协议的网络包通过UDP 组播或广播方式传输［4］。A380飞机试飞使用过这种架构，它是航空全双工交换以太网总线（AFDX）的前身。
IENA 使用UDP协议传输，将以太网帧头里的源和目的地址字段用作采集器机架ID。IENA
空调架
数据包包含HEADER、BODY 和END 几个部分，BODY 是数据主体，END 是一个常量字，表示包的结束，HEADER 包含KEY、SIZE、DATE（3字）、STATUS、SEQ＿NUM 共5 个字段7 个字的长度。KEY 是包的标识字，在单路采集器和局域网内都应该是唯一的。SIZE存放包的字数。DATE 存放包生成时间。STATUS存放状态信息，如是否使用参数标识字、是否使用参数延时选择字段、同步与否等。SEQ＿NUM 是同一包（相同KEY）的前后顺序号。
BODY 存放参数数据。标准参数包含ID、DELAY、W 字段。ID 是参数标识，为可选字段。DELAY 也是可选字段，指定包生成时间与参数获得时间之间的延时。W 存放参数值，一个参数可连续占用多个字。同一参数只能出现在一个包中，同一包中可以包含不同采样频率的参数，各参数在包中按照与PCM 类似的等间隔规则存放，但没有填充字。
采用这种架构的测试系统，增减测试参数、增减网络节点很方便，传输速率高。有一个问题是网络数据遥测传输技术还不成熟，在相当长一段时间内航空测试数据远距离无线传输手段仍然是将PCM 信号调制后传输，最新的集成网络增强遥测（iNET）技术标准仍然把PCM 遥测作为主要的无线传输手段［5］。新支线客机试飞过程中，为了将机上测试数据
传输到地面监控站，专门研制了一种嵌入式设备——PCM 生成器，将网络数据转换成PCM／NRZL（非归零码）信号。
2 PCM 生成器硬件设计
PCM 生成器从网络接收各采集器发送的IENA 参数数据包，利用软件从中挑选出关键参数的数据，存放到事先定义好的帧结构里，再通过PCM 信号生成模块按照指定的位速率生成NRZL串行输出，用于遥测发射或记录。
为了满足机载较恶劣的振动、电磁、温度环境，采用PC104＋嵌入式模块，选用实时效率较高的嵌入式操作系统VxWorks。自行设计PCM 信号生成模块完成PCM／NRZL 信号的生成。
硬件设备由电源模块、PC104＋CPU 模块、PCM 信号生成模块组成，模块间采用堆栈连接方式。电源模块产生5V、±12V 电压，为保证电源电路在特殊情况下不受损坏，以及考虑到电磁兼容性，加装保险、反向保护、EMI滤波等电路。原理如图1所示。
图1 PCM 生成器原理框图
PCM 生成器包括网络和自主两种工作方式。网络工作方式下，将网络IENA 数据包转换为PCM 位流。自主工作方式下，将事先通过网络上传到本地CF 卡里的PCM 数据转换为PCM 位流。PCM 位流以TTL 或422 电平输出。自主工作模式起到PCM 模拟器的作用。工作模式等配置信息由配置软件通过网络设置。
CPU 主板启动后读取本地配置文件，根据配置信息对PCM 信号生成模块硬件控制电路进行加载配置。硬件控制电路生成相应控制时序，将缓冲区数据进行并／串转换，生成PCM 位流。CPU 负责接收网络数据，按照PCM 格式格栅编程信息合并数据生成新的PCM 数据帧，放入缓冲区。
密目式安全网CPU 随时监视加载设备发送过来的设置或上传数据命令，一旦接收到命令，随即进行相应工作：接收配置文件、设置工作模式、接收并保存上传的PCM 数据，完成后系统自动重新启动。
PCM 信号生成模块设A、B 两个数据缓冲区，CPU 主板得到控制电路产生的中断信号后，向两个缓冲区交替发送数据。
2.1 存储器选择
数据量按PCM 字最长16位、小帧最长8192字（16K 字节）及位速率最高8 Mb／S（受遥测数据传输位速率限制，实际应用一般在4 Mb以下）考虑。一个缓冲区存满中断1次，切换到另一个缓冲区。
如果FIFO 存储器每次存放1个小帧，选择16K 字节容量就够了，这时CPU 响应中断的频率为：8 Mb（1 M 字节）／（16K 字节）＝64次／s。每次对缓冲区操作占用总线时间大致为：16K／（33 M 字节／s）＝0.5ms。缓冲1个小帧需要等待的时间约为：16K＊1 000／8 M＝2ms。小便冲洗阀
车模门如果以主帧形式缓冲，缓冲区容量选用中等规模，为1 024K 字节。CPU 中断响应频率最小为1次／s，每次对缓冲区操作占用总线时间约为：1 024 K／（33 M 字 节／s）＝30ms。缓冲1 个主帧需要等待的时间为：1 024 K＊1 000／8 M＝125ms。总线占用时间和等待时间都太长。因此选用16K 容量的存储器较合适。最终选择容量为16K＊36 的双口RAM 存储器。如果小帧长度小于16K 字节，存储器每次可存放多个小帧。
2.2 PCM 信号生成模块
PCM 信号生成模块采用PC104＋总线，主要由PCI总线桥接口电路、存储器电路、控制电路、时钟合成电路、电平转换电路组成。接受由软件打包成的PCM 帧数据，放入存储器，然后对数据进行并／串转换、移位输出，产生标准NRZL信号；同时产生各种同步信号。主要逻辑采用FPGA 实现，原理如图2所示。
系统上电后，CPU 对PCM 信号生成模块进行加载配置，包括位速率选择、字长、帧长等。模块上的两个缓冲区交替发送、接收数据。控制电路每输出完一个存储器的数据后，切换发送和接收存储器地址，对存储器地址清零；控制电路向CPU 发送中断请求信号，CPU 接收到中断请求后发送下一帧PCM 数据到存储器；同时控制电路开始输出新一帧数据。
