关于PCM网络迁移机载仪表系统的研究∗

冯晓林

（中国飞行试验研究院 西安 710089）

关于PCM网络迁移机载仪表系统的研究∗

冯晓林

（中国飞行试验研究院 西安 710089）

目前在世界各地大多数利用基于PCM的机载测试系统操作飞行试验程序。大多数仪器工程师是基于PCM数据采集系统，当谈到网络实现与采用综合网络增强遥测iNET感到不适应。为了让这些工程师们接受这种新技术，从PCM迁移到网络拓扑结构必须以渐进的方式进行，提供投资保本的同时引入新的系统概念，提高目前的仪器系统。论文介绍了硬件组件，使仪器工程师迁移基于他们现有的PCM仪表系统到网络系统。对这些组件进行了讨论，以说明他们如何提供一个基于网络的系统控制的迁移路径。这些组件包括时间分布、网关、网络数据选择器、网络交换机、发射机、收发器和记录器。

网络；网关；数据采集

1 引言

基于脉冲编码调制（PCM）数据采集系统中常用的大多数飞行试验程序。这就意味着空中和地面基础设施的存在支持PCM系统。这个基础设施包括大型投资在固定设备及软件，最重要的是几十年的操纵经验。从一个基于PCM系统向一个基于网络系统必须以这样的一种方式变迁，保留大部分现有的基础设施有利部分，以最小的成本投资过渡到一个以网络为基础的系统，同时提供最大的系统灵活性。集成网络增强遥测（iNET）程序是“确定RF网络的可行性”特许的，并扩大和提升现有的PCM技术。

仪表工程师必须了解基于网络设备系统的条件，增强现有系统的能力但是PCM系统不能单独提供。该网络允许数据采集、时间分布、系统设置、系统状态并通过网络总线控制探讨［1］。基于网络系统也支持成熟的商业技术、工具和可扩展性，由于市场规模相对较小，我们的行业无法自行发展。最重要的是基于网络系统可以添加其他功能和特征，如关于测试物品的双向通信，实时数据挖掘，机载时测试物品调整功能和重新配置并降低成本和程序测试周期时间。

本文将不讨论系统供应者面临的软件挑战或用户的PCM系统迁移到混合网络/PCM或网络系统。这些挑战进行了讨论，详见文献［2～4］。本文将主要集中在机载仪器系统的基本硬件构成块，通过使用混合PCM/网络系统的方法来获得经验，慢慢地适应网络环境的同时最大限度地减少迁移的时间和成本。

2 基于PCM数据采集系统

基于PCM的机载数据采集系统的组成是众所周知的，是常用的大多数飞行测试程序。这些组件有很好的默认特性。这些特点包括：

·单向数据移动——从传感器到机载记录器或发射机的数据移动，这些系统具有最小的灵活性，将数据重新定向到其他目标。

·同步数据的运动——由于数据是高度确定的，是在PCM字速率采样并且由于精确数据通过流水线操作到所有数据通道数据到达一个固定的延迟。

·静态服务质量——对于一个给定的系统，线路和格式的服务质量是静态的。

·控制和数据传输的分离——当控件使用数据路径布线时，必须中断数据以执行控制功能。如果数据不能被中断，可能需要额外的布线。

·时间和数据路径的分离——要求IRIG时间单位必须使用额外的布线，为本地或远程采集单元提供时间基准信息。

2.1 基于PCM数据采集组件

大多数仪器仪表工程师都非常熟悉的基本组成部分是一个机载数据采集系统。这些系统组件提供了一个简短的描述。

·数据采集远程遥控单元——这些单元获取传感器数据，选定的航空电子设备数据参数和完整的航空电子设备总线数据。一些特定功能的单元，如压力扫描仪，热电偶扫描仪和航空电子设备的特定获得单元。这些单元通常通过通用机载测试系统（CAIS）总线或供应商专有总线连接到PCM控制单元。使用的同步信号从具有带宽高达20 Mbps的PCM控制器获得。有些单元提供的PCM输出直接到系统记录器而选定的数据发送给系统控制器。如果IRIG时间需要时间标记获取的数据，额外的布线是用来向远程单元提供时间基准信息。

·PCM控制单元——该单元或者仅是一个控制器，要么是具有内置数据采集能力的控制器。利用通讯总线（即CAIS或其他）进行通信的命令信号和同步信号进行远程遥控，并从遥控器获得选择的所有数据。一个控制器接口拓扑结构与远程单元是串级链式，可能依赖于两个的组合。一般来说，系统配置是通过控制器单元来完成的。控制器提供系统同步运行在高达20 Mbps。大多数控制器提供他们所有或一个子集的数据用于遥测传输。

·遥测发射机——用于飞行数据安全的连续数据传输，从PCM系统控制器单元发射机接收PCM数据，是在频率和发射功率变化基础上的应用。大多数的发射器的设计在lower L-band，upper L-band，or S-band操作上，并提供PCM FM或SO⁃QPSK调制。

·数据记录器——记录器的变化在功能、带宽并与PCM系统的其余部分集成上体现。简单的小的PCM记录器与系统控制器或独立或集成，并记录PCM码流高达20 Mbps。新的更复杂的记录器获得的数据从多个PCM流，航空电子总线、视频/音频，以太网，光纤通道等。这些记录有高达1 Gbps带宽的一个记录。一般来说，记录器不能与PCM系统完全集成，它们中很少有能力选出最佳传入的航空电子数据参数，没有通过数据采集单元就重新获得相同的航空电子总线的飞行安全的遥测。一些数据记录器单元提供的数据是使用以太网总线没有能力挖掘的数据，而其它可能提供数据挖掘能力。无论是内置的媒体存储或外部存储，最复杂的数据记录器的有效作为高速数据多路复用器。

2.2 迁移从PCM网络

迁移到一个基于网络的系统，基于网络系统的经验而重新使用现有的PCM有利条件允许用户开始建立自己的信心。一个基于网络的系统相比前面介绍的PCM系统提供了一组不同的特点给用户。一个基于网络的系统的特征要素包括：

·分组数据——从一个连续的数据流转换成一个离散的数据包动作。数据包需要数据的积累来创建数据包，由于积累延迟它创建一个固有的延迟。

·双向包运动——一个网络节点没有固有的定向。虽然在一个时刻它可以输出一个数据包，但下一个时刻它可能会收到一个时间包，节点状态请求包等。记录器节点可以接收来自采集节点的实时数据包并且用于存储数据。

·异步数据到达——当一个参数的采样频率发生在一个预定的速率时，用于传输该参数和它的数据包资源在网络上的其他节点中共享。如果我们测量从一个单一来源的数据包的到达时间和以同步的方式收集到的数据，我们会发现这些数据包的扩散是以平均值为中心的正态分布。

·混合数据，控制，和时间——该网络不需要在不同类型的数据包和这些数据包的流向之间分离。包头包含确定数据包的源和目的地的地址，更高层次的协议识别控制功能。

2.3 基于网络的数据采集组件

从PCM系统到网络系统的迁移并不是PCM或网络单独决定的。迁移，就其性质而言可以认为是一种进化，其中用户可以对两者结合，如果重新使用现有的PCM有利条件的重要性。在本节中要讨论的第一个重要组件是各种网关。这些组件允许用户从一个介质迁移到另一个介质。讨论的第二组组件是本质上是作为网络组件或为组件而设计的，通过更换一些内部通信电路已转换为PCM。

·PCM的网关——这个装置从PCM系统接收数据和时钟，进行数据通讯、帧时间标记、并在网络上传输分组数据。该网关支持的编程、验证和安装，并且通过将网络数据包的RS-232/422有线信号的PCM系统的库存状况展现，如图1所示。

图1 PCM的网关

PCM系统的用户可以在同一时间随着网关的许多应用进行实验，提供PCM数据的机载记录仪和TM发射机。这些应用程序可能包括：

1）使用网关允许用户程序的PCM系统使用以太网连接。

2）使用网关获取的数据通过飞行前检查以太网或机载计算机。

网络PCM网关——该设备连接到网络采集系统的侧边，从传入的数据包和一个连续的PCM时钟输出的数据格式进行参数选择，如图2所示。机组运行或者作为一个“参数数据选择器或格式化”或“从网络数据包的PCM模式转换”。第一种模式假定用户只提供包含被选择的数据的多播数据包。该单元输出的PCM数据高达20 Mbps。网关可以将PCM在网络中的传输数据记录返回到网络数据包。

图2 网络PCM网关

网络网关是一个必要的组成部分，如果遥测是在PCM/网络混合系统的要求，并且只在一个网络系统中。iNET是目前定义其为RF收发器的通信，并从一个机载测试物到地面接收设备［7～8］。此外，iNET假设串行数据流的遥测与收发器通信共存，网关执行必要的任务来支持此功能。一个网络PCM单元用于测试物品并且PCM的网络应用在地面上重建网络数据包到其原来的形式，如图3所示。

·时间分布网关——当在一个基于网络系统或一个包括PCM和网络的系统中运行时，一个必须满足的要求是给所有子系统组件实现时间分配。一些系统的时间源是IRIG-B时间，其他提供的时间是通过天线连接到GPS接收器［10］。时间分配网关是建立在网络交换机和接收的GPS信号的形成时间、IRIG-B调制或非调制时间和在网络上的IEEE-1588时间。网关产生IRIG-B时间调制和非调制的时间，分布在IEEE-1588时间可作为主要单元或从属单元。

图3 以太网在PCM中的应用和PCM的以太网网关

·网络交换机——网络交换机互连和路由数据、控制、时间和所有的网络节点之间的状态，详细描述见［5］。该节点可以包括网关、数据采集单元、航空电子设备采集单元、记录器、RF收发器、处理器、工作站等。选择正确的交换机不是一个简单的任务。用户必须意识到许多选择和决定，需要作出选择正确的交换机。以下是一些关键的考虑因素：

1）数据带宽——最大带宽聚合作为测量从每秒几兆比特到每秒几千兆位。

2）分组交换率——每秒通过切换的数据包的最大数量。它被测量为每秒数以百万计到每秒数以千万百万计的数据包。

3）多播地址切换——是交换机能够切换大量的多播地址和大量的多播数据包。

4）每个交换机的端口数——4、8、16或更多。

5）每个端口的最大数据速率。

6）IEEE-1588时间支持——操作作为一个边界时钟或只能够作为一个最重要的主时钟。

7）作为时间网关的操作——内置GPS，接受IRIG-B时间，产生IRIG-B时间等。

8）环境要求等。

·网络数据采集单元——网络数据采集单元的一些形式与PCM对应相同的网络接口有不同的尺寸、性能、速度和功能。所有的网络数据采集单元（DAUs）应遵循IEEE-1588时间，一些网络数据采集单元是对PCM对应相同的网络接口的例外［9］。其他网络数据采集单元是高度专业化地获取和过滤大量的数据，如ARINC-664和以太网［12］。

·网络记录器——将记录器看作一个单一的多路复用器和数据记录器，而网络系统可以被看作是一个大的分布式多路复用器和数据记录器。这种观点是从硬件架构的角度来看，并留下了数据包格式。网络记录器在一个或多个网络端口上获取数据包，并作为数据目的地和数据源同时进行数据挖掘。记录器是可配置的、控制、并允许数据被下载到网络中［6］。记录器的数据速率和容量必须被考虑到整体的网络带宽中，数据挖掘的必要性，测量元数据存储和工程师机载飞行测试所产生的其他数据。网络数据包记录器可以采取多种形式，如图4（a）、4（b）与4（c）所示。

图4（a）显示实现一个网络数据包记录器的最简单和最有效的方式。该记录器为系统设计师提供了最大的灵活性，定义了网络架构的数据包格式优化和在记录模式下的实时数据挖掘。

图4（b）是类似于图4（a）与高速数据多路复用器的加入。必要时多路复用器可以获得非常高的速度数据，如光纤通道、IEEE-1394及其他。该多路复用器允许绕过网络传输大量的数据。

图4（c）表示在IEEE-1588时间的情况下，有效地利用网络带宽，最重要的是每个数据包中使用的数据挖掘缺乏绝对时间［11］。这种配置的一个额外的限制是不需要系统的元数据记录，而是只有TMATS用于多路复用器的配置［13］。

图4 （a）网络连接到网络交换机的网络记录器

图4 （b）网络记录器连接到网络交换机和高速多路复用器

图4 （c）配置为网络记录器的记录器

·串行流发射器——这是一个标准的PCM FM或SOQPSK发射器发射的安全飞行数据到地面。发射机需要一个“网络使用PCM网关”从传入的数据包产生PCM。

·网络收发器——网络的收发器的主要目标是允许记录器的数据挖掘和需要增加从发射器中信息丢失点，重传丢失的信息数据。

3 网络系统的体系结构

我们回顾了PCM的基本组件和网络系统。我们对每个组件的功能有一些基本的了解。图5显示了一个通用的系统图，利用PCM系统、PCM网络网关、时间分配的网关、网络PCM网关、网络交换机、网络数据采集单元，网络记录器、网络收发器以及高速多路复用器。

图5 典型的混合PCM/网络系统

4 结语

本文提供了从PCM数据采集系统迁移到基于网络的数据采集系统的一个潜在的路线图。用户已经可以开始尝试使用网络组件利用他们现有的PCM有利条件以最小的成本来构建。本文展示了网关和其他网络组件的功能可以轻松地从一个PCM数据采集系统完全转变为基于网络的解决方案。

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Research on Airborne Instrumentation Systems from PCM to Network Migration

FENG Xiaolin
（China Institute of Flight Testing and Research，Xi'an 710089）

The majority of currently operating flight test programs around the world utilize PCM based airborne instrumenta⁃tion systems.Most instrumentation engineers are with PCM-based data acquisition systems，and feel uncomfortable when talking about network implementations and the adoption of iNET.In order for these engineers to embrace this new technology，migrating from a PCM to network topology must be done in an evolutionary manner that provides for the preservation of capital investment while introducing new system concepts that enhance current instrumentation systems.This paper describes hardware components that enable instrumentation engineers to migrate their existing PCM-based instrumentation system to a network-based system.Sever⁃al of these components are discussed to illustrate how they provide a controlled migration path to a network-based system.These components include time distribution，gateways，network data selectors，network switches，transmitters，transceivers and recorders.

network，gateway，data acquisition

Class Number TP393

TP393

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.022

2017年6月9日，

2017年7月13日

冯晓林，男，硕士，研究员，研究方向：飞行试验电源测试。