飛行試驗顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)

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　　目前飛行試驗中常用的實時監(jiān)控系統(tǒng)配有雙通道位同步器，支持接收兩路遙測PCM數(shù)據流，可同時保障兩架飛機的實時監(jiān)控。

　　由于顫振飛行試驗對實時監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、準確性以及可靠性要求較高，而且顫振參數(shù)具有很高的采樣率。為保障監(jiān)控系統(tǒng)的性能，設計實現(xiàn)了獨立于其他飛行參數(shù)的顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)。其中怎樣保證條圖儀均勻輸出是主要解決的問題。以下將介紹顫振數(shù)據專用監(jiān)控系統(tǒng)的設計思路和工作原理，詳細闡述系統(tǒng)的硬件組成與相關軟件。

　　1 顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)

　　顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。在常用的實時系統(tǒng)中增加為顫振數(shù)據專用的服務器，使用獨立的局域網。這樣在顫振數(shù)據的高采樣率大數(shù)據量的情況下，可不占用其他系統(tǒng)帶寬。使雙方不因網絡擁塞丟包導致數(shù)據丟失，以此保證整個實時系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)中只有一臺顫振服務器，監(jiān)控的兩架飛機中只能一架試飛顫振科目。

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　　該系統(tǒng)結構簡單但功能完備，具有多數(shù)據源：遙測數(shù)據、磁帶數(shù)據、磁盤文件;多種工作模式：實時、磁帶回放、磁盤文件數(shù)據回放;可每次采集處理多達50個顫振傳感器參數(shù)，顫振采樣率小于等于512點/s等特點。

　　1.1 顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

　　機載測試系統(tǒng)將數(shù)據類型為ARINC 422，ARINC 429，F(xiàn)CS，GPS，部分1553B及加裝傳感器參數(shù)等數(shù)據采集，以PCM(脈沖編碼調制)格式記錄及遙測發(fā)射。其中選擇采集的部分1553B總線數(shù)據是指按總線號、遠程終端RT號、子地址SA、邏輯塊等總線字的定義，從總線上挑選需要的命令字、狀態(tài)字、數(shù)據字。對挑選的總線字，格式化為2個連續(xù)的PCM字。這些PCM字與其他測試數(shù)據合并形成一條主PCM數(shù)據流，供遙測發(fā)射到地面進行實時監(jiān)控及機載記錄。

　　而顫振實時監(jiān)控系統(tǒng)是完成遙測數(shù)據采集、存儲并顯示，由位同步器、PC機、PCM反變換板、D/A變換板、交換機和條圖儀等硬件組成，如圖2所示。

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　　發(fā)射下來的PCM數(shù)據流通過遙測接收機接收后，經綜合傳輸網進入位同步器再到PCM反變換板。完成PCM數(shù)據流的反變換后二次同步(即幀同步)，前端服務器程序采集、存貯顫振數(shù)據，并對存貯的顫振參數(shù)數(shù)據進行取位、高低字合并、物理量轉換等校準計算。根據需要將監(jiān)控畫面中使用的參數(shù)通過百兆網絡發(fā)送到客戶端顯示，并將選定的顫振參數(shù)經D/A轉換發(fā)送到條圖儀輸出。

　　1.2 顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件及數(shù)據傳輸過程

　　顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件及數(shù)據傳輸過程如圖3所示。其中顫振數(shù)據實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件由前端服務器程序和客戶端實時監(jiān)控程序組成，形成服務器和客戶端模式。前端服務器軟件需加載帶頭文件，客戶端多幅監(jiān)控畫面用到的總參數(shù)名文件以及條圖儀通道參數(shù)名的信息文件。服務器軟件根據加載的帶頭中同步字信息、幀結構信息將接收到的數(shù)據進行二次同步，經過同步處理后的數(shù)據才能進行校準計算。幀同步后服務器軟件對顫振數(shù)據進行采集，在勾選“原始數(shù)據存盤”項的情況下存貯數(shù)據。

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　　實現(xiàn)服務器與客戶端的信息通信及數(shù)據傳輸是基于TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據報協(xié)議)，并采用WinSock的網絡編程接口實現(xiàn)其網絡通信。TCP為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據通信，為了提供可靠的服務，TCP采用了超時重傳、發(fā)送和接收端到端的確認分組等機制;UDP協(xié)議只是把稱作數(shù)據報的分組從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，但并不保證該數(shù)據報能達到另一端。

　　因此總參數(shù)名文件按TCP協(xié)議通信，前端服務器程序將流式套接字置入監(jiān)聽模式，當有客戶端程序的連接請求時，接受請求并向請求方發(fā)送監(jiān)控參數(shù)表，最后斷開與客戶端程序的TCP連接。為了避免因服務器程序晚于客戶端監(jiān)控程序啟動造成無法與服務器連接的情況，監(jiān)控程序采用定時器定時向服務器發(fā)送連接請求，當連接成功后關閉定時器。

　　然后將完成取位、高低字合并、物理量轉換后的數(shù)據，根據以UDP形式向客戶端程序廣播發(fā)送。TCP是一個面向連接的協(xié)議，它意味著分別運行于兩主機(由IP地址確定)內的兩進程(由端口號確定)間存在一條連接。建立一個連接需要3次握手，而終止一個連接要經過4次握手。而一端使用UDP向另一端發(fā)送數(shù)據報時，無需任何預先的握手。UDP是不可靠無連接的，它不能保證數(shù)據報能安全無誤地到達最終目的。雖然

　　UDP協(xié)議不提供反饋信息來控制機器之間傳輸?shù)男畔⒘髁?，可能出現(xiàn)丟包、重復。但在數(shù)據傳輸時間很短，以至于此前的連接過程成為整個流量主體的情況下，UDP也是一個好的選擇。本監(jiān)控系統(tǒng)服務器與客戶端在同一個監(jiān)控大廳內，傳輸距離很短。因此向客戶端發(fā)送數(shù)據采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議，以保證高效率發(fā)送數(shù)據。飛行實踐證明在1.0 Gb/s網速的由25臺PC機組成的局域網內，顫振數(shù)據按采樣率512點/s，傳輸200個參數(shù)是完全可靠的。

　　另外，基于UDP協(xié)議的通信模式只需將Socket與指定的端口號和本地的IP地址綁定就可進行數(shù)據傳輸，控制算法簡單。而且采用UDP協(xié)議有利于系統(tǒng)的擴展，可以根據需要在不影響系統(tǒng)性能的前提下減少或增加客戶端微機的數(shù)量。

　　UDP協(xié)議不使用確認信息對報文的到達進行確認，也不對收到的報文進行排序。導致報文可能出現(xiàn)延遲以及亂序的現(xiàn)象。但是顫振數(shù)據要求嚴格按時間均勻輸出，否則條圖儀繪出的圖形產生變形，有臺階出現(xiàn)，不易辯識試驗動作段。假設顫振數(shù)據的采樣率為512點/s，要求計算機系統(tǒng)每隔不到2 ms就要響應1次。因此在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)中開發(fā)軟件，不能保證服務器均勻地向條圖儀發(fā)送數(shù)據。為保證顫振數(shù)據時間上的均勻性，在用作服務器的PC機上除PCM反變換板外加裝D/A變換板。利用D/A板的緩沖、定時功能，每次向條圖儀發(fā)送多個點的數(shù)據，設置條圖儀繪圖的時間間隔，實現(xiàn)均勻輸出。

　　同時由于該系統(tǒng)具有實時、磁帶回放、磁盤文件數(shù)據回放多種工作模式，前端服務器程序也可對機載磁帶數(shù)據、本系統(tǒng)存貯數(shù)據等不同格式的數(shù)據進行回放。幫助工程師在試飛的不同階段利用現(xiàn)有格式的數(shù)據進行監(jiān)控畫面的調試，或實現(xiàn)飛行后對感興趣的數(shù)據重現(xiàn)。