基于飞行试验采集的FC数据检测分析技术
摘 要： 在航空产品的航电系统跨代升级中，FC总线数据的检测分析是飞行试验对航空产品航电系统进行鉴定的一项重要内容。针对复杂航空环境下采集记录的FC总线数据的多类、随机性等特点，提出了对FC数据进行关键数据元素的消息识别方法，以及FC总线数据帧的网络特性检测方法，并结合FC总线周期丢包检测算法，设计了FC总线的检测分析技术，实现了对复杂测试记录的FC总线数据的检测分析；最后在某试验机的飞行试验中进行了应用，获得了飞行试验FC总线检测分析结果，试验表明检测分析的结果数据满足飞行试验对航电系统进行科研鉴定的需求。
关键词： 检测分析； 丢包； FC帧结构； 飞行试验
中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）02?0092?03
Detection and analysis technology of FC bus data collected in flight test
PENG Guojin， LIU Manting， HAN Lu
（Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China）
Abstract： In the cross?generation upgrade for the avionics system of the aviation equipments， the detection and analysis of FC bus data are the important contents in the flight test to identify the avionics system of the aviation equipments. For the collected and recorded FC bus data in complex aviation environment has the characteristics of multiclass and randomness， the method to conduct the message identification of the key data elements for FC data ， and the method to detect the network characteristics of the FC bus data frame are put forward. The packet loss detection algorithm of FC bus cycle is adopted to design the detection and analysis technology of FC bus data. The detection and analysis of FC bus data recorded in testing in complex environment were realized. The technology was applied to the flight test of a testing aircraft， and the detection and analysis results of the FC bus were obtained in flight test. The test results show that the detection and analysis results can satisfy the scientific research and appraisal demands of flight test to avionics system.
Keywords： detection and analysis； packet loss； FC frame structure； flight test
随着计算机网络技术的飞速发展，航空环境下光纤通道FC总线技术逐渐成熟并进行工程运用。在飞行试验[1]工程领域，飞行试验总线数据分析技术已经成为现代飞机飞行试验的重要内容之一。在飞行试验过程中，试验机机载总线测试系统采集记录航电系统FC总线，试飞工程师对该记录的数据进行分析，并将分析的结果数据作为鉴定该试验机航电系统的重要依据。
在传统的飞行试验总线处理中，因为采集记录环境是单一的，不会有复杂的测试环境，记录下试验文件只包含总线数据，并没有检测分析这一需求。但是在FC总线测试采集过程中，因FC总线的网络特性，具有复杂的测试环境、可能存在帧不完整以及丢包的缺点；所以在FC总线数据处理中对测试系统采集的FC总线进行检测分析包括：对采集的FC总线数据的完整帧检测、对FC总线消息识别分析及丢包检测分析是飞行试验鉴定飞机航电系统的一项重要内容。所以FC总线的检测分析就成为航电系统FC总线数据分析的一项重要内容，而在复杂航空环境下，飞行试验传统航空总线数据分析技术已不适用新形势下对FC总线进行检测分析。
1 飞行试验总线检测分析
从某方面来说，飞行试验是对航空产品整机到各个子系统的一个鉴定过程。随着新技术不断应用于航空产品中，航电系统进行了跨代升级，大量应用于航空产品中的1553B总线技术逐渐被替代。新的技术构架需要被飞行试验进行科研鉴定，以保证其可行、稳定。飞行试验总线检测分析作为一项重要的技术鉴定手段，直接给试飞工程师提供了数据依据。
1.1 传统飞行试验总线检测分析
在以1553B航空电子总线为代表的三代机总线构架技术中，1553B总线数据具有确定性，总线上传输的可以确定的只有3种类型的字：命令字、状态字和数据字，且每种字的长度一定为20 b，其中包括3 b同步头、16 b有效信息及一个奇偶校验位。对飞行试验总线测试采集来说，记录的1553B航电总线数据是单一的总线数据，是航电系统规范设计的1553B消息帧，没有别的类型的数据被采集记录，其测试环境单一，测试数据规范，故不需要专门针对1553B的进行检测分析。
1.2 新形势下FC总线检测分析
随着航电总线的跨代升级，FC光纤通道技术应用于航空产品。FC光纤通道具有高带宽、开放式互联等特点，解决了航空产品中许多与高性能数据块传输相关的难题；但是FC具有的网络特点也给飞行试验航电总线测试带来了新的挑战。在采用了FC光纤通道总线构架技术后，对采用了新技术后的航电系统进行鉴定是飞行试验一项重要内容。应用了FC总线技术后的航电系统，飞行试验测试环境也随之变得复杂，测试系统需要在网络化总线下进行采集，同时进行数据分析。针对新形势下的航电总线网络的延迟性、不确定性、丢包等缺点，对飞行试验测试采集的FC总线数据必须进行检测分析，以验证采集的总线数据可靠，进而对航电系统进行鉴定。同时传统飞行试验航空总线数据分析技术不能满足新形势下FC总线数据检测的需求，所以FC总线检测分析必须解决这些问题，才能满足试飞工程科研鉴定的需求。
2 FC数据检测分析
2.1 飞行试验FC总线
航空电子环境中的光纤通道[2?3]FC是美国国家标准委员会（ANSI）的X3T11小组于1988年开始制定的一种高速串行传输协议。在我国航空产品上，其正逐渐取代传统的1553B航空总线。在飞行试验总线测试系统中，FC总线消息帧被测试系统采集到之后，会被打上以太网UDP包头，然后再发送给通用记录器进行记录。所以在飞行试验中测试系统采集记录的FC[4]总线消息帧格式如图1所示。同时，通用总线测试系统的采集模块还会将航电系统的底层通信等消息采集记录下来，一并发送给记录设备，这就给FC总线[5]检测分析增加了难度，这也是检测分析的一个难点。对飞行试验来说，需要知道采集记录了哪些FC总线消息帧，以便与试验机航电系统设计的总线消息帧进行比对鉴定，同时对采集的FC总线消息帧进行完整性和丢包检测分析，以鉴定试验机航电系统总线性能的可靠性。
图1 FC总线帧消息格式
2.2 FC总线检测分析
由于FC总线飞行试验的测试环境及总线本身具有的网络特性，需对FC总线进行检测分析。FC总线检测分析主要包括：FC消息帧识别，FC完整帧检测，FC帧丢包检测。FC消息帧识别分析是FC总线数据分析的基础，因飞行试验采集记录的FC总线数据是以二进制存储的，同时记录的不仅仅只有FC总线数据，还有随机的其他底层通信消息，所以要对飞行试验采集记录的数据进行FC消息帧识别。FC完整帧检测分析是对FC总线数据进行处理的必要步骤，对识别后的FC消息帧进行完整性分析，以确定采集记录的FC总线消息帧的完整性。FC帧丢包检测分析是对试验机航电系统以及飞行试验测试系统部署的一项重要的鉴定技术手段，对航电子系统之间通信的消息经过核心交换机之后是否存在丢失数据进行分析，以确定航电系统之间通信的可靠性。
2.3 FC总线检测分析过程
FC总线检测分析的过程一般包含：
（1） 读取飞行试验测试记录的FC总线数据；
（2） 按照记录协议开始进行FC总线的解析分析；
（3） 分析并找到完整的UPD数据包；
（4） 对完整的UPD数据包的数据进行分析；
（5） 按照FC协议进行FC总线的识别分析，确定记录的FC消息帧；
（6） 分析并找到FC消息帧；
（7） 对FC消息帧进行完整性分析；
（8） 对完整的FC消息帧进行丢包分析检测；
（9） 循环这一过程，直到检测分析完成。
3 FC数据检测的关键技术
3.1 FC总线消息识别分析技术
在对飞行试验海量FC总线数据进行检测分析时，需不断地读取数据，进行关键字段地判断、跳过等操作。因为飞行试验FC总线测试系统的记录子系统采用了通用的网络采集板卡，会对网络通信的底层消息数据包进行采集并和FC总线一起记录在存储设备中，这样最后分析的FC总线飞行试验数据就是一个包含了多种数据的原始文件。 如图1所示，在测试系统的采集子系统的设计过程中，采用了对采集到的标准的FC总线数据打标记的技术手段来识别FC总线数据包，一般记录包头的识别字位置定义为0xFE6B2840，这样在分析海量复杂原始FC总线数据时，对FC总线消息进行识别分析：
（1） 按照以太网协议标准，找到一个完整的UDP数据包；
（2） 判断在记录包头的前4 B是否为0xFE6B2840；
（3） 如果不是则表示不是需要的FC帧，接着分析下一个数据包；
（4） 如果是则表示该数据包为所需要的FC总线数据帧。
通过识别字的判断，实现了FC总线消息的识别判断，确定测试系统记录了哪些FC消息帧。
3.2 完整FC帧检测技术
在获得一个FC消息帧后，按照飞行试验的需求，需要对FC总线消息帧进行完整性检测，以鉴定FC总线帧的完整性。对照FC总线协议标准，如图1所示，对关键字段信息进行检测，包括一个SOF定界符、一个EOF定界符和CRC字段：
（1） 首先对SOF界定符进行检测，它采用了SOFn3的编码，并且SOFn3的编码值：0xBCB53636；
（2） 如果SOF界定符的值不符合约定，则该数据帧就不是需要的消息帧；
（3） 其次对CRC字段进行检测，效验码CRC由硬件计算并填入，一般为0xFFFFFFFF；
（4） 如果CRC界定符的值不符合约定，则该数据帧就不是我们需要的消息帧；
（5） 最后对EOF定界符进行检测分析，EOF采用了EOFtN的编码，且其值为0xBC957575；
（6） 如果EOF界定符的值不符合约定，则该数据帧就不是需要的消息帧；
通过SOF定界符、EOF定界符和CRC字段的判断，实现了FC总线消息的完整性检测。
3.3 FC帧丢包检测技术
FC总线为网络化总线技术，同时测试系统对FC总线的采集也运用了网络化测试技术。理论上网络化技术的运用就会存在丢包现象，所以对采集记录的FC总线数据进行丢包检测就非常有必要。 航电总线消息有两类：一类是周期性消息，一类是事件消息。事件消息在标准的协议架构下无法进行丢包检测，但是周期性消息可以进行丢包检测。对FC总线的丢包检测主要针对周期性消息。 按照ICD信息文件的定义，对周期性消息进行丢包检测分析：
（1） 对记录的FC试验数据进行FC总线消息识别分析即FC帧完整性检测分析；
（2） 对需要检测分析的FC消息，读取ICD数据库中相关信息，特别是周期信息；
（3） 对FC消息帧进行周期性检测，比对每个周期ICD中定义的消息帧出现的次数和ICD定义中定义的次数是否一致，如果少于定义的则表示丢包；
（4） 对检测分析的FC总线数据帧进行丢包统计并给出结果。
通过周期信息的判断，实现了FC总线消息的丢包检测分析。
4 设计实现与测试
使用C++语言[6]开发了FC总线数据检测分析软件，分析软件实现界面如图2所示。
图2 FC总线数据检测分析软件实现
应用该软件对某试验机测试的FC数据进行检测分析，确定测试系统采集记录了哪些FC总线消息帧，同时对这些消息帧进行了完整性和丢包分析。FC总线数据检测分析软件[7?10]分析结果表明：采用以上分析算法的软件数据处理准确，满足了试飞工程师对海量FC试验数据检测分析的需求。基于以上算法开发的飞行试验FC总线数据检测分析软件已在多个试验机试飞中推广使用。
5 结 语
本文介绍了飞行试验对FC总线数据检测分析的要求，在飞行试验传统航空总线分析技术已不能满足FC总线检测分析的情况下，设计了在现代飞行试验中海量FC总线数据检测分析的关键技术，采用这些算法设计了FC总线数据检测分析软件，解决了FC总线数据检测分析的关键问题。经某试验机试飞实际验证，该软件满足了试飞工程师的FC总线检测分析需求，为现代飞行试验航电系统鉴定提供了技术保障，在飞行试验总线数据检测分析方面有广阔的应用前景。
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