CN112068808B - 一种航电系统多总线数据转换通用处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，包含数据转换管理集成开发工具环境和机载数据转换管理中间件，数据转换管理集成开发工具环境为用户提供标准化的应用软件元素的开发环境，根据用户设计的应用软件元素生成应用数据模型，以及根据接口控制文件和应用数据模型建立数据转换配置文件和数据通信配置文件；机载数据转换管理中间件将数据转换配置文件、数据通信配置文件和应用数据模型装载到目标机，并建立和外部总线消息的关联，实现外部多总线消息与应用业务数据之间传递、转换、验证、过滤的组件化封装。本发明有效提高了航电系统软件的移植性、重用性和扩展性。

Description

一种航电系统多总线数据转换通用处理系统

技术领域

本发明涉及航空领域的总线数据通信传输技术，特别涉及一种航电系统多总线数据转换通用处理系统。

背景技术

航空电子系统是一个由多个系统、多种环境、多项任务、多种资源构成的相互关联、相互支持、相互集成和相互制约的复杂系统，具有多目标、多信息、多专业、多任务、多功能、多资源和多过程组成的复杂系统构成与管理特征。技术的进步促使航空电子系统从联合式结构转向综合模块化航电系统(Integrated Modular Avionics，IMA)，系统实现高度的物理综合和功能综合。随着航空电子系统软件的快速发展，传统航电系统中总线数据通信处理功能由应用“从零开始”处理，软件工程技术的发展使开发者越来越强调通过修改、重用和再工程现有软件产品，而不是全部“从零开始”进行软件开发。

为了保证航电软件的可重用性，提高软件在全生命周期中的可维护性和可移植性，降低研发成本，将航电多总线数据转换软件进行标准化，设计统一的、面向航电领域的数据转换管理执行环境，研究支持航电系统多总线数据转换管理中间件技术，对提升航电系统的功能、性能和综合化程度有重要意义。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，用于支撑不同角色用户对数据转换软件组件化开发过程的管理、设计、开发等工作，有效提高了航电系统软件的移植性、重用性和扩展性。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，包含数据转换管理集成开发工具环境和机载数据转换管理中间件；

数据转换管理集成开发工具环境为用户提供标准化的应用软件元素的开发环境，根据用户设计的应用软件元素生成应用数据模型，以及根据接口控制文件和应用数据模型建立数据转换配置文件和数据通信配置文件；其中，数据转换配置文件描述的是不同总线数据与应用数据模型之间的数据转换方式，数据通信配置文件描述的是不同总线接口与应用数据模型之间的数据通信方式；

机载数据转换管理中间件将数据转换配置文件、数据通信配置文件和应用数据模型装载到目标机，并建立和外部总线消息的关联，实现外部多总线消息与应用业务数据之间传递、转换、验证、过滤的组件化封装。

本发明的有益效果在于：

本发明中数据转换管理集成开发工具环境是一套支撑符合航电数据转换软件组件化增量开发、集成和验证的环境，用于支撑不同角色用户对数据转换软件组件化开发过程的管理、设计、开发等工作。该发明通过对航电领域数据转换功能的组件化封装，支持谱系化航电系统，提升了数据转换专业组件的重用能力；通过业务数据建模生成技术，提供组件和应用的快速开发能力，提升了航电系统应用功能开发集成效率。

附图说明

图1是本发明一种航电系统多总线数据转换通用处理系统的结构示意图；

图2是总线接口控制文件管理模块的流程示意图；

图3是应用业务数据建模模块的流程示意图；

图4是数据配置生成模块的流程示意图；

图5是应用业务数据定位插件的流程示意图；

图6是机载数据转换管理中间件的执行流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，包括：一套数据转换管理集成开发工具环境101和一个机载数据转换管理中间件102。

数据转换管理集成开发工具环境101为用户提供标准化的应用软件元素的开发环境，根据用户设计的应用软件元素生成应用数据模型，以及根据接口控制文件和应用数据模型建立数据转换配置文件和数据通信配置文件。数据转换配置文件描述的是不同总线数据与应用数据模型之间的数据转换方式，数据通信配置文件描述的是不同总线接口与应用数据模型之间的数据通信方式。数据转换管理集成开发工具环境包括控制面板模块、接口控制文件管理模块、应用业务数据建模模块、数据转换配置生成模块、数据转换配置验证模块、数据定位插件、版本与授权管理模块。

控制面板模块为用户与其它模块之间的互动提供用户界面，包含导航视图、菜单栏、状态栏、工作栏等。控制面板模块基于MVC模型实现，采用Java桌面GUI框架JavaFX,将MVC模型中的View层以XML编写，支持CSS和可视化编辑，每个GUI组件都是一个MVC模型的实现，尤其是列表框、表格、树等比较复杂的GUI组件,这些GUI组件都支持内部数据改动与界面展示变更之间的双向同步。

接口控制文件定义和描述了航电系统的物理接口和逻辑接口的关系，是数据转换软件研制的重要输入，原始的接口控制文件的描述和传递方式不能满足数据转换的需求，因此，需要接口控制文件管理模块从接口控制文件中导出接口功能数据。

参见图2所示，接口控制文件管理模块对导入的接口控制文件执行以下操作：

步骤101：利用接口功能模板从导入的接口控制文件提取出原始的接口功能数据。

步骤102：再将原始的接口功能数据转换成数据转换配置生成模块所需格式的接口功能数据。在接口功能数据转换过程中，有可以直接从原始的接口功能数据直接提取的部分，也有需要经过计算才能完成转换的部分。

步骤103：对转换后的接口功能数据的结构、属性和完整性进行验证，确保接口功能和原始的接口控制文件的一致性。对于在步骤102中直接提取的部分只需要验证和原始接口控制文件的一致性即可，对经过计算才能完成转换的部分应分析计算过程、证明计算过程的正确性。

步骤104：在验证完成后，向所有利益相关方发布接口功能数据和分析报告。接口功能数据的变更管理以中间文件的形式，提取备份副本，支持设计师进行编辑和更改，同时形成修改日志。导出的接口功能数据包括两部分内容：总线消息模板和信号模板。总线消息模板是依据不同类型的总线设计不同的属性，对属性约束进行定义，包括消息的来源信息、消息名、消息长度、消息类型、消息发送接收周期、消息链路信息等。信号模板是描述各个消息中所包含的数据信息，包括信号名称、信号ID、信号来源、信号的位置信息、信号的对齐方式、信号的格式信息、信号的分辨率、信号的状态位、信号与消息的关联信息。信号通过和消息的关联信息建立与总线消息的映射关系，应用数据模型通过信号ID建立和信号信息之间的映射关系。

应用业务数据建模模块用于供应用开发人员按照统一标准依据软件需求进行应用软件设计，提取应用软件的数据元素，生成应用数据模型,实现软件的统一化设计。应用数据模型定义了可移植组件的业务逻辑通信数据，该数据模型不是传统的基于类的模型，而是一种语义模型，这种语义模型的描述是规范的，参见图3所示，应用开发者在应用业务数据建模模块可以完全指定信息，自底而上实现语言、可移植单元数据建模、平台数据模型、逻辑数据模型、概念数据模型和需求。应用业务数据建模模块根据应用软件的数据交互需求，首先构建概念数据模型，生成概念数据视图，接着根据概念数据视图构建逻辑数据模型，生成逻辑数据视图，然后根据逻辑数据视图结合平台通信机制构建平台数据模型，生成平台数据视图，根据平台的基础元素属性的框架模板生成可移植应用模型单元模型，在该可移植应用模型单元模型下生成相关的代码和配置，应用软件开发人员在对应的数据模板基础上，进行应用软件逻辑业务的开发和实现。

最终为了适配数据转换管理工具环境，需将代码和配置转换成面向数据转换功能的应用数据模板，可对应用数据模板进行添加、修改和删除操作，设置应用数据模板的属性，包括应用数据模板类型、用途、描述等。应用数据模板包括业务数据名称、业务数据的类型、业务数据的大小、业务数据的位置、业务数据的来源信息、业务数据的相关描述、特殊功能数据的定制描述等。

数据转换配置生成模块以接口功能数据和应用数据模型为基础，结合数据转换需求制定的转换配置模板，生成数据转换配置文件和数据通信配置文件。

参见图4，数据转换配置生成模块执行过程如下：

步骤201：通过接口关联工具从接口功能数据和应用业务数据建模模块的可适配的应用数据模型中提取接口功能数据和业务数据相关映射信息。该接口关联工具抽取出各个应用软件独立的接口功能数据和业务数据相关映射信息，同时进一步规范了格式信息，便于数据转换工具进行进一步处理。

步骤202：通过数据转换模板生成工具对接口功能数据和业务数据相关映射信息进行相关模板可变部分信息的提取，转换和配置，产生数据转换配置模板文件。其中该数据转换配置模板文件包括AFDX总线消息模板、AFDX数据过滤选择模板、A429总线消息模板、A429数据过滤选择模板、CAN总线消息模板、CAN数据过滤选择模板、数据的有效性验证模板、数据的格式转换精度解算模板等，同时提供扩展接口用于支持其他总线的模板生成。数据转换模板生成工具对每一类总线的数据转换功能都对应一套相应配置模板，配置模板中以模板定义语言定义数据转换配置的不变部分和可变部分。数据转换模板生成工具能够实现将不变部分表示为一个模板定义，并与可变部分分开存储和管理，不变部分可以与不同的可变部分组合在一起，生成定制文本。

步骤203：通过数据转换配置生成工具和数据通信配置生成工具将数据转换配置模板文件转换成数据转换配置文件和数据通信配置文件，以完成开放式架构软件的设计开发，同时生成适用于仿真平台使用的PC端数据转换配置文件。

数据转换配置验证模块用于对数据转换配置文件和数据通信配置文件的验证工作，验证通过的数据转换配置文件和数据通信配置文件作为数据转换管理中间件的装载和关联对象驻留在机载嵌入式目标机或者机载航电系统的仿真设备。数据转换配置验证模块以数据转换配置生成模块生成的数据转换配置文件和数据通信配置文件为输入，通过一系列验证算法和工具，对数据转换配置生成模块生成的数据转换配置文件和通信配置文件进行一致性和有效性验证，最终生成验证报告。

所述数据定位插件模块，在基于wireshark实现接口控制文件的抓包和解包的基础上，应用功能数据通过Wireshark服务插件实现定位，能够可视化地显示应用功能数据解析结果。

参见图5所示，数据定位插件模块通过数据转换管理可视化工具环境将接口控制文件和应用数据模型生成面向应用软件的接口和业务数据映射文件，生成对应的PDU消息(保存为TOML格式文件，便于后续读取)，将该接口和业务数据映射文件及插件代码a664.lua装载进wireshark_plugin子目录。通过建立各个应用数据与通信UDP端口IP地址的映射，使得应用开发者可直接根据参数名找到对应的UDP端口，在wireshark显示过滤器中输入该UDP端口即可可视化地显示应用功能数据解析结果。多份接口功能定义的AFDXPDU相互之间有许多UDP port重叠现象，而在内部可以用UDP port唯一标识一个PDU消息格式定义，为此a664插件需要在运行前设置其针对的接口功能，这只需要编辑a664.lua设置即可解决。

版本与授权管理模块用于对航电系统多总线数据转换通用处理系统中各个模块的输入输出的每个版本构建一份版本文件，并通过管理这些版本文件来实现版本管理的功能。版本与授权管理模块提供权限维护功能，进而控制航电系统多总线数据转换通用处理系统的登陆、各个角色权限。

每个版本的研制过程各阶段不同角色人员具备不同的功能支持，为不同角色的人员提供不同的功能视图，版本管理、权限管理和日志管理统属于工具环境平台能力，用以支撑不同角色的用户对不同版本数据的操作，同时生成相应的日志文件。

机载数据转换管理中间件102将数据转换管理集成开发工具环境生成的数据转换配置文件、数据通信配置文件和应用数据模型装载到目标机，并建立和外部总线消息的关联，实现外部多总线消息与应用业务数据之间传递、转换、验证、过滤的组件化封装。该机载数据转换管理中间件包括消息关联模块、消息收发模块、CRC校验模块、FC校验模块、数据格式转换模块、数据精度解算模块、数据状态位校验模块、数据有效范围判定模块和数据过滤与选择模块。

消息关联模块，利用数据通信配置文件建立应用与外部总线的消息收发通道，初始化数据通信配置文件提供的通信端口，以支持平台集成和运行阶段实时数据传递。

消息收发模块，根据接口功能定义的接收/发送频率在消息关联模块建立的消息收发通道上接收/发送消息，并且对消息长度、消息刷新状态等进行校验，确保将有效数据传递给后续模块。

CRC校验模块，该CRC校验功能是可配置的，通过读取数据转换配置文件中对应的标志位，确定接收或待发送的消息是否需要进行CRC校验，对确需进行校验的接收或待发送的消息进行CRC32校验，并与接收或待发送的消息的原始CRC32校验码进行比对，验证输入数据的正确性和完整性。对确需校验的输出数据进行CRC校验码计算，并填写到对应的消息字段中。

FC校验模块，该FC校验功能是可配置的，通过读取数据转换配置文件中对应的标志位，确定接收或待发送的消息是否需要进行FC校验，对确需进行校验的接收或待发送的消息进行FC校验，根据消息的发送周期、接收周期、网络数据传输延迟和抖动系数等确定FC校验码，并与接收或待发送的消息的原始FC校验码进行比对，验证输入数据的实时性和有效性。对确需校验的输出数据进行FC校验码计算，并填写到对应的消息字段中。

数据格式转换模块，用于接口和应用业务数据格式之间的自动转换。根据业务数据在总线数据包中的数据类型、数据起始偏移位置、数据长度、对齐方式等信息，结合业务数据在应用数据模型中的数据类型、数据起始偏移位置、数据长度、对齐方式等信息，提取通用格式互转换模型，实现两者之间自动准确实时转换。

数据精度解算模块，用于对从消息收发通道接收的部分总线的部分数据的精度进行解算，例如Binary类型数据存在LSB，Arinc429的BNR类型存在LSB，BCD类型存在MSB等。

数据状态位校验模块，用于对总线数据的状态位进行校验的功能，根据数据转换配置文件提取具体业务数据所对应的总线状态位，按照状态位的定义，确定该数据的有效性。

数据有效范围校验模块，用于对总线数据的有效范围进行校验。根据接口定义的数据的最大最小值范围，对总线消息中的应用业务数据的范围进行判断，确认数据的有效性。

数据过滤和选择模块，根据不同维度的数据过滤和选择需求，制定配置工具的多种数据选择模板，实现对不同总线不同功能的数据进行过滤，选取有效数据源的数据传递给应用软件，同时，提供增量功能配置和开发接口，以适配不同总线数据过滤选择的要求。

图6是本发明一种航电系统机载数据转换管理中间件执行流程，首先进行初始化相关工作，根据不同的驻留模块装载对应的数据转换配置文件到内存，将通信配置文件提供给平台中间件，同时建立和外部总线的消息关联，注册收发端口信息，接下来采用平台提供的统一接口按照总线接口约定的收发频率收发数据，对接收数据而言，将接收或待发送的消息按照配置文件约定的位置和对齐方式存放，接着要进行一系列有效性的校验来确保数据的可用性，包括消息是否过期、CRC校验、FC校验、消息的状态位校验、有效功能范围的校验等、完成一系列校验后，对有效数据应实施格式转换和精度解算操作，最后根据数据的优先等级、数据选择的颗粒度、数据的健康状态、数据的新鲜状态、数据保持锁定时间等进行数据的过滤，选取最优数据源传递给应用。对发送数据而言，首先要根据应用提供的数据模型及内容，结合数据转换配置文件定义，对应用数据模型进行格式转换和精度解算，转换成总线接口可识别的格式填充至指定字段，并根据状态填充状态信息，对需要进行CRC校验和FC校验的数据，计算并填充校验位，最后根据发送频率和配置文件约束将消息存放在指定的内存区域，传递给底层驱动软件，最终由底层驱动软件传递至各个总线。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，包含数据转换管理集成开发工具环境和机载数据转换管理中间件，其特征在于：

数据转换管理集成开发工具环境为用户提供标准化的应用软件的数据的开发环境，根据用户设计的应用软件的数据元素生成应用数据模型，以及根据接口控制文件和应用数据模型建立数据转换配置文件和数据通信配置文件；其中，数据转换配置文件描述的是不同总线数据与应用数据模型之间的数据转换方式，数据通信配置文件描述的是不同总线接口与应用数据模型之间的数据通信方式；

机载数据转换管理中间件将数据转换配置文件、数据通信配置文件和应用数据模型装载到目标机，并建立和外部多总线消息的关联，实现外部多总线消息与应用业务数据之间传递、转换、验证、过滤的组件化封装。

2.根据权利要求1所述的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，其特征在于数据转换管理集成开发工具环境包括接口控制文件管理模块、应用业务数据建模模块、数据转换配置生成模块；

接口控制文件管理模块用于从接口控制文件中导出接口功能数据；其中，接口控制文件定义和描述了航电系统的物理接口和逻辑接口的关系；

应用业务数据建模模块用于供应用开发人员按照统一标准依据软件需求进行应用软件设计，提取应用软件的数据元素，生成应用数据模型；

数据转换配置生成模块以接口功能数据和应用数据模型为基础，结合数据转换需求制定的转换配置模板，生成数据转换配置文件和数据通信配置文件。

3.根据权利要求2所述的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，其特征在于接口控制文件管理模块对导入的接口控制文件执行以下操作：

步骤101：利用接口功能模板从导入的接口控制文件提取出原始的接口功能数据；

步骤102：再将原始的接口功能数据转换成数据转换配置生成模块所需格式的接口功能数据；

步骤103：对转换后的接口功能数据的结构、属性和完整性进行验证，确保接口功能和原始的接口控制文件的一致性；

步骤104：在验证完成后，发布接口功能数据和分析报告；

其中，接口功能数据包括两部分内容：总线消息模板和信号模板；总线消息模板是依据不同类型的总线设计不同的属性，对属性约束进行定义，包括消息的来源信息、消息名、消息长度、消息类型、消息发送接收周期、消息链路信息；信号模板是描述各个消息中所包含的数据信息，包括信号名称、信号ID、信号来源、信号的位置信息、信号的对齐方式、信号的格式信息、信号的分辨率、信号的状态位、信号与消息的关联信息。

4.根据权利要求2所述的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，其特征在于应用业务数据建模模块根据应用软件的数据交互需求，首先构建概念数据模型，生成概念数据视图，接着根据概念数据视图构建逻辑数据模型，生成逻辑数据视图，然后根据逻辑数据视图结合平台通信机制构建平台数据模型，生成平台数据视图，根据平台的基础元素属性的框架模板生成可移植应用模型单元模型，在可移植应用模型单元模型下生成相关的代码和配置，最终将代码和配置转换成面向数据转换功能的应用数据模型；其中，应用数据模型包括应用数据模板类型、应用数据模板用途、应用数据模板描述；应用数据模板包括业务数据名称、业务数据的类型、业务数据的大小、业务数据的位置、业务数据的来源信息、业务数据的相关描述、特殊功能数据的定制描述。

5.根据权利要求2所述的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，其特征在于数据转换配置生成模块执行过程如下：

步骤201：通过接口关联工具从接口功能数据和应用数据模型中提取面向应用软件的接口功能数据和业务数据相关映射信息；

步骤202：通过数据转换模板生成工具对接口功能数据和业务数据相关映射信息进行相关模板可变部分信息的提取、转换和配置，产生数据转换配置模板文件；其中该数据转换配置模板文件包括AFDX总线消息模板、AFDX数据过滤选择模板、A429总线消息模板、A429数据过滤选择模板、CAN总线消息模板、CAN数据过滤选择模板、数据的有效性验证模板、数据的格式转换精度解算模板，同时提供扩展接口用于支持其他总线的模板生成；

步骤203：通过数据转换配置生成工具和数据通信配置生成工具将数据转换配置模板文件转换成数据转换配置文件和数据通信配置文件。

6.根据权利要求2所述的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，其特征在于数据转换管理集成开发工具环境还包括数据转换配置验证模块、数据定位插件、版本与授权管理模块和控制面板模块；

数据转换配置验证模块用于对数据转换配置文件和数据通信配置文件的验证工作，验证通过的数据转换配置文件和数据通信配置文件作为数据转换管理中间件的装载和关联对象驻留在机载嵌入式目标机或者机载航电系统的仿真设备；

数据定位插件模块，在接口控制文件的抓包和解包的基础上，通过Wireshark服务插件实现定位，能够可视化地显示应用功能数据解析结果；

版本与授权管理模块用于对航电系统多总线数据转换通用处理系统中各个模块的输入输出的每个版本构建一份版本文件，并通过管理这些版本文件来实现版本管理的功能；

控制面板模块为用户与其它模块之间的互动提供用户界面。

7.根据权利要求1所述的一种航电系统多总线数据转换通用处理系统，其特征在于机载数据转换管理中间件包括消息关联模块、消息收发模块、CRC校验模块、FC校验模块、数据格式转换模块、数据精度解算模块、数据状态位校验模块、数据有效范围判定模块和数据过滤与选择模块；

消息关联模块利用数据通信配置文件建立应用与外部总线的消息收发通道，初始化数据通信配置文件提供的通信端口，以支持平台集成和运行阶段实时数据传递；

消息收发模块根据接口功能定义的接收/发送频率在消息关联模块建立的消息收发通道上接收/发送消息；

CRC校验模块用于对确需进行校验的接收或待发送的消息进行CRC32校验，并与输入文件的原始CRC32校验码进行比对，验证接收或待发送的消息的正确性和完整性；

FC校验模块用于对确需进行校验的接收或待发送的消息进行FC校验，根据消息的发送周期、接收周期、网络数据传输延迟和抖动系数确定FC校验码，并与输入文件的原始FC校验码进行比对，验证接收或待发送的消息的实时性和有效性；

数据格式转换模块用于接口和应用业务数据格式之间的自动转换；

数据精度解算模块，用于对从消息收发通道接收的部分总线的部分数据的精度进行解算；

数据状态位校验模块用于对总线数据的状态位进行校验的功能；

数据有效范围校验模块用于对总线数据的有效范围进行校验；

数据过滤和选择模块，根据不同维度的数据过滤和选择需求对不同总线不同功能的数据进行过滤，选取有效数据源的数据传递给应用软件。

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