为什么用以太网取代 PCM?
空客A380基于以太网的机载数据采集网络案例分析
Paul Sweeney, PhD
ACRA CONTROL Ltd., Landscape House, Landscape Road, Dublin 14, Ireland
摘要
以太网技术无处不在，近期越来越多地飞行试验机载数据系统开始采用这种技术，以实现更高的数据吞吐能力（10M/100M/1000M）、融合并采纳商用设备和技术，并获得更灵活且更可靠的系统架构。
对于诸如A380之类有数万个测试参数的大型机载数据系统，传统的基于PCM的数据采集系统已经力不从心：系统结构复杂，设计、配套、调试、测试和维护非常困难。但是通过采用以太网架构和IENA协议，A380的机载数据采集系统不仅解决了以上问题，而且获得了额外的优势。
本文从理论和实践两方面讨论了基于以太网的机载数据采集系统，并把它和传统的PCM数据采集系统作了比较。
关键字： 数据采集，飞行试验数据系统，A380，网络化，分布式，以太网，PCM
1. 序言
数十年来，飞行试验数据采集系统一直把PCM 作为数据传输和记录的标准手段[1]。PCM也确实证明了其在稳定性、可靠性等诸多方面的优势。PCM 也是目前数据遥测的标准和最佳的方法，数据被放置到固定大小的PCM帧的固定位置，且以固定的频率反复出现。试飞工程师计算出数据的吞吐量和可用带宽的使用情况，进而优化设计PCM帧结构，以最大限度地利用遥测带宽传输数据。
在飞行试验领域使用商业货架产品的呼声日益高涨，所有的用户都在渴望摆脱现有的高成本、高度专业化的产品，渴望采用商业化的成熟产品以降低系统成本，渴望采用开放的、可扩展的架构以解决设备间相互协调的问题。
以太网恰恰是这种有可能满足上述需求的商业化成熟技术，它已被用在最顶尖的飞行试验项目中，如空客A380 [2]。它具有所有商业货架产品的优势：易于获取、便于使用、成本低廉、维护和升级简单方便。相对于PCM 它还有其它的优势：首先，PCM 采集系统中数据的采集到发送之间存在一个串行的链路；而以太网以数据包形式发送数据。另外，目前最先进的PCM数据采集系统的最大位速率约为20Mbps， 而以太网则能达到100Mbps、1Gbps， 甚至10Gbps的速度也已出现。
本文剖析了PCM和以太网数据采集系统的差异，并简单介绍了A380 飞行试验数据系统。
2. PCM 系统的架构分析
2.1 用PCM传输数据
传统的PCM系统对数据在采集系统内部的传输有严格的规定。图1列出了由三台机箱所组成的数据传输链路：
图1
A, B 和C 三个参数分别被2#辅机箱、1#辅机箱和主机箱采集。这三个参数被放到主机箱的PCM帧里实时向外发送，三个机箱的时序仿真如下（见图2）
图2
图中：
Tmin = 参数能够被放入主PCM帧中的最早时间
Tb = 数据从机箱底板传输所需要的时间
Txn = 数据在两个机箱之间传递所需要的时间
Tsx = 模块获取数据的时间
从图二中看到，参数A在PCM 帧中出现的最早时间可用公式一计算得出：
(公式一) 
注意：参数A 首先要被2#辅采机箱的采样模块所获取（滤波、A/D等，所需时间用 TsA 表示），它还需要通过三个机箱的数字底板（所需时间为：3x Tb）,另外，它还会被在机箱之间传递（时间分别为：Tx1 和 Tx2 ）
公式一中各个参数的实际值如下：
Tb = 500ns （KAM-500 系统典型值）
Tx1 = 70ns （1#和2#辅机箱之间的电缆长10m，每米电缆产生7ns时延）
Tx2 = 70ns （1#辅机箱和主机箱之间的电缆长10m，每米电缆产生7ns时延）
TsA = 10ms (主要取决于模块A/D转换器)
因此：
（公式二） 
（公式三） 
注意：如果主机箱输出的PCM码率为5Mbs，11.64ms 相当于PCM从主帧起始位置处向外发送了59位。采用类似计算方法，可得出参数B和参数C在PCM帧中最早出现的时刻：
（公式四） 
（公式五） 
以上时刻相当于PCM数据流从起始位置发送第56 位和第53 位的时刻。总之，由于参数A、B和C 须从各自的采集模块被传输到PCM帧里，它们在PCM帧里的放置位置因而受到一定的限制。实际上每个参数在PCM帧里每次出现的位置和时刻都有着类似的限制，PCM位速率越高，限制条件就越复杂。
星型连接比菊花链连接对参数放置的限制相对要小很多，因前者无需在多个机箱间串行传输数据，并且也最大限度地减少了机箱间连接电缆所造成的传输延迟。但星型连接仍需考虑以下几个由参数传递所导致的PCM 位置限制：
1）参数在辅机箱底板上的传输时间（Tb）；
2）采样模块获取该参数的时间（Tsx）；
3）参数从辅机箱传输到主机箱的时间（Txn）。
2.2 PCM 系统布线复杂
现代的飞行试验数据系统需要从飞机的各个角落采集数千个参数[3]。这就需要把数十个机箱组成测试网络以满足测试通道数量的要求。
将基于PCM的数据采集单元组成同步工作的网络，需要面对诸如网络设计、安装、调试等多项挑战。系统布线必须考虑数采单元的重新编程加载（通过软件远程调整硬件设置）、多台机箱的时间同步，以及相互间的数据传输。连线如图3所示：
图3
许多基于PCM的系统采用四对带屏蔽的双绞线和一根地线实现机箱之间的相互连接，有些PCM系统机箱之间需要连接10根线。CAIS系统只使用四根线连接各个机箱，实现整个系统的编程加载、时钟同步和数据传输[4]，在这方面优势明显，但是CAIS总线的工作速率最高5Mbps，已经远远落后于当今的标准（如以太网）。.
2.3 RS-422 位速率的局限
上图所示的布线方式主要的挑战是RS422/485串行总线所允许的数据传输速率。作为一种主流的传输串行数据的标准，RS-422能将1Mbps 的数据可靠传递最远100米。而在飞行试验过程中，每秒钟需将几十兆位的数据传输到几十米开外，这将是一个挑战。
当前最先进的基于PCM架构的数据采集器最大输出位速率为20Mbps[6]，而压缩的视频数据以及宽带航电参数的传输速率需几兆位/秒，试飞工程师们不得不设计比较复杂的测试系统架构，在不超过20Mbps的传输上限得前提下满足试飞任务需求。
2.4 复杂且不够灵活
以现代飞行器的研发和取证为例，试飞工程师们已没有足够的时间完成第2.1章所描述的相对复杂的计算。因此，数据采集设备供应商承担了这项任务，他们提供软件来规划采集器内部数据的流动方式和时序[6]。但是，设计和维护此种软件耗时、费力且费用不菲。
基于PCM的数据采集单元之间传输数据相对比较复杂，系统配置的更改需要通过交互式的软件来输入，并需重新编译形成指令代码，然后加载到硬件。试飞工程师们使用的时候会发现灵活性不是很高。
2.5 数据记录接口
PCM 通常被用于向记录设备（如磁带、硬盘和固态盘）传输试验数据，鉴于PCM系统位速率上的局限（<20Mbps）,许多测试系统为获取更多参数、更高速率，不得不定义并输出多条PCM数据流。这种方法会使数据回放和事后分析变得复杂化，许多时候需使用数据复用器和输出重构接口等设备（如ARM、ARMOR 和mini-ARMOR） 来完成数据回放。
3. 以太网综述
3.1 背景
以太网是一种符合IEEE 802.3标准的网络。该标准涵盖了网络物理连接层和数据交互层的所有实现方式，如图四所示：
图 1
由于以太网设备仅使用OSI堆栈最底层的两层协议，它们通常被设计为接口卡插入到计算机母板上。主控设备通过高层协议（如图4所示）控制数据在更高级别的协议层传输。
3.2 IP, TCP 和 UDP
因特网的普及意味着大量的数据能被打包后，通过以太网协议(Internet Protocol)在网络中的多个设备间传送，这些设备可以在一个房间中，也可以在不同的国家[7] 。以太网协议实现了“发出后不管”的传输方式，但却无法保证数据的完整性，也不能确保数据到达接收端的次序与发送端的输出次序完全一致。
以太网设备混合使用传输控制协议（Transmission Control Protocol）和以太网协议（Internet Protocol），以实现数据的无误码接收和按序传输[7, 8]。尽管TCP协议实现了更高的传输完整性，但它需要占用大量的缓冲区以处理重复传输和时间溢出，这将产生不容忽视的传输延迟。对于要求实时传输数据的场合，这种延迟往往是难以被接受的。
因此，在实时以太网系统中，用户数据报协议 (UDP) 通常和以太网协议（IP）一同使用，来管理数据从源头发送到目的地的传输过程。[9]. UDP 不占用过多的数据缓冲区，对于未能可靠接收的数据也不会重新发送（尽管它也使用“校验和”技术检测传输错误）。因此，相对于TCP协议，UDP更简单、更易确定数据的传输延迟，它所占用的物理带宽也小很多。
3.3 IENA – 空客所使用的 UDP 数据包结构
空客公司使用 UDP / IP 协议(如图5所示)来管理A380 上机载数据采集器与记录器、遥测子系统间的数据传输[2]。
图 2
空客公司定义了IENA 数据包的结构[10]，并用它在 UDP/IP 网络中传递数。该数据包的结构见图 6. (注意：每个传输字为16位).
图3
图中：
Key = 每种类型数据包的识别字
Size = 数据包的字数，从“Key”到最后一个传输字
Time = 自本年度1月1日0时0分开始计算的微秒时间
Status = 状态字（同步/异步）
Seq_Num = 数据包计数器（记录每种KEY值的数据包的次数）
Data = 最多 65,527 个数据字（每种KEY值得数据包所含数据字的数目固定）
End = 数据包结束特征字（典型值为 0xDEAD）
4. 基于以太网的数据采集单元
4.1 更少的数据传输限制
采用UDP/IP协议和IENA数据包结构的采集器的工作方式与PCM架构的采集器差别很大。因数据通过以太网按数据包的形式被发送出去，而不是通过传统的PCM码流传输，这就从原理上决定了数据的采集和向外发送互不相干。
为说明这点，假设图1中的采集器从主机箱中输出三个以太网数据包（而不是PCM），分别包含参数A、B和C，见图7：
图 4
首先，每个数据包中包含某个参数在不同时刻的多个测量值，当且仅当获取该参数的最后一个测量值（如图中的A4，B4 和C4）后，系统才会向外发送此数据包。这与PCM系统中数据采样完毕后立刻发送的工作方式正好相反，从而缓解了传统系统中信号采样与数据发送两个流程间近乎苛刻的时序逻辑要求（详见第二章）。
如图8所示，参数的延迟与PCM系统一样，仍然取决于采集系统本身所固有的将信号从源头采集并发送到输出端口的能力。但是与PCM系统要求严格控制采用与传送时序以确保每个参数/每次采样 被以最快速度发送出去不同，以太网系统所关注的是何时能接收到数据包内的最后一个数据。
图 5
这种工作方式意味着：采集器依然能根据系统的采样周期和时钟同步采集所有参数，但可灵活决定在以太网数据包未被外发之前，何时从测量模块把数据发送给以太网输出模块。早前的测量值可以暂时存储在测量模块的缓冲区，也可以存放在以太网输出模块的寄存器内，如此将极大提高系统底层数据调度和时序控制的灵活性，而这一点往往是数据采集系统的主要制约因素。
以太网技术的引入大幅缓解了复杂测试系统的时序限制，减少了测试工程师配置系统和厂家开发新产品的工作量。
4.2 布线更简单
以太网络使用全双工协议，采用该技术的采集器能使用相同的端口完成数据外发和编程加载。故此，传统PCM系统中所使用的 Data±, DClk± 和Programming± 3对带屏蔽双绞线能被一根以太网线替代（2根带屏蔽双绞线），如图9所示。注意：新的1588网络时钟同步协议的引入，使得多个采集器能通过以太网线实现时钟同步，从而省掉了Sync± 信号线。
图 6
RS422/485数据传输标准中关于传输速率和距离方面的限制不适用于以太网（100M或1000M），使用屏蔽双绞线时后者能实现100Mbps（或更高）最远100米的点对点传输距离。无论采集机箱放置在飞机的哪个部位，测试工程师都有很大的灵活性来选择适用的采样率，而不用担心电缆传输距离的限制。
4.3 架构灵活
使用 商业货架以太网产品，如网络交换机，无疑会使机上测试系统的设计享有更大的自由度，各采集器机箱通过一根网线直接连到网络交换机（如图10），而不用象PCM系统使用菊花链或星型连接。
图 7
试飞工程师有更大的自由度来设计高带宽模拟量采集（如视频），或高带宽航电参数采集。
基于以太网的网络化采集系统使用交换机中转数据，因而有可能定义在不同采集机箱间传输数据的规则。例如：交换机允许2#辅机箱将数据发送给主机箱，但能阻止数据从2#辅机箱发送到1#辅机箱。这样就能通过交换机和软件完成数据流向的规划，省略了许多硬件连线的工作，从而提高了系统的可维护性。
4.4 高可靠性
与 RS-422/485标准一样，以太网是一种成熟可靠的物理接口。使用开放源代码网络（open source Network）和传输协议（Transport protocols）,能进一步确保数据的完整性和传输的可靠性。
4.5 数据记录接口
以太网具有远优于PCM的数据传输能力，它已成为机载记录器的主流接口。另外，100Mbps 甚至是1000Mbps的速率，使网络端口足以包容记录器所有通道的总记录速率。回放过程中，与其使用多个模块还原并输出多路PCM或者其他信号，不如直接通过一个网口将记录的数据直接发送给数据处理终端。
5. 案例分析 – 空客 A380
空客A380 是有史以来第一个使用网络化的试飞测试系统的大飞机试飞项目[2], 机上架构如图11所示。
图 8
在A380飞机上，宽带信号和事故采集器所形成的以太网数据包被汇总到专用的网络交换机上，并发送给专门的记录器、数据处理终端和遥测设备（被转换为适合遥测的数据格式）。A380 试飞测试系统基于空客自己研制的IENA标准所搭建[2]，该标准为分层结构，简述如下：
第一层：传感器层。 该层面完成所有物理参数的测量，物理量被转换为电信号（如电压或电流）
第二层：数据采集层。 此处将电信号调理、数字化、打时间标记、放入以太网数据包并发布到试飞测试系统的网络上。
第三层：数据提炼层。 网络交换机过滤数据，并将其发送给对应的接收设备。
第四层：记录和分析层。 本层面进行数据的存储、分析和遥测发射。
使用基于以太网的机载测试网络极大简化了A380上的布线，所有网络节点使用相同的连接插座和线缆定义---兼容AFDX（ARINC 664 ）标准（基于以太网的机载控制总线）[12]。鉴于首次使用机载以太网的架构，空客公司在A380首架机上安装了两套相互独立的网络交换机，互为备份。即便主测试网络发生故障，采集器的数据仍能从备份网络发送出来 [2]。
使用以太网机载测试网络后，空客公司标准试飞测试参数的采样能力提高了15倍（高达512采样点/秒），宽带参数的采样速率提高了35倍（高达2.5k采样点/秒）
6. 结论
相对于传统的PCM系统，采用以太网协议从采集器机箱向外发送数据有许多优势：
PCM是点对点传输，半双工操作，而以太网是全双工操作，并能支持多种可自由配置的复杂网络架构，如点对点、复杂星型连接或总线模式的连接。
用PCM传输数据需受到一些限制，如位速率的限制（因电缆长度和RS422标准而造成）；参数在PCM帧中放置位置的限制（数据在机箱内部或机箱之间传输所造成的时间延迟）；另外还需要费时、费力的线缆设计、安装和调试工作。
以太网能支持远优于PCM的位速率（>=100Mbps，标准货架产品），参数传输与信号采集两个线程在一定程度上被相互独立，因而数据外发具有更大灵活性。来自不同厂家的数据采集器均使用以太网作为标准数据输入/输出接口，极大简化了试飞测试系统的设计工作量。
在机载数据采集器上使用以太网技术也符合试飞试验测试领域的发展潮流，如iNET技术[13]，它要求数据采集器具有更多的互动能力，如服务质量，如响应远程命令重新发送数据等，这些功能以太网已经具备（需使用高层协议）。
随着采集器能力的不断提高，以太网可以从100M提高到1000M，从而构成更高速的机载数据传输和记录局域网。
最后，引入以太网的概念也能最大限度地预防系统/产品过时、停产等风险，因以太网是开放且被广泛使用的标准，技术升级的方向清晰可见，试飞工程师能据此事先实施有针对性地产品升级计划。
7. 感谢
空客法国分公司试飞中心主任 Christian Lopez 先生对本文的写作给与了巨大帮助，在此表示感谢。
8. 参考书目
[1] “IRIG Standard 106-96 Telemetry Standards”, Secretariat Range Commanders Council, U.S. Army White Sands Missile Range, New Mexico 88002-5110, 1996.
[2] Revaux, N. and Abadie, F., “A380 Flight Test Architecture: Switched IENA”, In Proceedings of the 2003 European Test and Telemetry Conference, Toulouse, France, June 2003.
[3] Penna, S., Magno, A. and Espeschit, L., “Flight test data handling through extensive use of parameter groups”, In Proceedings of the 2004 European Telemetry Conference, Garmisch Partenkirchen, Germany, May 2004.
[4] “CAIS Bus Interface Standard”, A00.00-C001, Rev B, CAIS Joint Program Office, Naval Air Warfare Center Aircraft Division, Patuxent River, MD 20670-1456, 10 September, 1999.
[5] “Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits: EIA 422”, Electronics Industries Alliance, 2500 Wilson Boulevard, Arlington, Virginia 22201, USA.
[6] http://www.acracontrol.com
[7] Information Sciences Institute, Internet Protocol (RFC 791), 1981.
[8] Information Sciences Institute , Transmission Control Protocol (RFC 793), 1981.
[9] Information Sciences Institute, User Datagram Protocol (RFC 768), 1980.
[10] Caturla, J.P., “IENA packet format”, In Proceedings of European Test and Telemetry Conference 2003, Toulouse France, June 2003.
[11]http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ito_doc/ethernet.htm
[12] “Draft 2 of ARINC Project Paper 664 - Part 7 Deterministic Networks”, ARINC; Airlines Electronic Engineering Committee, 2551 Riva Road, Annapolis, Maryland 21401-7465 USA.
[13] “iNet Telemetry Network System Architecture”, Version 1.0, C.T.E.I.P., 19 May 2004.
9. 缩略语
AFDX: 全双工航电总线Avionics Full Duplex (ARINC 664)
CAIS: 通用航空仪表系统Common Airborne Instrumentation System
COTS: 商业货架产品Commercial off the shelf
DAU: 数据采集单元Data Acquisition Unit
FTI: 飞行试验仪表Flight Test Instrumentation
IENA: 用于新飞机测试的系统Test Installation for New Aircraft
iNET: 综合网络增强型遥测Integrated Network Enhanced Telemetry
IP: 以太网协议Internet Protocol
LAN: 局域网Local Area Network
Mbps: 兆字节每秒Mega bits per second
OSI: 开放系统互联Open Systems Interconnection
PCM: 脉冲编码调制Pulse Coded Modulation
STP: 屏蔽双绞线Shielded Twisted Pair
TCP: 传输控制协议Transmission Control Protocol
UDP: 用户数据报协议User Datagram Protocol
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