大型民机IMA系统的应用论文

大型民机IMA系统的应用论文多篇精选范例参考，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。综合模块化航空电子系统1IMA系统的基本概念IMA系统是指飞机上的一个分布式实时计算机网络,该网络包含若干个计算模块,且每个计算模块能够运行多个不同安全关键级别的应用程序。IMA的核心理念是硬件共享,即多个应用程序共享同一个处理单元,这样就能减少处理器、配线、I/O的成本,此外,还能减小航空电子系统的重量、体积、能耗等[5]。2IMA系统结构一个IMA系统由4个部分构成:机柜(Cabinet)、全局数据总线、与全局数据总线兼容的设备和远端数据集中器(RemoteDataConcentrator,RDC)[8]。IMA系统结构如图1所示。机柜用来提供计算资源,并为其中的应用程序提供必要的接口。机柜由3个部分构成:机柜框架、背板和功能模块[8]。其中,机柜框架为机柜内部的功能模块提供了机械和电气环境。背板为功能模块和外部航电设备提供接口,背板分为3个区域:第一个区域是飞机配线和背板之间的接口;第二个区域为背板总线,用于功能模块之间的信息传递;第三个区域用于电能分配。IMA系统中的功能模块应该被设计成外场可更换模块(LineReplaceableModule,LRM),按照功能可分为多种不同的类型,例如核心处理器、标准I/O、特殊I/O、电能供给模块、总线桥、网关、块存储器等。全局数据总线用于机柜、RDC以及总线上的其他挂载设备之间的通信。ARINCReport651中指明ARINC629为全局数据总线,实际上,IMA系统中的全局数据总线不限于ARINC629总线,例如,波音787和空客A380采用的全局数据总线是符合AR-INC664标准的航空电子全双工交换式以太网(AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet,AFDX)。机柜之外的设备,按照与全局数据总线是否兼容可分为两类。如果与全局数据总线兼容,则可以直接接入全局数据总线,与总线上挂载的机柜和其他设备通信。如果与全局数据总线不兼容,则需要先与RDC连接,然后通过RDC接入全局数据总线。RDC可以为许多简单设备服务,其作为数据输入设备时,将数据从模拟、离散或者其他格式转换为与全局数据总线兼容的格式;当其作为一种输出设备时,将全局数据总线传输的数据转换为模拟、离散或者其他格式[8]。RDC还负责管理与之相连的简单设备的健康状态。3IMA系统的特点相对传统的独立式、联合式航空电子系统,IMA系统具有以下特点:(1)对硬件设备进行综合,包括网络、模块和I/O设备;(2)采用分层体系结构,利用标准的编程接口使硬件与应用软件彼此独立;(3)采用分区操作系统来管理同一模块中的多个应用程序,操作系统必须采取保护机制来确保同一硬件模块中的多个应用程序之间不会相互影响,并且能以适当的调度策略对多个不同的应用程序进行调度;(4)模块上的应用程序能够进行静态重构(飞机未使用时)或动态重构(飞机处于飞行阶段时)。大型民用飞机IMA系统典型应用1波音7771995年,波音公司正式推出波音777飞机。Honeywell公司为其提供了飞机信息管理系统(AIMS),该系统采用了综合模块化结构,是IMA系统在商用飞机中的第一个应用实例[1]。AIMS为飞机中的7个子系统提供数据处理能力,包括主显示系统(PDS)、中央维护计算系统(CMCS)、飞机状态监控系统(ACMS)、飞行数据记录器系统(FDRS)、数据通信管理系统(DCMS)、飞行管理计算机系统(FM-CS)和推理管理计算机系统(TMCS),其余子系统仍然采用传统的联合式结构[9]。AIMS安装于两个机柜之中,并通过ARINC629总线、ARINC429总线以及离散I/O通道与飞机其他系统相连接。每个机柜内安插了8个外场可更换模块(LRM),包括4个核心处理模块(CoreProcessorModule,CPM)和4个输入输出模块(InputOutputModule,IOM),此外,考虑到未来功能扩展的需要,还预留了1个CPM和2个IOM的插槽[2]。CPM负责AIMS中各种功能的运算,共有4种类型:CPM/COMM(中央处理/通信模块)、CPM/ACMF(中央处理/飞行状态监控功能模块)、CPM/BASIC(中央处理/基本模块)和CPM/GG(中央处理/图像产生器模块)[10]。所有IOM具有相同的硬件和软件,它们负责传送CPM中的数据到其他机载系统,并从其他机载系统接收传送至CPM的数据。在机柜内部,模块之间的信息传递由高速背板总线SAFEbus提供,这种总线标准之后被发展为ARINC659标准[11]。AIMS机柜的结构如图2所示[12]。每个CPM中均部署了多个不同关键级别应用程序,如表1所示[9]。为了能够对不同关键级别的应用程序进行独立的认证,并且使不同的应用程序之间不相互破坏数据,Honeywell公司开发了Apex操作系统,这种操作系统成为了ARINC653操作系统的基础[11]。Apex操作系统采用了“健壮分区(Ro-bustPartitioning)”的方法来对运行在同一处理器中的不同应用程序进行隔离。这种隔离措施要求不仅在空间上,而且在时间上对不同的应用程序进行划分。应用程序的存储器空间在运行之前就被分配好,每个应用程序均不能破坏其他应用程序存储空间内的数据,对于任意的存储页面,最多只有一个应用分区对其进行写访问。应用程序的处理器资源调度通过一组调度规则表来控制,调度规则表在运行前确定,并可以加载至模块中。每个应用程序在分配的处理器时间内占用处理器资源,其他应用程序在此时间段内不能抢占。随着航空电子技术的进步,Honeywell公司后来又对波音777的航空电子设备进行了升级,在每个机柜中安装的模块数增加至10个,但其重量却比原来的AIMS减轻14.5kg,功耗减少39%[10]。2波音787波音787的航空电子系统主要由通用核心系统(CommonCoreSystem,CCS)组成。CCS由Smiths公司(已被GE收购)提供,它被称为波音787的中央神经系统。CCS不但综合了传统意义的航空电子系统功能,还综合了燃油系统、电源系统、液压系统、环控系统、防冰系统、防火系统、起落架系统、舱门系统等非传统航电系统的处理和控制功能[3]。波音787的航空电子系统在波音777的基础上进一步综合化而来,波音777飞机采用了近80个独立的计算机系统来满足约100种不同设备的应用需求,而波音787飞机的计算机系统则减少至30部[13]。波音777与波音787航空电子系统的关系如图3所示[14]。CCS由公共计算资源(CommonComputingRe-source,CCR)、公共数据网络(CommonDataNetwork,CDN)和远端数据集中器(RDC)三部分组成。CCR安装在两个机柜中,机柜之间通过CDN(AFDX数据总线)连接。与AFDX数据总线兼容的LRU通过AFDX交换机直接接入CDN。此外,对于拥有模拟信号输出或者ARINC429信号输出的LRU,必须先将其与RDC连接,然后接入CDN。CCR为波音787飞机提供了计算资源,从图3中可以看出,与波音777飞机的AIMS相比,CCR综合了更多的功能。两个CCR机柜中共装载了16个LRM,有5种不同的类型,分别是8个通用处理模块(GeneralProcessingModule,GPM)、2个能源控制模块、2个网络转换器、2个光纤转换模块和2个图像产生器模块[2]。每个GPM都使用WindRiver公司的VxWorks653分区操作系统,该操作系统除了为应用程序提供必需的服务外,还提供了健壮的分区机制用以支持不同安全关键级别的软件在同一个处理器上运行。CDN是CCS的数据通信网络,提供了铜介质接口和光纤接口。CDN由RockwellCollins公司提供,采用的是符合ARINC664标准的AFDX网络,能支持10~100Mb/s的传输速率,并且有增长至1Gb/s的潜力,是商用飞机通信带宽的巨大飞跃。AFDX是在标准因特网和IEEE802.3协议的基础上改进而来,其最大的特点是“确定性”和“可靠性”。CDN中的核心节点是AFDX交换机,每个交换机具有24个全双工端口。这些交换机沿机身的左右两侧布置,每一侧都采用双冗余备份连接。单个交换机故障,甚至不同的区域内存在第二个故障的情况下,AFDX网络仍然可以正常通信。波音787的CCS中共有21个RDC。RDC被用来替换传统的专用信号配线,将来自远端传感器和受动器的模拟和数字信号集中起来并传输至CDN中。RDC可以通过配置文件进行配置,配置文件中可以指定特定I/O连接类型的处理模块,还能指定更新速率和网络数据格式。3空客A380空客A380的航空电子系统采用了开放式IMA技术,其IMA系统包含两个主要组成部分:AFDX数据通信网络和IMA模块。与波音777和波音787的综合航空电子系统不同,A380的航空电子系统没有采用机柜的形式来组成类似AIMS或者CCR的中央处理系统,而是将处理模块分散放置于机身各处,并且通过AFDX交换机接入通信网络[4]。A380的IMA系统的结构如图4所示(只列出了AFDX网络和IMA模块的布局情况,以分立设备的形式存在的系统未在图中列出)[15-16]。A380的航空电子系统中共有30个LRM,所有模块均符合ARINC600规范,尺寸为3MCU,重量约为4.2kg。这些LRM可分为8种不同的类型,包括7种核心处理输入/输出模块(CoreProcessing&IOModule,CPIOM)和1种输入/输出模块(Input/OutModule,IOM)[4]。7种CPIOM中部署了22种不同功能,共计70种应用软件,这些应用软件由11个不同的供应商提供[4]。表2列出了每种LRM的数量以及模块中部署的应用。IMA硬件模块由Thales公司和空中客车公司提供,两者提供的硬件模块采用不同的硬件实现。Thales公司提供了其中的18个IMA模块:4个用于起落架装置,4个用于燃油管理系统,4个用于客舱功能,4个用于空气管理,2个用于电气系统。空中客车公司提供的IMA模块则用于输入/输出、飞行告警、ATC通信功能和航空电子通信路由[17-18]。但是,并非所有的航空电子功能都被综合为IMA模块,一些飞行关键系统,例如飞机环境监视系统、飞行管理系统和大气数据参考系统仍然以分立设备的形式存在[17-18]。IMA模块中的操作系统也由Thales公司开发,该操作系统提供基于ARINC653规范的标准应用程序接口,能够在不同的应用程序之间提供分区支持。标准的应用程序接口使得硬件能够在不影响应用软件的前提下更新,也允许系统供应商开发独立于硬件的应用软件。由于A380航空电子系统中的数据通信交换机和IMA模块都是根据通用的ARINC标准来设计,因此A380的航空电子系统对于潜在的航空电子制造商来说是开放的[16]。开放式IMA技术带来的好处是飞机制造商可以通过第三方航空电子供应商获取模块和通信设备,从而为开放式IMA标准培育一个市场,并通过竞争来控制成本。4三种机型IMA系统对比分析下面从功能、结构、数据总线和操作系统等四个方面对上述3种机型的IMA系统进行对比分析。(1)功能波音777飞机的AIMS中包含的7个子系统均属于航空电子系统功能,而波音787和空客A380的IMA系统中不仅综合了传统意义的航空电子系统功能,还综合若干非传统航电系统的处理和控制功能。一般而言,IMA系统综合的`功能越多,则系统的综合化程度越高。(2)系统结构上述3种机型的IMA系统均采用了分布式结构。波音777和787的IMA系统中采用了机柜来安装LRM,机柜内不同LRM之间通过背板总线进行通信。采用机柜来集中安装LRM可以在LRM之间共享硬件资源,如背板总线、供电模块、I/O模块等。空客A380的IMA系统没有采用机柜,而是将LRM分散放置于机身各处,通过全局数据总线AFDX网络进行通信。采用这种结构可以简化系统设计,既不用设计机柜和背板总线,