航空数据总线故障注入系统

成果名称

航空数据总线故障注入系统

单位名称

北京旋极信息技术股份有限公司

联系人

王宁

联系邮箱

wangning@watertek.com

成果成熟度

□正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 √可以量产

合作方式

□技术转让 □技术入股 □合作开发 √其他

成果简介：

本项目的需求比较复杂，指标较高，技术实现难度较大，因此采用了多项关键技术，主要如下所示：

（1)大规模FPGA 的电路设计及逻辑实现

为了实现本项目的各项功能需求和技术指标，尤其是对高速数据的处理，采用大规模FPGA 势在必行。

本项目的FPGA选用XILINX公司高端大容量Virtex-6系列的器件。Virtex-6系列的器件是XILINX公司的新一代高端FPGA产品，具有大容量和高速的优点，并且内部的硬核还能实现PCI-E 接口功能。板卡通过FPGA 的PCI-E 接口实现同加固便携计算机的数据通信。

（2)200MHz 采样速率的AD 采集和DA 输出的实现

鉴于AD采集和DA输出都需要达到200MHz的较高速率，因此系统采用FPGA来实现对ADC 和DAC 进行控制。为了实现高速接口速率，ADC和DAC都选用LVDS接口器件，FPGA的LVDS接口的收发速率都超过500MHz，能够轻松实现200MHz 的速率要求。

（3)高速布线技术

由于本系统具有高速数字接口（如：PCI-E 接口、DDR3 接口等）和高速模拟量接口（如：ADC、DAC 等），需要较高的PCB 布线技术。

为了保证PCB布线的质量，PCB设计采用外包的方式进行。由具有丰富PCB设计经验的专业公司和专业设计人员进行PCB设计，既能保证PCB设计的质量，又能保证开发进度。

（4)PCI-E 技术

PCI-E 接口是本系统中FPGA 和处理器之间的主要数据传输通道，在实现时需要同时保证高速大容量数据传输和实时地命令传输。

在硬件上，在便携计算机上带有PCI-E 接口插槽；功能板设计成PCI-E 板卡结构，功能板上的PCI-E 接口由功能板上的FPGA 自带的硬核模块实现。

在软件上，需要考虑PCI-E 接口传输消息的优先级，优先传输具有实时要求的控制命令，从而保证控制命令的快速响应。对于高速大容量数据的传输，需要采用DMA的方式进行处理，尽量降低数据传输过程对处理器的占用，使处理器能够有更多的时间进行其他方面的工作。

（5)大容量高速数据存储技术。

本项目对数据存储的要求主要有2 个方面：1）高速数据的连续存储；2）大容量数据的存储。

针对这2项要求分别进行设计。

(1)高速数据的连续存储。

在最高采样速率200MHz，12bits 分辨率存储时，每秒钟产生的数据约为300MB。

对采样数据进行实时压缩，经过验证，对于1553B 的采样数据一般的压缩率约为3:1~4:1，这里按照压缩率3:1 计算，经过压缩后需要存储的数据约为100MB/s。

数据需要通过PCI-E接口传输给便携计算机进行存储。单路PCI-E接口的最大传输速率约为250MB/s，完全能够满足100MB/s 的传输要求。

数据传输给便携计算机后，由便携计算机将数据写入存储器中。经过调研，普通机械硬盘的连续写速率<50MB/s，不能满足要求。采用SSD 固态硬盘，连续写速率>150MB/s，能够满足100MB/s 的连续写速率要求。

以采用SSD 固态硬盘容量240GB 进行计算，能够连续存储约40 分钟的数据。

(2)大容量数据的存储。

为了能够保存更多的数据，除SSD固态硬盘外，系统还要挂接1块大容量机械硬盘，容量为2TB。

在系统空闲时，可以将SSD 固态硬盘中存储的数据转移存储到机械硬盘中，使系统能够再次进行高速数据的连续存储。

2TB容量的机械硬盘能够存储超过5小时的数据，能够满足存储约2小时数据的要求。

航空数据总线故障注入系统主要针对的是4Mb/s速率的1553B总线测试，兼顾标准1Mb/s速率的1553B总线测试。

结合市场和用户的需求，此次设计的产品在标准故障注入的基础上进行了较大创新，通过对高速采样数据的压缩和存储，能够实现对录取数据的波形回放等功能，这些功能在性能验证、故障分析和故障诊断等方面能够发挥积极作用。

4Mb/s速率的1553B总线是国内部分研究机构提出的标准，目前还没有相关的测试设备。本课题研制的设备填补了我国在4Mb/s速率的1553B总线测试方面的空白，满足了用户的迫切需求，获得了用户好评。

应用前景：

“航空数据总线故障注入系统”从2010年6月设计定型以来，已经累计生产和销售近百套，主要应用于我国航空、航天、国防等行业的科研、生产和测试部门。

“航空数据总线故障注入系统”的主要用户有：

中国航天科技集团的多个研究所

中国兵器工业集团的多个研究所

中国航天科工集团的多个研究院/研究所

中航集团的多个研究所的多个研究所

中国电子科技集团公司的多个研究院/研究所

在“航空数据总线故障注入系统”的应用过程中，用户对该系统的总体情况进行了肯定，有些用户根据自身的情况对该系统提出了许多改进意见和建议。根据用户的反馈，公司组织人员对系统进行了深入的分析，总结出系统的不足并投入人力加以改进。

随着客户群的增加，客户的需求也在增加，当前“航空数据总线故障注入系统”的测试对象已经从设计初期的5种，增加到了10种。当前“航空数据总线故障注入系统”不但能够实现对ARINC429、MIL-STD-1553B等传统航空总线的测试，还能实现对UART、隔离IO、CAN总线等通用接口实现测试。2012年，随着公司主要投资项目“新一代航空总线产品的研制及产业化项目”的启动，针对新一代航空总线的故障注入产品的研发将会启动。

2012年，“航空数据总线故障注入系统”的对象从航空、航天、国防等行业进一步扩展，将会辐射到工业和民用等各个领域，生产和销售超过100套。

一、经济效益

航空数据总线故障注入系统项目从2009年8月立项进行研发，2010年开始形成研发产品及为客户提供技术支持服务，截止到2011年底累计新增销售收入2007万元，基于此技术其中签订技术性合同近850万元并形成技术收入，此项技术收入按收入额的5%缴营业税，缴7%城建税和3%的教育费附加，新增利润额缴15%的企业所得税，余下的壹千多万元是产品收入缴17%的增值税及其他税种，此项技术、产品主要应用于航空、航天、兵器、船舶等行业的设计、测试、生产部门，用于高可靠性、高稳定性设备的设计评估、调试、检测等环节，使用单位应用此技术、产品提到了劳动生产率，劳动生产率的提到表明在单位时间内产品数增加、单位成本降低；通过应用这项技术使产品质量提高，产品质量提高销售价格提高；两个相同投入的生产者，生产率低的一方，意味着生产成本高，那么产品就不得以较高的价格出售，无法同生产率高的一方竞争，必然被淘汰掉，而生产率高的一方，以较低的价格出售产品依然可以获得利润更具竞争力，此项技术的应用增加了企业的利润，为社会填补了技术空白，提高了社会生产率、提高了产品质量，带动了本企业相关产品的的研发与销售，新增企业的利润，为国家多缴了税金。“航空数据总线故障注入系统”已经应用到了我国航空、航天等行业的许多科研、生产和测试部门，增强了这些部门的设计验证能力，促进了我国航空、航天事业的进步，具有战略深远的意义。

二、社会效益（生态效益、环境效益）

“航空数据总线故障注入系统”主要应用于航空、航天、兵器、船舶等行业的设计、测试、生产部门，用于高可靠性、高稳定性设备的设计评估、调试、检测等环节。

在“航空数据总线故障注入系统”研制成功之前，国内现有的故障注入产品种类很少，已有的产品功能单一，基本上只能实现有限的特定功能。市场现有的德国TechSAT公司的ADS2产品内部集成的FIBO功能，只能模拟信号连接线之间的物理层故障，其工作方式针对信号线。另外一些故障注入产品，只能够实现部分协议层的故障注入功能功能。国内外尚没有1种能够同时实现物理层、电气层和协议层的故障注入设备。国内外现有的故障注入产品，都是针对单一总线的专用产品，不能实现对多总线系统的综合测试。

“航空数据总线故障注入系统”的研制成功，大大提升了故障注入产品的的性能，为我国航空、航天等行业的高可靠性、高稳定性的设计提供了有效的验证手段。

“航空数据总线故障注入系统”的主要点和优势如下：

1、同时实现物理层、电气层和协议层的故障注入操作，能够对多台设备进行协同控制；

2、实现物理层和电气层任意波形噪声的产生和叠加；

3、采用非侵入式故障注入方案，使用时不需要对原有系统进行更改；

4、故障注入过程可定量参数，可重复实现；

5、支持高级编程方式，通过设计一系列的故障活动，组成故障序列执行，支持自动测试过程；

6、支持外部触发方式，通过多类型故障注入设备和通用测试平台协同工作的应用，实现系统级故障注入。

当前“航空数据总线故障注入系统”已经应用到了我国航空、航天等行业的许多科研、生产和测试部门，增强了这些部门的设计验证能力，促进了我国航空、航天事业的进步。

三、对本市经济、社会发展的推动作用

《北京市“十二五”时期科技北京发展建设规划》中明确提出了以关键技术突破和标准创制为切入点，积极培育新一代信息技术、生物医药、新能源、节能环保、新能源汽车、新材料、高端装备制造和航空航天等战略性新兴产业，发挥其战略导向性、全局带动性和内源驱动性作用，强力促进发展方式转变和产业结构优化升级。航空数据总线故障注入系统与这一方针密切相关，完全符合北京市发展建设规划支持科技创新与产业发展的范畴。

旋极公司2008年营业收入5860万元人民币，上交税金485万元；2009年1.03亿人民币，上交税金768万元；2010年1.82亿人民币，上交税金1159万元；2011年2.99亿人民币，上交税金1979万元。2008年-2011年公司营业收入复合增长率达77.67%，净利润复合增长率达127.08% 。

本项目具有自主知识产权，技术国际领先，适用领域从军事到民用，从工业制造到高科技行业。可广泛应用于航空、航天、兵器、船舶等各行业的设计、测试、生产部门，市场前景广阔，产业化条件非常良好。前期的项目起步阶段，核心团队从技术研发人员、销售团队等共有30余人，每年可为社会提供30-50个就业岗位，在拉动就业等方面有着重要的社会意义。

综上所述，本项目必将为海淀区经济、社会发展做出贡献。

知识产权及项目获奖情况：

实用新型专利：数据处理中心

专利号：ZL 2013 2 0409762.8

实用新型专利：一种总线数据录取系统

专利号：ZL 2013 2 0403846.0

北京市科学技术奖叁等奖