基于CAN總線的故障注入平臺(tái)設(shè)計(jì)

洪平+肖玲華+陳燁海

摘要：為滿足汽車、航空、航天等行業(yè)電子產(chǎn)品嚴(yán)格的可靠性設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的故障注入平臺(tái)。該平臺(tái)以FPGA為控制核心，通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)軟件指令，控制故障注入模塊實(shí)施各種故障注入動(dòng)作。利用該平臺(tái)進(jìn)行的故障注入測(cè)試驗(yàn)證表明，該平臺(tái)故障模擬功能全面、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足不同行業(yè)大規(guī)模故障注入測(cè)試需要。

關(guān)鍵詞：故障注入；CAN總線；FPGA

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）06-0183-02

在汽車、航空、航天等行業(yè)，可靠性設(shè)計(jì)一直是重點(diǎn)考慮對(duì)象，因此在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，需要提前對(duì)產(chǎn)品在工作過(guò)程中可能遇到的故障進(jìn)行分析處理。電子產(chǎn)品工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)某段時(shí)間不可用故障，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。為了產(chǎn)品可靠穩(wěn)定的工作，在產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，人為設(shè)置故障環(huán)節(jié)，考核產(chǎn)品在故障狀態(tài)下的自我診斷、隔離和控制能力，為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前，在已有的方案中以RS422和RS232等串口通信控制方式居多，通信節(jié)點(diǎn)少，不適合大規(guī)模故障注入測(cè)試。

本文以CAN總線和FPGA配合，加上上位機(jī)管理軟件，設(shè)計(jì)了一套故障注入平臺(tái)。本平臺(tái)具備手動(dòng)和自動(dòng)故障注入功能，依據(jù)CAN節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展功能，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模故障注入測(cè)試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障注入按功能分為基于硬件的故障注入和基于軟件的故障注入，基于硬件的故障注入在電氣環(huán)節(jié)實(shí)施故障注入，包括對(duì)電源短路、對(duì)地短路、線間短路、斷路和帶阻性故障；基于軟件的故障注入包括數(shù)字信號(hào)故障注入、總線信號(hào)故障注入等。本平臺(tái)針對(duì)基于硬件的故障注入展開(kāi)設(shè)計(jì)。

硬件故障注入平臺(tái)由故障注入單元和故障注入管理軟件組成。故障注入單元以FPGA為控制核心，通過(guò)CAN總線通信模塊接收上位機(jī)故障注入指令，控制故障注入模塊執(zhí)行各種故障注入模式。故障注入管理軟件提供圖形交互界面，實(shí)現(xiàn)故障模式選擇、通道管理、故障狀態(tài)顯示，并具備手動(dòng)注入和自動(dòng)注入模式選擇，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

2 故障注入單元設(shè)計(jì)

2.1 FPGA控制模塊

控制模塊采用FPGA為主控芯片，加上配置存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、總線控制電路、IO口擴(kuò)展電路等外圍電路共同構(gòu)成?？刂菩酒瑸檎麄€(gè)系統(tǒng)核心芯片，內(nèi)部運(yùn)行系統(tǒng)程序；系統(tǒng)程序存儲(chǔ)在程序控制器中，防止掉電時(shí)程序丟失，上電時(shí)調(diào)用程序運(yùn)行；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)指令數(shù)據(jù)；IO口擴(kuò)展電路用于增加系統(tǒng)IO口，完成控制芯片與外部信號(hào)間的電平匹配。

控制模塊工作過(guò)程中，CAN控制器接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，比對(duì)其中地址信息后建立通信。控制芯片對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，產(chǎn)生通路指令和當(dāng)前通路指令，其中通路指令經(jīng)接口電路后送故障注入模塊執(zhí)行；當(dāng)前通路指令存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，同時(shí)送故障狀態(tài)顯示模塊顯示當(dāng)前工作狀態(tài)?？刂颇K工作原理圖見(jiàn)圖2。

2.2 故障注入模塊

故障注入模塊為故障執(zhí)行模塊，采用繼電器矩陣組合來(lái)完成故障注入功能，接收到指令后，組合繼電器執(zhí)行通斷動(dòng)作，完成故障注入。故障注入模塊對(duì)內(nèi)提供與控制模塊的接口，接收控制指令；對(duì)外提供與被測(cè)電子產(chǎn)品的信號(hào)通路接口，實(shí)現(xiàn)各種故障模式，故障注入原理圖見(jiàn)圖3。

以信號(hào)S1對(duì)電源短路故障注入為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)不需要故障注入時(shí)，S101接通，信號(hào)回路正常；當(dāng)需要將S1短路到電源V1，將S101斷開(kāi)以斷開(kāi)信號(hào)回路，將S001、S109、S103閉合，則實(shí)現(xiàn)了S1對(duì)電源短路故障。為便于設(shè)備自我診斷，在故障注入模塊中增加了自檢功能，即V1作為供電電源，將S001、S109、S103、S102、S107閉合，經(jīng)R1和R2分壓后送檢測(cè)口，采集檢測(cè)口電壓確定繼電器組工作狀態(tài)。

上圖的故障注入可實(shí)現(xiàn)斷路、對(duì)電源短路、對(duì)地短路、信號(hào)間短路、以及上述情況的帶阻短路等故障模式。故障回路中增加了熔斷器，保證電流過(guò)載時(shí)能快速熔斷，保護(hù)被測(cè)電子產(chǎn)品。針對(duì)帶阻故障測(cè)試需要，專門設(shè)計(jì)了程控電阻，通過(guò)軟件配置使用。

2.3 CAN通信模塊

故障注入單元間通過(guò)CAN總線級(jí)聯(lián)，經(jīng)過(guò)CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)進(jìn)行通信。CAN通信模塊采用SJA1000作為CAN控制芯片，82C250作為CAN收發(fā)芯片。CAN 控制芯片與CAN收發(fā)芯片之間的信號(hào)進(jìn)行了隔離處理。CAN控制器接收到上位機(jī)數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷，F(xiàn)PGA控制模塊對(duì)中斷信號(hào)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CAN通信模塊原理圖見(jiàn)圖4。

3 故障注入管理軟件

故障注入管理軟件是故障注入平臺(tái)的硬件監(jiān)控和管理軟件。故障注入軟件具備圖形交互界面，可選擇手動(dòng)或自動(dòng)測(cè)試模式，根據(jù)使用者的操作指令控制故障注入單元進(jìn)行故障注入。故障注入的工作流程如下：

（1）根據(jù)實(shí)際故障注入的通道和進(jìn)出信號(hào)硬件連接關(guān)系，編制信號(hào)與通道配置文件；

（2）故障注入上位機(jī)軟件根據(jù)信號(hào)與通道配置文件，完成故障通道與實(shí)際信號(hào)的匹配關(guān)系；

（3）根據(jù)軟件提供的友好界面，可以人工注入所需要的故障信號(hào)和類型；

（4）如果需要進(jìn)行自動(dòng)故障注入，用戶可創(chuàng)建自動(dòng)測(cè)試序列文件，預(yù)先定義故障信號(hào)和類型、執(zhí)行順序等信息；故障注入軟件讀取該文件后，將自動(dòng)注入一系列的故障內(nèi)容。

故障注入軟件的工作流程見(jiàn)圖5。

故障注入軟件功能豐富，具有硬件自動(dòng)掃描功能、故障通道自檢功能、故障狀態(tài)瀏覽功能，能根據(jù)使用環(huán)境選擇手動(dòng)模式或自動(dòng)模式。故障注入軟件主界面見(jiàn)圖6。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一套功能豐富的故障注入平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)CAN總線控制，實(shí)現(xiàn)了電氣回路斷路、短路等故障模式。針對(duì)不同的被測(cè)產(chǎn)品，通過(guò)增加或減少故障注入單元，實(shí)現(xiàn)故障注入平臺(tái)的靈活配置，具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性。故障注入管理軟件功能豐富，界面友好，操作簡(jiǎn)單，極大的降低了測(cè)試的難度。

本平臺(tái)已經(jīng)參加了對(duì)航空航天某些產(chǎn)品的測(cè)試，考核效果良好，有效的支持了型號(hào)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]李志宇，黃考利，連光耀.基于半實(shí)物仿真的故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：570-572.

[2]陳燁海，戎蒙恬.基于單片機(jī)89C51的CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子元器件應(yīng)用，2008，10（9）：42-46.endprint