基于IMA架構(gòu)的電氣系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)研究

仇公望，詹景坤，王小輝，呂殿君

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

0 引言

近年來，基于安全/關(guān)鍵性的IMA（Integrated Modular Avionics）架構(gòu)的電氣系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域快速發(fā)展，綜合模塊化逐漸成為各研究所、高校研究的熱點(diǎn)，IMA平臺通過一組由標(biāo)準(zhǔn)格式處理模塊和標(biāo)準(zhǔn)格式連接器構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)由實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的電氣系統(tǒng)，支持不同用途不同安全關(guān)鍵等級的模塊，可以基于一種處理器駐留多個(gè)應(yīng)用軟件，為多個(gè)分系統(tǒng)提供供電、計(jì)算、通信、存儲和I/O服務(wù)，最大限度地共享系統(tǒng)資源。

測試性（testabi l ity）是指“產(chǎn)品能及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降程度），并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性?！盵1]但是，隨著電氣系統(tǒng)綜合模塊化程度的不斷提升，系統(tǒng)向著集成化和小型化的方向發(fā)展，系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，測試點(diǎn)數(shù)量縮減且設(shè)置不便，導(dǎo)致系統(tǒng)測試變得越來越困難。這就需要在產(chǎn)品研制的全過程中引入測試性研究工作，具體包括測試性分析、測試性設(shè)計(jì)及測試性驗(yàn)證。本文結(jié)合實(shí)際工程研制，對基于IMA架構(gòu)的電氣系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)開展了一定的研究。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對某航天器電氣系統(tǒng)，基于IMA架構(gòu)，采用Open VPX（VITA65.0）標(biāo)準(zhǔn)，研制了一體化信息處理平臺，系統(tǒng)組成主要包括：電源、VPX機(jī)箱、功能模塊、外部傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。VPX標(biāo)準(zhǔn)是在原有VME標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，采用高速串行交換互聯(lián)結(jié)構(gòu)，可提供更高的帶寬、更強(qiáng)的電磁抗干擾能力及環(huán)境適應(yīng)能力，支持高速差分信號，增加系統(tǒng)I/O能力。VPX平臺具有更堅(jiān)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的冷卻能力，能夠適應(yīng)航天、軍事領(lǐng)域等對可靠性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。硬件組成如圖1所示。

圖1 一體化信息處理平臺硬件組成圖

機(jī)箱設(shè)計(jì)滿足6U尺寸規(guī)范，機(jī)械固定規(guī)范和導(dǎo)冷規(guī)范。整個(gè)機(jī)箱共8個(gè)槽位，6個(gè)功能槽，2個(gè)擴(kuò)展槽，各功能模塊根據(jù)使用需求和背扳內(nèi)部的布線定義選擇適當(dāng)?shù)牟宀鄄迦氩⒐潭?。機(jī)箱內(nèi)集成電源模塊，接收外部28V一次電源輸入，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換，輸出12V、5V和3.3V三組電壓至背板6個(gè)槽位的P0電連接器，其他模塊接收電壓后完成電路板上的元器件的供電。

網(wǎng)絡(luò)交換模塊采用千兆以太網(wǎng)（GbE）總線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，各功能模塊通過網(wǎng)絡(luò)交換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)按照UDP協(xié)議，并引入錯(cuò)誤重傳機(jī)制。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流主要包括周期型和突發(fā)型。主控模塊通過指令/響應(yīng)式的通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)對各模塊的控制及管理。功能模塊1實(shí)現(xiàn)傳感器信號的采集，功能模塊2實(shí)現(xiàn)射頻信號處理，調(diào)制輸出，功能模塊3實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號的輸出。

主控模塊主處理器選用66AK2H14，66AK2HXX系列為TI公司2013年最新推出的異構(gòu)多核DSP+ARM SoC處理器，包含8個(gè)TMS320C66xx DSP的子核，4個(gè)基于Cor tex?-A15的ARM核。技術(shù)指標(biāo)如下：每個(gè)DSP核：主頻1.2GHz，每個(gè)ARM核：主頻1.4GHz。外設(shè)包含4路10/100/1000 Mbps以太網(wǎng)接口；2路10GBE以太網(wǎng)接口；2路UART接口和3路I2C接口等。相比較于傳統(tǒng)ARM與DSP分開實(shí)現(xiàn)各自功能的方式，搭載該處理器的主控模塊可同時(shí)完成任務(wù)密集管理與數(shù)據(jù)密集計(jì)算，有效地提高系統(tǒng)集成度。

主控模塊運(yùn)行基于ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)，對多任務(wù)應(yīng)用進(jìn)行分區(qū)管理，通過時(shí)間和空間隔離，不同的應(yīng)用軟件運(yùn)行于不同的分區(qū)，通過分區(qū)內(nèi)通信與分區(qū)間通信，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用軟件的互相訪問，通過分區(qū)調(diào)度表，實(shí)現(xiàn)軟件的獨(dú)立、可靠運(yùn)行。

2 測試性設(shè)計(jì)

2.1 測試性建模

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了綜合模塊化（IMA）的電氣系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)集成化、信息化水平得到提升，但原有單機(jī)的測試性設(shè)計(jì)在模塊化后需重新考慮，并且一體化信息處理平臺在集成各功能模塊后，測試性要素之間出現(xiàn)大量交聯(lián)關(guān)系，使得平臺的測試性設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)雜。

本系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)采用基于多信號模型理論的測試性建模方法[2]。它是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析基礎(chǔ)上，以分層有向圖的形式表示信號流向及各個(gè)組成單元的連接關(guān)系，并通過定義組成單元與信號、信號與測試之間的關(guān)聯(lián)性，來表征系統(tǒng)組成、功能、故障及測試之間相關(guān)性的一種模型表示方法[3]。

多信號流模型由下列要素組成：

系統(tǒng)的FMEA報(bào)告是測試性模型的主要數(shù)據(jù)來源，提供測試性建模所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息，對功能框圖中的每一個(gè)輸出信號考慮其故障模式，如果該輸出信號具有一個(gè)以上的參數(shù)的表征，需定義該功能下對應(yīng)的參數(shù)故障。本系統(tǒng)設(shè)備故障信息統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 一體化信息處理平臺的故障模式

根據(jù)一體化信息處理平臺及各功能模塊的技術(shù)方案、可靠性估計(jì)、FMEA分析報(bào)告等，列出核心處理器機(jī)箱對外接口關(guān)系，各功能模塊對外接口關(guān)系，各功能模塊間交聯(lián)關(guān)系，功能信號流輸入輸出關(guān)系，功能模塊的故障模式及功能對應(yīng)的BIT信息等，利用測試性建模軟件建立圖形化模型，描述信號流、故障模式及BIT信息，模型建立如圖2所示。

圖2 測試性建模示意圖

根據(jù)每個(gè)模塊影響的信號集，每個(gè)模塊阻斷的信號集，每個(gè)測試檢測的信號集調(diào)用功能相關(guān)性矩陣算法生成功能故障相關(guān)矩陣D（G），如表2所示，其中行代表功能故障，列代表測試節(jié)點(diǎn)。

表2 功能故障相關(guān)矩陣

測試性分析結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)測試性指標(biāo)

2.2 自測試設(shè)計(jì)

圖3 I2C總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

一體化信息處理平臺實(shí)現(xiàn)各功能模塊的高度集成，但也帶來了外部測試點(diǎn)少，測試激勵(lì)難以施加的問題，因此需采用機(jī)內(nèi)測試（BIT）技術(shù)來滿足系統(tǒng)測試性要求。在各功能模塊內(nèi)設(shè)置健康管理單元，主要負(fù)責(zé)對各功能模塊運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制器選用TI公司的超低功耗MSP430單片機(jī)，通過采集電路對測試點(diǎn)的電壓、電流、溫度等進(jìn)行狀態(tài)采集，通過A/D轉(zhuǎn)換電路讀取被測量，并發(fā)送至控制器編幀，采用VITA46.0標(biāo)準(zhǔn)定義信號線SM[3：0]作為系統(tǒng)控制管理總線，通過2路I2C總線實(shí)現(xiàn)對所有功能模塊的電壓、電流、溫度的雙冗余監(jiān)測、管理以及控制[4]，保證設(shè)備的正常工作以及故障的及時(shí)提示，I2C總線拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖4 I2C采集控制流程圖

主控模塊作為總線的主節(jié)點(diǎn)，其他模塊作為總線的從節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)控制器按照通信協(xié)議，周期性采集本模塊的健康狀態(tài)信息，同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)按照輪詢方式，周期性讀取從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀輸出。數(shù)據(jù)通過接口芯片一路輸出至外部測試接口，用于地面測試設(shè)備的測試分析，另一路輸出至主控模塊上的主處理器，主處理器內(nèi)運(yùn)行健康管理算法。實(shí)現(xiàn)自主的故障檢測與診斷。

主控模塊健康管理單元的I2C采集控制算法如下：

（1）主程序啟動，進(jìn)入初始化操作，包括中斷、接口、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、外設(shè)初始化等操作；

（2）設(shè)置采集通道0，從通道0開始采集數(shù)據(jù)；

（3）等待ADC轉(zhuǎn)換完成；

（4）將自測試數(shù)據(jù)放入通道對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

（5）判斷是否是第N路采集通道（總計(jì)N通道），若是第N路，重新從通道0開始采集，否則通道數(shù)加1，進(jìn)入下一個(gè)通道進(jìn)行采集，然后轉(zhuǎn)到步驟（3）。

3 總結(jié)

本文針對IMA架構(gòu)的VPX一體化信息處理平臺開展測試性設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)集成度和模塊化帶來的測試性問題，采用基于多信號模型的測試性建模分析，對各類模塊的關(guān)鍵性故障開展FMEA分析，建立內(nèi)部的測試點(diǎn)，采用機(jī)內(nèi)測試（BIT）技術(shù)，將自測試數(shù)據(jù)通過I2C總線進(jìn)行采集和處理，從而完成了整個(gè)系統(tǒng)的自主測試，在實(shí)際工程應(yīng)用中取得良好效果。

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