一種多類型總線故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

荊 廣,徐宏偉,黎玉剛,李 平,靳秋紅

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,西安 710065)

0 引言

電氣系統(tǒng)作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分,承擔(dān)著系統(tǒng)各部件之間數(shù)據(jù)交互的任務(wù)。早期武器系統(tǒng)各部件間大多通過模擬量進(jìn)行信息交互,隨著通信數(shù)據(jù)量越來越龐大,傳統(tǒng)的信息交互方式已經(jīng)滿足不了武器系統(tǒng)信息交互需求,逐漸應(yīng)用總線作為通信媒介。

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣、配線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),需要對故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位與故障排除。在排故的過程中為了能對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位,一般向目標(biāo)系統(tǒng)主動(dòng)注入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì),觀察系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)下的響應(yīng)能否復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中的故障。現(xiàn)通過故障注入的方法主動(dòng)向武器系統(tǒng)注入特定的總線類故障,通過判斷系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)總線故障定位和排查。

現(xiàn)有的故障注入方法多針對單一總線類型進(jìn)行故障注入。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]分別描述了1553B總線和ARINC429總線的故障注入方法,分別對電氣層、物理層、協(xié)議層的故障實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹;文獻(xiàn)[3]利用dSPACE平臺對CAN總線進(jìn)行故障注入仿真研究,故障注入類型為物理層的短路、斷路與短接。

現(xiàn)武器系統(tǒng)中含多種總線類型,需要同時(shí)對多種總線類型進(jìn)行故障注入測試。文中設(shè)計(jì)了針對多種總線的電氣故障注入系統(tǒng),總線類型包含導(dǎo)彈武器系統(tǒng)常用的CAN、ARINC429、RS422和以太網(wǎng)等通訊介質(zhì),實(shí)現(xiàn)從電氣層、協(xié)議層的故障注入。

1 故障注入工作原理

對于總線的故障注入首先對原始總線信號A進(jìn)行AD采樣,將連續(xù)時(shí)間域上的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間域上的離散信號,將采樣后的離散信號進(jìn)行解析,通過對解析后的離散信號進(jìn)行相應(yīng)算法處理,實(shí)現(xiàn)電氣層與協(xié)議層的故障注入。對目標(biāo)信號完成故障注入后,將注入電氣層、協(xié)議層故障的信號進(jìn)行合成,對合成后的離散信號完成DA變換,將離散信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)時(shí)間域上的模擬信號B,實(shí)現(xiàn)對總線信號的故障注入[4]。故障注入原理圖如圖1所示。

圖1 故障注入原理圖

針對RS422、CAN、A429、以太網(wǎng)的故障注入實(shí)現(xiàn):

1)對RS422電氣層可實(shí)現(xiàn)差分信號幅值的調(diào)節(jié),RS422協(xié)議層實(shí)現(xiàn)起始位翻轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)位替換、奇偶校驗(yàn)位替換、停止位替換等故障。

2)對A429電氣層實(shí)現(xiàn)信號幅值調(diào)節(jié)、信號速率調(diào)節(jié);A429協(xié)議層實(shí)現(xiàn)同步頭反向、數(shù)據(jù)替換、指定位編碼極性故障。

3)對CAN電氣層實(shí)現(xiàn)終端匹配電阻調(diào)節(jié)、CANH/CANL信號線上/下拉電阻故障、內(nèi)部電源故障;CAN協(xié)議層實(shí)現(xiàn)自定義發(fā)送波特率、發(fā)送錯(cuò)誤幀等故障。

4)對以太網(wǎng)電氣層實(shí)現(xiàn)正負(fù)信號線同時(shí)疊加直流量、TX/RX差分信號提供疊加的共模電壓;以太網(wǎng)協(xié)議層對IP層/UDP或TCP校驗(yàn)錯(cuò)誤測試、MAC頭部的SOURCE-Address不正確測試、報(bào)文長度錯(cuò)誤測試等故障。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多類型總線的電氣故障注入系統(tǒng)包含故障注入設(shè)備和信號激勵(lì)與采集設(shè)備兩部分,具有針對RS422、CAN、ARINC429和以太網(wǎng)的物理層、電氣層、協(xié)議層的故障注入功能。該系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案

故障注入系統(tǒng)的硬件部分由故障注入單元、故障注入接口面板、信號采集單元、信號采集接口面板組成;

1)故障注入單元通過通訊網(wǎng)絡(luò)接收故障注入軟件發(fā)出的故障指令,完成相應(yīng)的故障注入算法,通過故障注入接口面板實(shí)現(xiàn)對總線系統(tǒng)的故障注入;

2)信號采集單元通過各種I/O接口實(shí)時(shí)采集各類信號,基于ICD協(xié)議格式實(shí)時(shí)解析原始報(bào)文,實(shí)時(shí)還原各種物理量和工程值;

3)故障注入面板實(shí)現(xiàn)故障注入單元與待測武器系統(tǒng)的接口連接與信息交互;

4)信號采集面板通過I/O接口實(shí)現(xiàn)對故障注入單元輸出信號的采集。

故障注入系統(tǒng)軟件部分由故障注入軟件、信號激勵(lì)與采集軟件組成。

1)故障注入軟件用于故障模式設(shè)置、試驗(yàn)管理、設(shè)備管理等;

2)信號激勵(lì)與采集軟件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號的激勵(lì)與對目標(biāo)信號的采集與顯示,信號激勵(lì)用于故障注入時(shí)標(biāo)準(zhǔn)信號的替代。

系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 故障注入單元設(shè)計(jì)

故障注入單元是故障注入系統(tǒng)的核心部件,是完成故障注入功能的主要執(zhí)行單元。

3.1 故障注入單元組成

多類型總線故障注入單元由RS422故障注入子單元、CAN總線故障注入子單元、A429故障注入子單元、以太網(wǎng)故障注入子單元組成。多類型總線故障注入單元組成如圖4所示。

圖4 故障注入單元硬件組成圖

各種總線信號的故障注入子單元采用同樣的體系結(jié)構(gòu),由數(shù)據(jù)采集單元、故障注入核心處理單元與數(shù)據(jù)輸出單元組成,詳見圖5。

圖5 故障注入子單元信號流向圖

數(shù)據(jù)采集單元使用單通道、100 MHz采樣率、16 bit分辨率的高速AD對總線信號進(jìn)行采樣,同時(shí)采用高速、大容量數(shù)據(jù)存儲器,實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)量的總線信號的高精度采集與存儲。數(shù)據(jù)采集單元接收到接口電路輸出的總線信號后對其進(jìn)行采樣,將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,為后續(xù)物理層和電氣層的故障注入做準(zhǔn)備[5];故障注入核心處理單元根據(jù)上位機(jī)的故障指令完成電氣層和協(xié)議層的故障注入算法;數(shù)據(jù)輸出模塊應(yīng)用高速DA將注入故障后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸出至外部接口模塊。各類故障注入子單元信號流向圖如圖5所示。

3.2 多類型總線故障注入單元硬件主要連接關(guān)系

多類型總線故障注入單元的搭建將各種總線類型的故障注入子單元并行連接到以太網(wǎng),上位機(jī)通過以太網(wǎng)分別對各總線類型的故障注入子單元進(jìn)行全局控制,不同總線故障注入子單元之間可獨(dú)立工作。多類型總線故障注入單元連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 多類型總線故障注入單元連接關(guān)系

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多類型總線故障注入系統(tǒng)軟件部分由故障注入上位機(jī)軟件與信號激勵(lì)與采集軟件組成。

4.1 故障注入軟件設(shè)計(jì)

故障注入軟件(FIDS軟件)采用Java語言以Eclipse插件開發(fā)的模式進(jìn)行開發(fā),與下位機(jī)(故障注入設(shè)備)采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信,下位機(jī)的工作指令集封裝在UDP報(bào)文中。該軟件主要功能包含項(xiàng)目信息管理、故障參數(shù)配置、設(shè)備自檢和復(fù)位、健康監(jiān)控和日志管理等。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 故障注入軟件結(jié)構(gòu)框圖

故障注入軟件運(yùn)行流程如下:

1)開啟故障注入軟件后首先進(jìn)行自檢;

2)如果設(shè)備完好,應(yīng)用軟件將連接到故障注入系統(tǒng)中的所有故障注入設(shè)備進(jìn)行顯示,用戶可以對系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行配置;

3)配置完成后,軟件按照配置好的流程進(jìn)行故障自動(dòng)化注入測試;

4)最后將測試的結(jié)果進(jìn)行分析與存儲。

故障注入軟件測試流程圖如圖8所示。

4.2 信號激勵(lì)與采集軟件設(shè)計(jì)

信號激勵(lì)與采集軟件由信號激勵(lì)模塊和信號采集模塊組成。

4.2.1 信號激勵(lì)模塊

信號激勵(lì)前需要定義ICD信息及分配I/O資源。I/O資源的分配模塊采用Java語言以Eclipse插件開發(fā)的模式進(jìn)行開發(fā),同時(shí)完成與控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。信號激勵(lì)流程如圖9所示。

圖8 測試流程圖

圖9 信號激勵(lì)流程圖

4.2.2 信號采集模塊

信號采集模塊通過各種I/O接口實(shí)時(shí)采集各類信號,基于ICD協(xié)議格式實(shí)時(shí)解析原始報(bào)文,實(shí)時(shí)還原各種物理量和工程值。具體功能有:I/O接口數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)存儲,將采集到的數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器;對原始數(shù)據(jù)解析,以曲線儀表、多視圖虛擬儀表等形式展示數(shù)據(jù);試驗(yàn)記錄回放,數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。

5 總線故障注入系統(tǒng)的應(yīng)用案例

多類型總線故障注入系統(tǒng)可以在系統(tǒng)集成聯(lián)試時(shí)對不同分系統(tǒng)的多種總線同時(shí)進(jìn)行故障注入實(shí)驗(yàn),可以根據(jù)需求在系統(tǒng)工作時(shí)對不同總線注入不同類型的故障,實(shí)時(shí)采集總線輸出數(shù)據(jù)并監(jiān)測武器系統(tǒng)的工作情況。

例如某導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面單元與彈體利用CAN總線通信,彈上部件之間利用RS422通信,現(xiàn)要對系統(tǒng)中包含RS422和CAN通信鏈路在內(nèi)的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行故障注入測試。將測試系統(tǒng)按照圖10方式連接,在系統(tǒng)測試點(diǎn)將總線信號引入故障注入設(shè)備對其進(jìn)行故障模擬,將注入故障后的總線信號一路返回到武器系統(tǒng)中,一路接入信號采集設(shè)備對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)連接關(guān)系圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)連接關(guān)系圖

信號采集設(shè)備在故障注入的同時(shí)實(shí)時(shí)顯示總線狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)在已設(shè)置故障模式下的工作情況。

1)CAN總線協(xié)議層故障注入

在對CAN總線協(xié)議層故障注入之前,先定義CAN總線ICD文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容,將Fixdata數(shù)據(jù)域定義為數(shù)據(jù)長度為16 bit的1～50的斜坡函數(shù),數(shù)據(jù)定義示圖如圖11所示。

圖11 CAN總線Fixdata數(shù)據(jù)域定義圖

故障注入時(shí),對CAN總線協(xié)議層Fixdata域數(shù)據(jù)進(jìn)行替換,將Fixdata中數(shù)值為8的數(shù)替換為16,其余數(shù)值保持不變。故障注入內(nèi)容見圖12。

圖12 CAN總線故障注入內(nèi)容

數(shù)據(jù)位替換故障執(zhí)行后,信號采集界面輸出的波形如圖13。

圖13 CAN總線Fixdata域數(shù)據(jù)變化圖

從數(shù)據(jù)波形可以看出,Fixdata域中原本數(shù)值應(yīng)為8的點(diǎn)跳變到16,實(shí)現(xiàn)了協(xié)議層的數(shù)據(jù)替換。

2)RS422電氣層故障注入

故障注入單元對RS422總線信號上升沿/下降沿斜率、差模電壓幅值同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

故障注入前:上升時(shí)間為58.17 ns;下降時(shí)間為61.17 ns;差模電壓幅值為2.44 V;故障注入后:上升時(shí)間為2.165 μs;下降時(shí)間為2.248 μs;差模電壓幅值為6.24 V。實(shí)現(xiàn)了電氣層的故障注入。RS422注入故障前后信號上升沿/下降沿斜率、差模電壓幅值變化見圖14、圖15。

圖14 RS422注入故障前差模電壓幅值

圖15 RS422注入故障后差模電壓幅值

6 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的多類型總線電氣故障注入系統(tǒng)。針對多維度故障類型對多種總線進(jìn)行故障注入,能夠在總線故障注入實(shí)現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上對多類型總線武器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)故障注入,更加全面的考核武器系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)能夠?yàn)榻窈罂偩€系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有效考核途徑,對提高武器裝備的可靠性水平起到關(guān)鍵作用。