一種多類型總線故障注入系統設計*

2018-12-21 02:55徐宏偉黎玉剛靳秋紅

彈箭與制導學報 2018年2期

荊廣,徐宏偉,黎玉剛,李平,靳秋紅

(西安現代控制技術研究所,西安 710065)

0 引言

電氣系統作為導彈武器系統的重要組成部分,承擔著系統各部件之間數據交互的任務。早期武器系統各部件間大多通過模擬量進行信息交互,隨著通信數據量越來越龐大,傳統的信息交互方式已經滿足不了武器系統信息交互需求,逐漸應用總線作為通信媒介。

導彈武器系統工作環境惡劣、配線網絡結構復雜,當故障發生時,需要對故障進行準確的定位與故障排除。在排故的過程中為了能對故障進行準確定位,一般向目標系統主動注入標準激勵,觀察系統在標準激勵下的響應能否復現試驗中的故障?，F通過故障注入的方法主動向武器系統注入特定的總線類故障,通過判斷系統的響應實現總線故障定位和排查。

現有的故障注入方法多針對單一總線類型進行故障注入。文獻[1]、文獻[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、協議層的故障實現方法進行介紹;文獻[3]利用dSPACE平臺對CAN總線進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。

現武器系統中含多種總線類型,需要同時對多種總線類型進行故障注入測試。文中設計了針對多種總線的電氣故障注入系統,總線類型包含導彈武器系統常用的CAN、ARINC429、RS422和以太網等通訊介質,實現從電氣層、協議層的故障注入。

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進行AD采樣,將連續時間域上的模擬信號轉換成離散時間域上的離散信號,將采樣后的離散信號進行解析,通過對解析后的離散信號進行相應算法處理,實現電氣層與協議層的故障注入。對目標信號完成故障注入后,將注入電氣層、協議層故障的信號進行合成,對合成后的離散信號完成DA變換,將離散信號轉換為連續時間域上的模擬信號B,實現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、以太網的故障注入實現:

1)對RS422電氣層可實現差分信號幅值的調節,RS422協議層實現起始位翻轉、數據位替換、奇偶校驗位替換、停止位替換等故障。

2)對A429電氣層實現信號幅值調節、信號速率調節;A429協議層實現同步頭反向、數據替換、指定位編碼極性故障。

3)對CAN電氣層實現終端匹配電阻調節、CANH/CANL信號線上/下拉電阻故障、內部電源故障;CAN協議層實現自定義發送波特率、發送錯誤幀等故障。

4)對以太網電氣層實現正負信號線同時疊加直流量、TX/RX差分信號提供疊加的共模電壓;以太網協議層對IP層/UDP或TCP校驗錯誤測試、MAC頭部的SOURCE-Address不正確測試、報文長度錯誤測試等故障。

2 系統總體方案設計

多類型總線的電氣故障注入系統包含故障注入設備和信號激勵與采集設備兩部分,具有針對RS422、CAN、ARINC429和以太網的物理層、電氣層、協議層的故障注入功能。該系統方案如圖2所示。

圖2 系統方案

故障注入系統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絡接收故障注入軟件發出的故障指令,完成相應的故障注入算法,通過故障注入接口面板實現對總線系統的故障注入;

2)信號采集單元通過各種I/O接口實時采集各類信號,基于ICD協議格式實時解析原始報文,實時還原各種物理量和工程值;

3)故障注入面板實現故障注入單元與待測武器系統的接口連接與信息交互;

4)信號采集面板通過I/O接口實現對故障注入單元輸出信號的采集。

故障注入系統軟件部分由故障注入軟件、信號激勵與采集軟件組成。

1)故障注入軟件用于故障模式設置、試驗管理、設備管理等;

2)信號激勵與采集軟件實現標準信號的激勵與對目標信號的采集與顯示,信號激勵用于故障注入時標準信號的替代。

系統總體架構圖如圖3所示。

圖3 系統總體架構

3 故障注入單元設計

故障注入單元是故障注入系統的核心部件,是完成故障注入功能的主要執行單元。

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構,由數據采集單元、故障注入核心處理單元與數據輸出單元組成,詳見圖5。

圖5 故障注入子單元信號流向圖

數據采集單元使用單通道、100 MHz采樣率、16 bit分辨率的高速AD對總線信號進行采樣,同時采用高速、大容量數據存儲器,實現對大數據量的總線信號的高精度采集與存儲。數據采集單元接收到接口電路輸出的總線信號后對其進行采樣,將模擬信號轉化為數字信號,為后續物理層和電氣層的故障注入做準備[5];故障注入核心處理單元根據上位機的故障指令完成電氣層和協議層的故障注入算法;數據輸出模塊應用高速DA將注入故障后的數字信號轉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,上位機通過以太網分別對各總線類型的故障注入子單元進行全局控制,不同總線故障注入子單元之間可獨立工作。多類型總線故障注入單元連接關系如圖6所示。

圖6 多類型總線故障注入單元連接關系

4 系統軟件設計

多類型總線故障注入系統軟件部分由故障注入上位機軟件與信號激勵與采集軟件組成。

4.1 故障注入軟件設計

故障注入軟件(FIDS軟件)采用Java語言以Eclipse插件開發的模式進行開發,與下位機(故障注入設備)采用UDP協議進行通信,下位機的工作指令集封裝在UDP報文中。該軟件主要功能包含項目信息管理、故障參數配置、設備自檢和復位、健康監控和日志管理等。軟件結構框圖如圖7所示。

圖7 故障注入軟件結構框圖

故障注入軟件運行流程如下:

1)開啟故障注入軟件后首先進行自檢;

2)如果設備完好,應用軟件將連接到故障注入系統中的所有故障注入設備進行顯示,用戶可以對系統中的各個設備進行配置;

3)配置完成后,軟件按照配置好的流程進行故障自動化注入測試;

4)最后將測試的結果進行分析與存儲。

故障注入軟件測試流程圖如圖8所示。

4.2 信號激勵與采集軟件設計

信號激勵與采集軟件由信號激勵模塊和信號采集模塊組成。

4.2.1 信號激勵模塊

信號激勵前需要定義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插件開發的模式進行開發,同時完成與控制網絡的數據交互。信號激勵流程如圖9所示。

圖8 測試流程圖

圖9 信號激勵流程圖

4.2.2 信號采集模塊

信號采集模塊通過各種I/O接口實時采集各類信號,基于ICD協議格式實時解析原始報文,實時還原各種物理量和工程值。具體功能有:I/O接口數據采集;數據存儲,將采集到的數據存儲到服務器;對原始數據解析,以曲線儀表、多視圖虛擬儀表等形式展示數據;試驗記錄回放,數據導出等。

5 總線故障注入系統的應用案例

多類型總線故障注入系統可以在系統集成聯試時對不同分系統的多種總線同時進行故障注入實驗,可以根據需求在系統工作時對不同總線注入不同類型的故障,實時采集總線輸出數據并監測武器系統的工作情況。

例如某導彈武器系統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,現要對系統中包含RS422和CAN通信鏈路在內的多個關鍵點進行故障注入測試。將測試系統按照圖10方式連接,在系統測試點將總線信號引入故障注入設備對其進行故障模擬,將注入故障后的總線信號一路返回到武器系統中,一路接入信號采集設備對其進行實時監測。系統連接關系圖如圖10所示。