基于Labview的故障注入系統

萬義爽 嚴超 王風 劉赟躍

（航空工業特種飛行器研究所 湖北省荊門市 448000）

鐵鳥試驗臺是為了驗證飛機上飛控、液壓和起落架等系統在設計、制造和安裝方面的正確性與可靠性而建立的，在鐵鳥臺上的各類試驗設備是整個鐵鳥試驗系統的核心之一，為了驗證各系統的穩定性和安全性，基于Labview 的故障注入系統通過人為的手段，將試驗系統可能出現的各類故障，注入到需要驗證的目標設備中，加速系統失效的過程，從而能有效地發現常規測試難以出現的故障，高效準確地監測系統漏洞、定位故障位置，分析故障產生原因，提高鐵鳥試驗的正確率和完成率，從而增強飛機各個系統的可靠性和容錯能力。

目前國內外實現故障類型主要有兩種方式，一是通過軟件仿真測試平臺對被測系統進行信號注入；第二種是通過專用的儀器儀表如信號發生器、電阻箱、程控電源等）提供電氣層和協議層的故障注入功能。前者的實現過程涉及多個不同軟件系統的多個環節，主要應用在軟件故障方面，無法注入模擬硬件相關類型的故障信號。后者可實現硬件相關的故障注入，但是對數據流、信息流和控制時序等軟件算法方面的故障注入無法提供可靠的檢測條件，因此針對這種上述情況，本文提出了一種通用型，集成型的故障注入系統應用于鐵鳥試驗臺。

1 系統組成

故障注入系統是由硬件和軟件組成。硬件部分由便攜式計算機、ARINC429 故障注入設備、VDT 故障注入板卡、離散量故障注入板卡、2U 機箱等組成，如表1所示。

表1：故障注入系統硬件表

軟件基于labview 平臺，采用模塊化設計，融合故障診斷的相關算法，集數據仿真、發送、采集、數據處理、控制及通信功能與一體，實現不同類型軟硬件故障的注入、定位和分析。故障注入系統軟件的總體架構如圖1所示，其中包括操作系統層、設備驅動層、數據解析仿真層、數據管理層以及UI 層。

圖1：軟件總體架構圖

設備驅動層：包括板卡驅動軟件，為上層應用軟件提供良好調用接口，實現對硬件設備的輸入，輸出接口控制。

數據解析層：包括總線接口處理模塊主要用于通過調用板卡驅動數據的接收和發送。

數據管理層：實現數據解析層和UI 界面之間的數據交互。

UI 界面層：提供人機交互界面、能夠配合總線接口處理模塊接收數據，完成各系統顯示數據顯示和更新；能夠配合數據處理模塊完成解析各系統數據顯示、能夠操作數據實現增刪改查等操作。能夠手動和按預定程序自動注入故障指令。

故障注入系統的軟件部分是基于Labview 平臺設計，具有良好的人機交互界面，用戶可在故障注入軟件界面上手動或者按預定程序自動執行注入指令，也能通過網絡接收仿真等系統的故障注入指令，完成故障的通道和故障參數。同時故障信號注入完成后，數據分析處理部分可支持自動識別總線信號ICD 文件數據，記錄總線配置，完成Excel、TXT 等格式文件的導入及導出，具體的局部設計程序見圖2所示。

圖2：故障注入系統軟件結構圖

2 工作原理

在鐵鳥試驗平臺上，故障注入系統處于現場信號源與通用信號采集單元中間，是一套完整獨立的系統，其實現的基本功能分四大類：

（1）常見信號類型如正弦波信號、三角波信號、自定義信號等；

（2）物理層故障如信號通斷故障、欠壓故障燈等，系統配置直流穩壓電源，可通過跳線方式給機載被試件設置欠壓故障；

（3）電氣層故障注入系統，故障注入系統支持產生錯誤的VDT、旋變信號通過跳線方式給機載被試件設置VDT、旋變、噪聲模擬、幅值拉偏、斜坡模擬、頻率拉偏等故障；

（4）協議層故障注入系統，ARINC429 故障注入設備可以產生信號受干擾情況下的429 總線信號，通過跳線方式機載被試件設置總線干擾故障。

故障注入系統采用便攜式系統架構，通過跳線實現和機電試驗器、航電試驗器、飛控試驗器和其他試驗設備上的斷連塊進行相互連接，對機電試驗器、航電試驗器、飛控系統試驗器等進行故障注入。

首先故障注入系統軟件啟動后各模塊進行內部自檢，若自檢通過進入系統主界面，若自檢不通過提示系統故障信息，需要人工檢測硬件，排查問題后重啟軟件。故障注入系統故障信號注入的流程及信號發生流程如圖3所示。

圖3：故障注入系統信號注入流程圖

設備軟件操作流程如下所示：

步驟一：連接故障注入系統與需注入故障的設備；

步驟二：設備上電。給故障注入設備上電，啟動故障注入計算機及調理箱；

步驟二：啟動故障注入系統軟件，檢查故障系統是否處于正常狀態；

步驟四：選擇故障類型、注入信號名稱及注入通道；

步驟五：執行故障注入操作；

步驟六：在界面觀察故障注入信號的曲線信息；

步驟七：觀察被注入故障的設備運轉情況；

步驟八：保存數據，分析試驗結果。

3 幾種典型故障信號

在實際應用中，故障注入系統中的電氣層故障信號和標準信號注入是應用最廣泛，電氣層通常有電壓閾值調整、共模幅度調整、電壓閾值調整、占空比調整、上升沿/下降沿斜率等故障類型的信號，通過對該層的故障信號進行測試，驗證是否滿足功能要求。

3.1 離散信號輸出模塊

故障注入系統中的離散量輸出界面見圖8，在離散量信號輸出模塊中，每個通道中左側藍色為離散量采集模塊，右側橙色為離散量輸出模塊，該模塊使用方法如圖4。

圖4：離散量信號輸出界面

（1）將連接線纜接入信號調理接線箱中，接線箱前面板離散量模塊中左側輸入信號，右側為輸出模塊；

（2）打開故障注入系統軟件；

（3）點擊“離散量信號輸出”按鈕；

（4）查看接入通道信號狀態，并記錄；狀態顯示說明如下：

（5）點擊對應通道中輸出通道，可改變當前輸出通道狀態；

（6）使用數字萬用表測試輸出通道，記錄不同輸出狀態值；

（7）重復以上步驟進行不同頻率測試；

（8）當處于接通狀態時，數字萬用表有蜂鳴聲。

3.2 標準波形輸出模塊

故障注入系統中可仿真正弦信號、方波信號、三角波信號、自定義波形信號，通過對其波形的頻率、幅值、偏移量進行檢測設置，其中故障注入系統設計的自定義信號針對非常規信號故障，通過人為設定的信號幅值，周期，數據點進行設計，來檢測試驗設備的穩定性，信號注入過程如圖5所示。

圖5：自定義波形顯示界面

3.3 ARINC 429信號模塊測試

故障注入系統中的ARINC 429 信號模塊中包含總線同步頭故障，總線數據位數故障、總線奇偶校驗位故障、總線數據替換，通過對ARINC 429 信號中的總線同步頭故障進行信號注入，檢測ARINC 429 信號的功能，測試過程如圖6所示。

圖6：ARINC 429 信號模塊界面

（1）打開故障注入系統軟件；

（2）點擊“ARINC429”按鈕；

（3）點擊設備連接按鈕，點擊設備通道按鈕；

（4）在設備通道參數面板進行設置參數，數據位反轉區域中1～8 為總線同步頭故障設置（即ARINC429 總線Lable 設置）；

（5）點擊發送按鈕，點擊示波器按鈕，在示波器界面中查看波形；

（6）如果曲線波形中所顯示的1-8 同步頭位，數據由0變為1，即合格。

4 實際應用

在鐵鳥試驗臺的建設中，故障注入系統全程應用于鐵鳥試驗臺的設備研制、安裝調試、設備運行的全過程，整體的設計架構見圖7所示。首先，故障注入系統的上位機與硬件之間采用以太網進行數據通信，在現有的拓撲連接基礎上通過以太網模塊接入到鐵鳥試驗臺的試驗網絡中，然后雙方協調好UDP 協議的通信指令，以接收試驗管理系統的配置與管控，在故障注入系統的上位機中設置好通道選擇，故障類型、時間設置，故障信號參數以及網絡參數的設置，在試驗掛你系統的控制下，根據不同的現場信號采用對應方式的故障注入，完成對各個試驗設備的遠程故障注入。其中故障注入軟件在實現信號通斷注入延遲小于500ms 外，其余故障注入延遲小于100ms。

圖7：故障注入系統應用方式圖

信號注入的同時，通過故障注入系統進行通道數據監控、數據采集單元上傳的數據以圖形或者表格的形式顯示，能夠提供歷史數據存儲和查詢，按照時間順序進行存儲與查詢，能夠提供簡單的故障分析和定位功能。

5 結論

本文設計的故障注入系統以試驗設備為基礎，將串聯進現場信號與目標設備中間，融合可擴展性技術、通用模塊設計技術、系統集成化技術等多種關鍵性技術構成的通用性系統，對鐵鳥臺的試驗系統的抗干擾性、穩定性、容錯能力、魯棒性的檢測起到關鍵性作用，加速了鐵鳥臺的建設，同時節省了更多的時間和人力成本。