基于冗余设计的模拟器座舱故障定位方法

杨衍舒，孙双双，王 云，韩 立，张志强

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

基于冗余设计的模拟器座舱故障定位方法

杨衍舒，孙双双，王 云，韩 立，张志强

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

飞行训练模拟器座舱集成众多电气设备，在电气设备发生故障时，需快速而准确地将其定位，因此，需要逐步对座舱所有电气设备进行测试。但此过程涉及设备众多，故障定位工作量大且缓慢。本文提出一种基于冗余设计思想的故障定位方法，以此思想构建的模拟器座舱测试系统能够精准迅速定位电气设备故障，从而大大节省故障排查时间，提高故障定位的效率。

模拟器座舱；冗余设计；故障定位；控制盒

0 引言

飞行训练模拟器座舱是飞行训练模拟器的一个重要组成部分，主要为飞行员提供一个真实的座舱环境[1]。

模拟器座舱主要由座舱结构、电气设备、操纵机构、传感器、飞行员座椅、座舱接口箱等组成，而电气设备主要由众多控制盒组成。控制盒连接通路复杂且分布广，极易出现可靠性问题。在座舱电气设备出现故障时，需对座舱进行测试，进而实现电气设备的故障定位。但是对众多座舱电气设备进行测试的工作量庞大，故障定位更是耗时颇多。

冗余设计是指系统通过多种途径完成一种规定功能的方法[2]。为了故障定位的快速性和精确性，本文提出了基于冗余设计的故障定位方法，通过多种途径和接口对模拟器座舱进行测试，从而能够快速准确地定位电气设备的故障。

1 基于冗余设计的测试系统

为了实现对模拟器座舱设备级的故障定位，本文专门设计了模拟器座舱测试系统。模拟器座舱测试系统采用一台专门定制的笔记本电脑作为测试设备。

由于座舱电气设备由CAN总线、控制盒、数据采集设备组成，因此本文采用3种途径的冗余测试来定位故障。

1)通过数据采集设备进行测试；

2)通过单路CAN总线对单个控制盒进行测试；

3)通过多路CAN总线同时对座舱所有控制盒进行测试。

1.1 测试设备

本文的测试设备采用加固的一体化计算机，集成了高速网卡、PCI高速CAN卡，如图1所示。

1)2个PCI的CAN卡，每块卡可提供4路CAN总线；

2)2路航插：1路24V供电引出CAN1信号，1路引出四路CAN信号；

3)2个千兆以太网卡。

因此，测试系统不仅具备高速的网络通讯能力，而且具备高速的CAN总线数据采集能力。此外，对测试设备的抗震、抗压、抗高温作了特殊要求。对测试设备的定制设计确保了测试设备在现场的可靠性、实用性。

1.2 测试原理

座舱测试设备不仅可以通过数据采集系统测试座舱电气设备，而且可以通过测试设备集成的CAN卡测试座舱电气设备。测试系统组成原理如图2所示。

2 冗余设计

冗余设计是通过在产品中针对规定任务增加更多的功能通道，以保证在有限数量的通道失效的情况下，系统仍然能够完成规定任务。座舱测试系统通过冗余设计的思想来达到设备级故障的定位，冗余设计采用3种测试模式，在不同模式下测试座舱电气设备，能够将座舱存在的电气故障最终确定在具体总线、具体控制盒、具体部件。

座舱测试系统有3种测试模式，通过3个不同接口连接。

1)测试模式1：通过以太网连接数据采集系统进行测试；

2)测试模式2：通过CAN1总线接口连接单个控制盒进行测试；

3)测试模式3：通过CAN1～CAN4总线接口连接座舱进行测试。

2.1 测试模式1

测试模式1是通过以太网发送网络数据到数据采集系统，从而将数据发送到座舱电气设备，以测试座舱控制盒的显示是否正确；同时测试系统通过以太网接收来自数据采集系统的网络数据，读取控制盒的开关按钮状态及查询信息。测试模式1连接示意如图3所示。

2.2 测试模式2

测试模式2是通过CAN1接口将数据发送到座舱电气设备，以测试座舱控制盒的显示是否正确；同时测试设备通过CAN1总线读取控制盒的开关按钮状态及查询信息。测试模式2连接示意如图4所示。

2.3 测试模式3

测试模式3是通过CAN1～CAN4接口将数据发送到座舱电气设备，以测试座舱所有控制盒的显示是否正确；同时测试设备通过CAN1～CAN4总线接口读取控制盒的开关按钮状态及查询信息。测试模式3连接示意如图5所示。

3 故障定位方法

本文故障定位方法是基于冗余设计的思想，在构建的模拟器座舱测试系统中，利用数据采集设备和定制的测试设备，实现了硬件冗余的方式。模拟器座舱故障的快速精确定位的实现，不仅需要硬件架构的支持，而且需要软件设计的支持[3]。本文开发的座舱测试软件运行在测试设备，主要实现对测试设备及数采设备所采集数据的直观显示。

3.1 测试流程

为了测试座舱电气设备，在电气设备出现故障时准确定位，在每种测试模式下，可以将测试流程分为如下过程。

1)通过判断总线工作状态，测试各路总线是否工作正常；

2)通过接收总线控制盒数据包，测试各控制盒是否工作正常；

3)通过CAN总线接收各控制盒数据包，显示各开关、按钮等状态；

4)通过CAN总线发送标准数据包，测试其显示/指示是否正确。

通过在不同测试模式下，按照以上流程进行测试，模拟器座舱测试系统已经从3种不同的接口和途径测试了模拟器座舱所有控制盒、所有的总线通讯以及数据采集系统。冗余设计的方法从多种接口对模拟器座舱电气设备进行了测试，使得故障定位更加精准。

3.2 定位总线故障

在飞行模拟器座舱中，分布4条总线，每条总线挂载控制盒，定位模拟器座舱故障首先从定位总线故障进行基本定位。

在测试软件中，采用指示灯的显示方式指示各路总线的工作状态，如图6所示。通过测试软件的总线状态指示，可以判断连接测试设备的4路总线和连接数据采集设备的4路总线是否存在故障。

3.3 定位控制盒通讯故障

在确定模拟器座舱总线无故障的情况下，需要将故障定位在模拟器座舱中数量众多的控制盒中。

在三种测试模式下，如果能够采集到控制盒的数据，则控制盒通讯正常，反之，控制盒通讯故障。

在测试软件中，采用指示灯的显示方式指示每个控制盒的通讯状态，如图7所示。如果三种测试模式下的控制盒通讯都发生故障，则该控制盒通讯故障。如果三种测试模式的测试结果不一致，则可以将故障定位在模拟器座舱环境，包括电气环境和通讯环境。

3.4 定位控制盒部件故障

在确定模拟器座舱各路总线和所有控制盒通讯均无故障的情况下，需要将故障定位在模拟器座舱控制盒的某个部件中，具体到开关、旋钮或指示灯等。

在三种测试模式下，如果控制盒某开关旋钮状态与测试软件显示的状态一致，则控制盒该部件无故障，反之，控制盒该部件故障。在测试软件中，采用可视化界面的显示方式，显示控制盒的开关旋钮状态，如图8所示。

定位控制盒某个部件的故障，不仅需要采集控制盒的开关旋钮状态，而且需要发送总线数据包，测试控制盒的显示部件是否故障，显示部件包括指示灯、字符点阵、仪表指示等。

在三种测试模式下，如果座舱控制盒某部件的显示与测试软件中显示的一致，则控制盒该部件无故障，反之，控制盒该部件故障。在测试软件中，采用可视化的界面操作方式，操作界面驱动控制盒的部件显示，如图9所示。

4 结语

本文首先提出将冗余设计的思想应用于模拟器座舱的故障定位，形成了基于冗余设计的故障定位方法。其次，为了实现该故障定位方法，设计了模拟器座舱测试系统，并进行了冗余设计，采用3种不同的测试模式。

最后，本文对故障定位的方法进行了详细阐述，设计了测试流程，并结合座舱测试软件，对模拟器座舱具体故障定位进行了详细的分析。

[1]田涌，邵山，张雷.飞行品质模拟器设计[J].电光与控制，2010，17(6)：89-91.

[2]孙乐益.嵌入式系统的冗余设计研究[J].数字技术与应用,2010（10）.

[3]任献彬.自动测试系统故障诊断功能的实现，电子测量技术,2006（6）.

>>>作者简介

杨衍舒，男，1988年10月出生。2013年毕业于南京理工大学，工程师，现从事飞机仿真技术研究和飞行训练模拟器设计工作。

Fault-locating Method for Simulator Cockpit Based on Redundancy Design

Yang Yanshu,Sun Shuangshuang,Wang Yun,Han Li,Zhang Zhiqiang
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

The flight training simulator cockpit integrates numerous electric devices which once fail,a quick and accurate location is needed.Therefore,all the electric devices should be tested step by step.However,it involves numerous devices,fault-locating is huge and slow work.This article proposes a fault-locating method based on redundancy design principle.Simulator cockpit testing system built on the basis of the principle could give a quick and accurate location for electric device failure.Thus it saves much time for troubleshooting and improves faultlocating efficiency.

Simulator cockpit;Redundancy design;Fault-locating;Control box

2017-03-30）