一种多类型总线故障注入系统设计*

2018-12-21徐宏伟黎玉刚靳秋红

弹箭与制导学报 2018年2期

荆广,徐宏伟,黎玉刚,李平,靳秋红

(西安现代控制技术研究所,西安 710065)

0 引言

电气系统作为导弹武器系统的重要组成部分,承担着系统各部件之间数据交互的任务。早期武器系统各部件间大多通过模拟量进行信息交互,随着通信数据量越来越庞大,传统的信息交互方式已经满足不了武器系统信息交互需求,逐渐应用总线作为通信媒介。

导弹武器系统工作环境恶劣、配线网络结构复杂,当故障发生时,需要对故障进行准确的定位与故障排除。在排故的过程中为了能对故障进行准确定位,一般向目标系统主动注入标准激励,观察系统在标准激励下的响应能否复现试验中的故障。现通过故障注入的方法主动向武器系统注入特定的总线类故障,通过判断系统的响应实现总线故障定位和排查。

现有的故障注入方法多针对单一总线类型进行故障注入。文献[1]、文献[2]分别描述了1553B总线和ARINC429总线的故障注入方法,分别对电气层、物理层、协议层的故障实现方法进行介绍;文献[3]利用dSPACE平台对CAN总线进行故障注入仿真研究,故障注入类型为物理层的短路、断路与短接。

现武器系统中含多种总线类型,需要同时对多种总线类型进行故障注入测试。文中设计了针对多种总线的电气故障注入系统,总线类型包含导弹武器系统常用的CAN、ARINC429、RS422和以太网等通讯介质,实现从电气层、协议层的故障注入。

1 故障注入工作原理

对于总线的故障注入首先对原始总线信号A进行AD采样,将连续时间域上的模拟信号转换成离散时间域上的离散信号,将采样后的离散信号进行解析,通过对解析后的离散信号进行相应算法处理,实现电气层与协议层的故障注入。对目标信号完成故障注入后,将注入电气层、协议层故障的信号进行合成,对合成后的离散信号完成DA变换,将离散信号转换为连续时间域上的模拟信号B,实现对总线信号的故障注入[4]。故障注入原理图如图1所示。

图1 故障注入原理图

针对RS422、CAN、A429、以太网的故障注入实现:

1)对RS422电气层可实现差分信号幅值的调节,RS422协议层实现起始位翻转、数据位替换、奇偶校验位替换、停止位替换等故障。

2)对A429电气层实现信号幅值调节、信号速率调节;A429协议层实现同步头反向、数据替换、指定位编码极性故障。

3)对CAN电气层实现终端匹配电阻调节、CANH/CANL信号线上/下拉电阻故障、内部电源故障;CAN协议层实现自定义发送波特率、发送错误帧等故障。

4)对以太网电气层实现正负信号线同时叠加直流量、TX/RX差分信号提供叠加的共模电压;以太网协议层对IP层/UDP或TCP校验错误测试、MAC头部的SOURCE-Address不正确测试、报文长度错误测试等故障。

2 系统总体方案设计

多类型总线的电气故障注入系统包含故障注入设备和信号激励与采集设备两部分,具有针对RS422、CAN、ARINC429和以太网的物理层、电气层、协议层的故障注入功能。该系统方案如图2所示。

图2 系统方案

故障注入系统的硬件部分由故障注入单元、故障注入接口面板、信号采集单元、信号采集接口面板组成;

1)故障注入单元通过通讯网络接收故障注入软件发出的故障指令,完成相应的故障注入算法,通过故障注入接口面板实现对总线系统的故障注入;

2)信号采集单元通过各种I/O接口实时采集各类信号,基于ICD协议格式实时解析原始报文,实时还原各种物理量和工程值;

3)故障注入面板实现故障注入单元与待测武器系统的接口连接与信息交互;

4)信号采集面板通过I/O接口实现对故障注入单元输出信号的采集。

故障注入系统软件部分由故障注入软件、信号激励与采集软件组成。

1)故障注入软件用于故障模式设置、试验管理、设备管理等;

2)信号激励与采集软件实现标准信号的激励与对目标信号的采集与显示,信号激励用于故障注入时标准信号的替代。

系统总体架构图如图3所示。

图3 系统总体架构

3 故障注入单元设计

故障注入单元是故障注入系统的核心部件,是完成故障注入功能的主要执行单元。

3.1 故障注入单元组成

多类型总线故障注入单元由RS422故障注入子单元、CAN总线故障注入子单元、A429故障注入子单元、以太网故障注入子单元组成。多类型总线故障注入单元组成如图4所示。

图4 故障注入单元硬件组成图

各种总线信号的故障注入子单元采用同样的体系结构,由数据采集单元、故障注入核心处理单元与数据输出单元组成,详见图5。

图5 故障注入子单元信号流向图

数据采集单元使用单通道、100 MHz采样率、16 bit分辨率的高速AD对总线信号进行采样,同时采用高速、大容量数据存储器,实现对大数据量的总线信号的高精度采集与存储。数据采集单元接收到接口电路输出的总线信号后对其进行采样,将模拟信号转化为数字信号,为后续物理层和电气层的故障注入做准备[5];故障注入核心处理单元根据上位机的故障指令完成电气层和协议层的故障注入算法;数据输出模块应用高速DA将注入故障后的数字信号转化为模拟信号输出至外部接口模块。各类故障注入子单元信号流向图如图5所示。

3.2 多类型总线故障注入单元硬件主要连接关系

多类型总线故障注入单元的搭建将各种总线类型的故障注入子单元并行连接到以太网,上位机通过以太网分别对各总线类型的故障注入子单元进行全局控制,不同总线故障注入子单元之间可独立工作。多类型总线故障注入单元连接关系如图6所示。

图6 多类型总线故障注入单元连接关系

4 系统软件设计

多类型总线故障注入系统软件部分由故障注入上位机软件与信号激励与采集软件组成。

4.1 故障注入软件设计

故障注入软件(FIDS软件)采用Java语言以Eclipse插件开发的模式进行开发,与下位机(故障注入设备)采用UDP协议进行通信,下位机的工作指令集封装在UDP报文中。该软件主要功能包含项目信息管理、故障参数配置、设备自检和复位、健康监控和日志管理等。软件结构框图如图7所示。

图7 故障注入软件结构框图

故障注入软件运行流程如下:

1)开启故障注入软件后首先进行自检;

2)如果设备完好,应用软件将连接到故障注入系统中的所有故障注入设备进行显示,用户可以对系统中的各个设备进行配置;

3)配置完成后,软件按照配置好的流程进行故障自动化注入测试;

4)最后将测试的结果进行分析与存储。

故障注入软件测试流程图如图8所示。

4.2 信号激励与采集软件设计

信号激励与采集软件由信号激励模块和信号采集模块组成。

4.2.1 信号激励模块

信号激励前需要定义ICD信息及分配I/O资源。I/O资源的分配模块采用Java语言以Eclipse插件开发的模式进行开发,同时完成与控制网络的数据交互。信号激励流程如图9所示。

图8 测试流程图

图9 信号激励流程图

4.2.2 信号采集模块

信号采集模块通过各种I/O接口实时采集各类信号,基于ICD协议格式实时解析原始报文,实时还原各种物理量和工程值。具体功能有:I/O接口数据采集;数据存储,将采集到的数据存储到服务器;对原始数据解析,以曲线仪表、多视图虚拟仪表等形式展示数据;试验记录回放,数据导出等。

5 总线故障注入系统的应用案例

多类型总线故障注入系统可以在系统集成联试时对不同分系统的多种总线同时进行故障注入实验,可以根据需求在系统工作时对不同总线注入不同类型的故障,实时采集总线输出数据并监测武器系统的工作情况。

例如某导弹武器系统地面单元与弹体利用CAN总线通信,弹上部件之间利用RS422通信,现要对系统中包含RS422和CAN通信链路在内的多个关键点进行故障注入测试。将测试系统按照图10方式连接,在系统测试点将总线信号引入故障注入设备对其进行故障模拟,将注入故障后的总线信号一路返回到武器系统中,一路接入信号采集设备对其进行实时监测。系统连接关系图如图10所示。