嵌入式测试在航空电子设备中的设计与实现

何丽 陈波

摘要：随着现代电子技术的快速发展和应用，航空电子设备的性能大大提高，但同时给电子设备带来新的测试和故障诊断问题。为解决电子设备对自身故障的快速诊断和准确定位等问题，航空电子设备引入了嵌入式测试技术来完善机内测试（BIT）。本文从嵌入式测试系统的系统架构、硬件和软件流程等方面，阐述了航空电子设备中嵌入式测试系统的设计和实现，并给出了典型的测试控制和信号采集设计。本文的设计方法已实现工程应用，对提升航空电子设备的自检测及故障诊断能力具有一定的现实意义。

关键词：嵌入式测试；CAN；分布-集中式架构；测试控制单元；MC9S12XF512

中图分类号：V248.9文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.010

随着新技术的不断注入，现代航空电子设备的高集成化、高智能化，以及分析处理问题的高效化特征日益增强，随之而来是系统故障诊断、故障隔离的难度也越来越大，因此，提升航空电子设备的故障诊断能力，实现快速诊断和故障准确定位成为了航空电子设备设计的新需求。

传统的设计中，航空电子设备将内部的测试信号耦合输出至专用的检测接口，借助于外部测试设备来实现故障的检测和隔离，但这样导致航空电子设备的维护测试操作繁琐，保障效率低下，严重影响了飞机的再次出动率。因此，新一代的航空电子设备在设计之初即重点考虑其机内自检的设计，嵌入式系统以其强实时性、可裁剪性、良好的可移植性等突出特点[1]，成为了新一代航空电子设备机内测试方案的首选。

本文主要介绍基于嵌入式系统的典型航空电子设备测试系统的设计与实现，该设计在某航空电子设备中进行了应用，可有效地对设备进行状态监测、故障检测和隔离。

1嵌入式测试系统架构设计

电子设备根据组成的单元特点，其嵌入式测试系统可采用集中式、分布式或分布-集中式的架构来实现[2-4]。通常，复杂的电子设备优选分布-集中式的架构，图1为某航空电子设备采用的分布-集中式测试架构。

在分布-集中式的架构中，除了系统具有嵌入式测试控制处理单元以外，系统各组成模块内部也设计有嵌入式测试控制处理单元，系统层嵌入式测试控制处理单元和各组成模块的嵌入式测试控制处理单元之间通过系统测试总线连接，各部分的主要功能如下。

（1）系统层嵌入式测试控制单元

系统层嵌入式测试控制单元包括测试控制单元和综合诊断单元，主要完成全系统内部各组成单元的嵌入式测试控制、测试数据的综合分析等功能。

（2）模块层嵌入式测试控制处理单元

接收系统层测试控制单元的控制，完成模块内部电路测试信号的调理、采集及数据上报等功能。

（3）系统测试总线

实现系统层嵌入式测试控制单元和各模块嵌入式测试控制处理单元之间测试控制指令、测试数据的传递等功能。

这种分层集成的组织结构，可以综合利用模块层较强的信息获取能力和系统层强大的信息处理能力，从而提高全系统的测试性能。而且，这种嵌入式系统测试结构，既有利于实现横向各模块的并行测试，又便于实现纵向各级测试的复用，从而既提高测试效率，又降低测试成本。

2嵌入式测试系统硬件设计

按照电子设备嵌入式测试系统的架构布局，对嵌入式测试系统开展硬件设计时，也主要从三个部分来进行。

2.1系统测试控制单元的设计

系统测试控制单元需要完成系统测试模式的切换控制，并对来自模块层的大量测试数据进行综合分析，给出最终的诊断结果，因此对控制的时效性、运算处理速度有一定要求，在工程应用中，通常采用嵌入式计算机来作为系统测试控制单元。

2.2系统测试总线的设计

在设计中，我们优选了CAN总线作为系统测试总线，系统的嵌入式测试控制和数据传输均采用CANaerospace協议。CANaerospace被美国国家航空航天局（NASA）标准化为“先进的通用航空运输试验数据总线”，它具有以下特点：（1）采用总线型拓扑结构（见图2），支持多主发送，支持点对点通信和广播数据传输，不需要系统启动过程，避免了由于主站的失败而导致的危险情况；（2）增加了对系统冗余的支持；（3）是一个动态的网络，其总线调度可以在一定的限制之内变化，并支持节点的热插拔；（4）完全开放，便于扩展，允许用户实现自定义的报文类型和协议；（5）完全公开，免费发布全部技术资料，简单易用，便于实现[5-6]。

2.3模块测试控制处理单元的设计

模块测试控制处理单元的架构设计如图3所示，控制处理单元是一个单片机应用系统，其外围模块有电源、存储器、通信协议转换功能电路以及各种测试信号的调理功能电路。

2.3.1控制处理电路的设计

控制处理电路的设计是模块测试控制处理单元的设计重点，在设计中，我们选用Freescale公司的MC9S12XF512单片机作为控制处理器。MC9S12XF512是一个16位器件，由512KB Flash、32KB RAM、4KB EEEPROM组成片内存储器，同时还包括16路12位的ADC、4个通用16位定时器和两个PWM定时器，另外还包含多种标准的通信接口：2路串行外设接口（SPI）、2路I2C、1路CAN和5路UART。MC9S12XF512有48个I/O引脚，每个I/O口分别对应输入/输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口复用，在对同一个I/O口进行操作前要选择其要实现的功能，这样大大增强了端口的功能和灵活性。除此之外，该单片机还具有超低功耗的优点，运行在1MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0.1～280μA。由于MC9S12XF512具有以上的特点，所以选用其作为模块测试控制处理单元的控制处理器芯片[7-8]。

2.3.2 CAN接口电路的设计

CAN总线接口的收发器采用SM1050，在CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，滤除总线上的高频干扰，提高CAN总线的防电磁辐射的能力。收发器SM1050的输出电平为5V，而单片机MC9S12XF512的输入信号电平为3.3V，因此，在电路中利用双通道数字隔离器进行了信号的转换隔离，隔离器选用ADI公司的ADUM1201 ARZ，电路图如图4所示[9-10]。

2.3.3信号测试调理电路的设计

信号测试调理电路需要根据每个模块具体的被测试信号来进行设计。由于控制处理电路的MC9S12XF512具有丰富的采集端口，可实现模拟信号的A/D采集和数字信号的I/O采集，因此，信号测试调理电路只需要针对模块内部的每个被测试信号，将其转换为符合MC9S12XF512端口电平的信号，并将信号输送至MC9S12XF512的对应I/O口即可。

图5为温度传感电路图，利用温度传感器ADT7301 ARMZ对模块内部温度进行采集，并通过串行总线将温度数据传至MC9S12XF512。

图6为射频信号的调理检测电路图，对射频通道上的信号进行耦合，利用检测器件VJJ23M-655对信号进行检波整形，然后将信号送至MC9S12XF512采集量化。

图7为直流电压信号的调理检测电路图，通过分压电阻，将信号转换成符合MC9S12XF512的A/D口输入电压范围的信号后，由MC9S12XF512进行采集量化。

3嵌入式测试系统软件流程设计

嵌入式测试系统的软件开发包括系统层和模块层两个层面，模块层主要实现信号的测量和数据的上报，每个模块需要根据内部的硬件设计来开发对应的测试软件，而系统层软件需要实现全系统测试模式的切换控制、测试数据的查询和汇总分析等，是嵌入式测试系统软件开发的重点，因此，以下主要讲述系统层测试软件的开发。

嵌入式测试系统运行模式如图8所示，测试包括上电测试模式、周期测试模式和维护测试模式。电子设备上电后，自动进入上电测试模式，完成对电子设备的初始测试；上电测试完毕后，自动切换进入周期测试模式，嵌入式测试系统以固定周期对电子设备进行测试，直到嵌入式测试系统接收到维护控制指令、待机控制指令或者停止命令，才终止周期测试；嵌入式测试系统接收到维护模式的指令后，进入维护模式，等待操作人员的选择开展相应的测试，当它接收到切换至正常模式的指令时，将退出维护测试模式，进入周期测试模式；待机模式由操作人员在人机交互界面选择，一旦选择待机模式，嵌入式测试系统将停止测试，处于休眠状态，等待操作人员操作唤醒。

与嵌入式测试系统运行模式对应，嵌入式测试系统软件也分为上电测试软件、周期测试软件和维护测试软件三大部分，各部分的主要流程如下。

（1）上电测试软件流程

上电测试时，系统层测试控制单元首先下发全系统状态查询指令，各模块层测试控制单元对内部状态信号进行采集，并将数据打包上报至系统层测试控制单元，由系统层测试控制单元对所有数据进行汇总分析，综合判断系统内部各模块是否存在故障，如有故障則上报人机交互界面输出，如系统内部各模块状态均正常，则系统层测试控制单元将控制电子设备进入系统功能自检测，此检测需电子设备进入特定的模式，通过对内部各种模块资源进行调度，实现电子设备主要功能，以及内部各模块之间交互信号的测试，在电子设备完成这些交互测试过程中，嵌入式测试系统通过各模块层测试控制单元不断获取电子设备的各种状态参数，通过这些参数来最终判断电子设备的功能是否存在故障，并对故障进行定位和上报。上电测试流程图如图9所示。

（2）周期测试软件流程

周期测试时，系统层测试控制单元以固定周期下发全系统状态查询指令，各模块层测试控制单元对内部状态信号进行采集，并将数据打包上报至系统层测试控制单元，由系统层测试控制单元对所有数据进行汇总分析，综合判断系统内部各模块是否存在故障，如有故障则上报人机交互界面输出。周期测试流程图如图10所示。

（3）维护测试软件流程

维护测试的流程与上电测试流程基本一致，只是由于电子设备上电启动一般有时间限制，因此上电测试流程中只能对电子设备的主要功能进行检测，相比较而言，维护测试的时间限制较宽松，可对电子设备的绝大多数功能进行测试，测试更细致、准确。

4结束语

本文从系统架构、硬件和软件流程三个方面阐述了航空电子设备嵌入式测试系统的设计，该设计已成功应用于某机载电子设备中，与上一代机载电子设备相比，其故障自检测能力明显提升，故障检测率可达85%以上。该嵌入式测试系统具有体积小、智能化程度高和测试效率高等特点，大大增强航空电子设备的自检测诊断能力，对提升航空电子设备的使用保障能力有着重要的意义。另外，该设计思路作为通用设计思路，对其他设备的嵌入式测试系统开发设计也具有借鉴意义。

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作者简介

何丽（1978-）女，学士，高级工程师。主要研究方向：电子装备测试性设计研究、健康管理及故障预测技术研究。

Tel：028-62552829

E-mail：1351900526@qq.com

陈波（1976-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：电子装备综合保障研究、健康管理及故障预测技术研究。

Tel：028-62552844

E-mail：cb123lqh@aliyun.com

Design and Implementation of Embedded Testing in Avionics

He Li*，Chen Bo

Southwest Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China

Abstract： With the development and application of modern electronic technology， the performance of avionics equipment is greatly improved， but it brings the electronic equipment with new problems of fault diagnosis. In order to solve the problems of fault diagnosis and location， embedded test technology is introduced into avionics to improve the BIT. The paper introduces the process of designing and executing the equipment testing system at the view of system architecture，hardware and software. The methods discussed in the paper is helpful to improve the self-test and diagnosis ability of avionics.

Key Words： embedded test； CAN； decentralized-centralized structure； test control unit； MC9S12XF512