机载电子硬件研制实验教学设计与探索

田毅 史春蕾 赵长啸 任升 汪克念

[摘 要] 针对学生在“航空电子系统设计技术”课程学习中存在的重设计技术轻过程控制问题，按照新工科理念，用一个完整的设计、管理工程实验，展示了整个设计生命周期过程全貌。将机载电子硬件研制中的计划过程、设计过程、支持过程、适航审查等知识点融入研制实验、划分角色，依据学生的兴趣与专业方向分配不同的实验任务，教师引领完成实验内容并进行点评。通过实验解决了设计保证方法抽象不易理解的问题，提升了学生学习兴趣。实验教学也促进了学生构建全面的系统工程思维。

[关键词] 过程保证;机载电子硬件;适航

[基金项目] 2020年度中国民航大学教育教学改革与研究项目“‘航空电子系统设计技术行业特色课程教材建设”（2020-C2-36）

[作者简介] 田 毅（1983—），男，陕西汉中人，硕士，中国民航大学安全科学与工程学院副研究员，主要从事飞行器适航技术、机载电子硬件适航审定研究。

[中图分类号] G642.423   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）34-0139-04   [收稿日期] 2021-04-17

一、引言

随着航空电子系统设计的日趋复杂和高度集成化，尤其是机载软件和复杂电子硬件的大量使用，使得设计的产品仅通过穷举测试难以发现问题、剔除设计缺陷，无法恰当地向审查机构表明适航符合性。为了保证复杂机载电子产品满足适航要求，航空工业界提出基于过程控制的设计保证方法。该方法依据功能项的研制保证等级提出过程控制目标，通过相应的技术和管理手段保证产品符合相应的目标，以满足产品的适航要求。

航空电子系统设计与适航符合性方法相关课程，主要是面向航空器适航审定工程专业机载系统与设备适航审定方向硕士研究生及安全科学与工程专业本科生开设，内容涉及当前先进的航空电子系统研制的各个方面，包括了机载系统研制、综合模块化航电系统、机载软件、机载电子硬件、航空数据总线的适航要求及设计技术。而基于过程控制的设计保证方法是整个课程的重要内容，要求学生能够站在系统工程的角度理解系统、设备和部件的研制，授课难点在于知识面广、知识抽象、需要平衡理论与实践、知识更新快、学生背景知识差异大[1]。学生在学习中容易关注课程中提到的需求分析、系统分析、方案设计、集成、试验等技术内容，而忽视了对于计划、需求管理、构型管理、质量管理、数据管理、审核、决策分析等过程控制管理的理解，错误地认为过程控制可有可无。另外，学生对于适航审定过程，仅通过面授学习难以深刻理解其工作过程。

教研团队通过开发机载电子硬件研制实验，面向工程和适航审查中的实际问题进行工程驱动式教学，通过适航符合性资料编写、硬件开发、硬件验证、模拟审查等实践内容，使学生体验基于过程控制的设计保证方法，促进学生对于知识的掌握。

二、授課要点分析

对于机载电子硬件而言，航空无线电技术委员会（RTCA）的DO-254标准（《机载电子硬件设计保证指南》）是审查机构通过咨询通告公开接受的基于过程控制的设计保证方法[2] （P12）。按照该标准的定义，硬件设计生命周期过程包括硬件计划过程、硬件设计过程和支持过程[3]。计划过程主要是定义硬件设计活动和支持过程活动;设计过程包括需求捕获、概念设计、详细设计、设计实现和试生产五个阶段，在实际中按照不同开发模型，各个阶段可迭代;支持过程保证产生硬件设计生命周期数据的正确性及可控性，包括确认与验证（V&V）、构型管理、过程保证和审定联络。另外，按照审定机构的审查实践[4]，将硬件审查分为四个介入阶段（SOI），包括硬件计划评审（SOI#1）、硬件设计评审（SOI#2）、硬件验证评审（SOI#3）、最终评审（SOI#4）。

典型机载电子硬件设计生命周期活动教学知识点包括：（1）面向全设计生命周期过程的配置管理（构型标识、基线管理、问题报告、更改控制、发布、恢复、数据保持、未授权更改的保护、介质选择、更新和复制），质量保证（评审、现场检查、审核）;（2）计划过程（定义硬件设计生命周期、转换准则、开发与验证环境，计划评审、SOI#1审查）;（3）需求捕获过程（需求编制与管理、需求确认）;（4）概念设计过程（硬件架构的表达、设计评审、分析）;（5）详细设计过程（设计数据的实现，硬件编码验证和SOI#2评审）;（6）设计实现过程（位流文件生成，硬件调试和测试，SOI#3评审）;（7）试生产（生成制造数据，符合性声明，SOI#4评审）。

针对上述知识点，提出实验教学课程开发思路：以完整体现整个硬件设计生命周期过程的案例为主线，穿插资料编写、模拟审查等内容，充分利用实验室资源开展代码设计、验证实施，使学生直观认识基于过程控制的设计保证方法及设计技术的使用。

三、实验教学内容设计

实验教学内容应该以现有实验条件为基础，涵盖主要的硬件生命周期过程，并较为全面地展现出整个适航取证环节。课程选定航空数据总线接口模块电路为实验对象，设计一个可复用的知识产品（IP）软核，研制保证等级（DAL）按照A级设计。实验对象主要功能是实现速率为115200bps的RS232接口到100kbps的ARINC429接口的数据收发转换电路。

航空数据总线接口模块电路研制实验主要的实验项如图1所示。实验内容以硬件研制生命周期为主线，包括关键数据编制、需求管理、编码、确认与验证、构型管理、过程保证、设计追溯以及适航审查等内容，将相关的知识点融入实验中。

四、实验教学开展

（一）教学方法

实验依据各硬件研制生命周期过程模块化设置。教师预先完成整个实验，并形成演示案例。依据每个研制过程阶段设计一次授课内容，并根据学生情况拓展或整合实验。在每次教学中，首先，教师对本次实验相关研制阶段基础理论、适航要求、工具使用进行讲解，演示实验内容;其次，学生按照分组完成实验，编制阶段性资料;再次，学生对当前研制阶段工作进行汇报，教师组织开展转阶段评审及模拟适航审查;最后，教师对本次实验进行总结点评。