基于Labview的故障注入系统

万义爽 严超 王风 刘赟跃

（航空工业特种飞行器研究所 湖北省荆门市 448000）

铁鸟试验台是为了验证飞机上飞控、液压和起落架等系统在设计、制造和安装方面的正确性与可靠性而建立的，在铁鸟台上的各类试验设备是整个铁鸟试验系统的核心之一，为了验证各系统的稳定性和安全性，基于Labview 的故障注入系统通过人为的手段，将试验系统可能出现的各类故障，注入到需要验证的目标设备中，加速系统失效的过程，从而能有效地发现常规测试难以出现的故障，高效准确地监测系统漏洞、定位故障位置，分析故障产生原因，提高铁鸟试验的正确率和完成率，从而增强飞机各个系统的可靠性和容错能力。

目前国内外实现故障类型主要有两种方式，一是通过软件仿真测试平台对被测系统进行信号注入；第二种是通过专用的仪器仪表如信号发生器、电阻箱、程控电源等）提供电气层和协议层的故障注入功能。前者的实现过程涉及多个不同软件系统的多个环节，主要应用在软件故障方面，无法注入模拟硬件相关类型的故障信号。后者可实现硬件相关的故障注入，但是对数据流、信息流和控制时序等软件算法方面的故障注入无法提供可靠的检测条件，因此针对这种上述情况，本文提出了一种通用型，集成型的故障注入系统应用于铁鸟试验台。

1 系统组成

故障注入系统是由硬件和软件组成。硬件部分由便携式计算机、ARINC429 故障注入设备、VDT 故障注入板卡、离散量故障注入板卡、2U 机箱等组成，如表1所示。

表1：故障注入系统硬件表

软件基于labview 平台，采用模块化设计，融合故障诊断的相关算法，集数据仿真、发送、采集、数据处理、控制及通信功能与一体，实现不同类型软硬件故障的注入、定位和分析。故障注入系统软件的总体架构如图1所示，其中包括操作系统层、设备驱动层、数据解析仿真层、数据管理层以及UI 层。

图1：软件总体架构图

设备驱动层：包括板卡驱动软件，为上层应用软件提供良好调用接口，实现对硬件设备的输入，输出接口控制。

数据解析层：包括总线接口处理模块主要用于通过调用板卡驱动数据的接收和发送。

数据管理层：实现数据解析层和UI 界面之间的数据交互。

UI 界面层：提供人机交互界面、能够配合总线接口处理模块接收数据，完成各系统显示数据显示和更新；能够配合数据处理模块完成解析各系统数据显示、能够操作数据实现增删改查等操作。能够手动和按预定程序自动注入故障指令。

故障注入系统的软件部分是基于Labview 平台设计，具有良好的人机交互界面，用户可在故障注入软件界面上手动或者按预定程序自动执行注入指令，也能通过网络接收仿真等系统的故障注入指令，完成故障的通道和故障参数。同时故障信号注入完成后，数据分析处理部分可支持自动识别总线信号ICD 文件数据，记录总线配置，完成Excel、TXT 等格式文件的导入及导出，具体的局部设计程序见图2所示。

图2：故障注入系统软件结构图

2 工作原理

在铁鸟试验平台上，故障注入系统处于现场信号源与通用信号采集单元中间，是一套完整独立的系统，其实现的基本功能分四大类：

（1）常见信号类型如正弦波信号、三角波信号、自定义信号等；

（2）物理层故障如信号通断故障、欠压故障灯等，系统配置直流稳压电源，可通过跳线方式给机载被试件设置欠压故障；

（3）电气层故障注入系统，故障注入系统支持产生错误的VDT、旋变信号通过跳线方式给机载被试件设置VDT、旋变、噪声模拟、幅值拉偏、斜坡模拟、频率拉偏等故障；

（4）协议层故障注入系统，ARINC429 故障注入设备可以产生信号受干扰情况下的429 总线信号，通过跳线方式机载被试件设置总线干扰故障。

故障注入系统采用便携式系统架构，通过跳线实现和机电试验器、航电试验器、飞控试验器和其他试验设备上的断连块进行相互连接，对机电试验器、航电试验器、飞控系统试验器等进行故障注入。

首先故障注入系统软件启动后各模块进行内部自检，若自检通过进入系统主界面，若自检不通过提示系统故障信息，需要人工检测硬件，排查问题后重启软件。故障注入系统故障信号注入的流程及信号发生流程如图3所示。

图3：故障注入系统信号注入流程图

设备软件操作流程如下所示：

步骤一：连接故障注入系统与需注入故障的设备；

步骤二：设备上电。给故障注入设备上电，启动故障注入计算机及调理箱；

步骤二：启动故障注入系统软件，检查故障系统是否处于正常状态；

步骤四：选择故障类型、注入信号名称及注入通道；

步骤五：执行故障注入操作；

步骤六：在界面观察故障注入信号的曲线信息；

步骤七：观察被注入故障的设备运转情况；

步骤八：保存数据，分析试验结果。

3 几种典型故障信号

在实际应用中，故障注入系统中的电气层故障信号和标准信号注入是应用最广泛，电气层通常有电压阈值调整、共模幅度调整、电压阈值调整、占空比调整、上升沿/下降沿斜率等故障类型的信号，通过对该层的故障信号进行测试，验证是否满足功能要求。

3.1 离散信号输出模块

故障注入系统中的离散量输出界面见图8，在离散量信号输出模块中，每个通道中左侧蓝色为离散量采集模块，右侧橙色为离散量输出模块，该模块使用方法如图4。

图4：离散量信号输出界面

（1）将连接线缆接入信号调理接线箱中，接线箱前面板离散量模块中左侧输入信号，右侧为输出模块；

（2）打开故障注入系统软件；

（3）点击“离散量信号输出”按钮；

（4）查看接入通道信号状态，并记录；状态显示说明如下：

（5）点击对应通道中输出通道，可改变当前输出通道状态；

（6）使用数字万用表测试输出通道，记录不同输出状态值；

（7）重复以上步骤进行不同频率测试；

（8）当处于接通状态时，数字万用表有蜂鸣声。

3.2 标准波形输出模块

故障注入系统中可仿真正弦信号、方波信号、三角波信号、自定义波形信号，通过对其波形的频率、幅值、偏移量进行检测设置，其中故障注入系统设计的自定义信号针对非常规信号故障，通过人为设定的信号幅值，周期，数据点进行设计，来检测试验设备的稳定性，信号注入过程如图5所示。

图5：自定义波形显示界面

3.3 ARINC 429信号模块测试

故障注入系统中的ARINC 429 信号模块中包含总线同步头故障，总线数据位数故障、总线奇偶校验位故障、总线数据替换，通过对ARINC 429 信号中的总线同步头故障进行信号注入，检测ARINC 429 信号的功能，测试过程如图6所示。

图6：ARINC 429 信号模块界面

（1）打开故障注入系统软件；

（2）点击“ARINC429”按钮；

（3）点击设备连接按钮，点击设备通道按钮；

（4）在设备通道参数面板进行设置参数，数据位反转区域中1～8 为总线同步头故障设置（即ARINC429 总线Lable 设置）；

（5）点击发送按钮，点击示波器按钮，在示波器界面中查看波形；

（6）如果曲线波形中所显示的1-8 同步头位，数据由0变为1，即合格。

4 实际应用

在铁鸟试验台的建设中，故障注入系统全程应用于铁鸟试验台的设备研制、安装调试、设备运行的全过程，整体的设计架构见图7所示。首先，故障注入系统的上位机与硬件之间采用以太网进行数据通信，在现有的拓扑连接基础上通过以太网模块接入到铁鸟试验台的试验网络中，然后双方协调好UDP 协议的通信指令，以接收试验管理系统的配置与管控，在故障注入系统的上位机中设置好通道选择，故障类型、时间设置，故障信号参数以及网络参数的设置，在试验挂你系统的控制下，根据不同的现场信号采用对应方式的故障注入，完成对各个试验设备的远程故障注入。其中故障注入软件在实现信号通断注入延迟小于500ms 外，其余故障注入延迟小于100ms。

图7：故障注入系统应用方式图

信号注入的同时，通过故障注入系统进行通道数据监控、数据采集单元上传的数据以图形或者表格的形式显示，能够提供历史数据存储和查询，按照时间顺序进行存储与查询，能够提供简单的故障分析和定位功能。

5 结论

本文设计的故障注入系统以试验设备为基础，将串联进现场信号与目标设备中间，融合可扩展性技术、通用模块设计技术、系统集成化技术等多种关键性技术构成的通用性系统，对铁鸟台的试验系统的抗干扰性、稳定性、容错能力、鲁棒性的检测起到关键性作用，加速了铁鸟台的建设，同时节省了更多的时间和人力成本。