索曉杰, 康曉東 ,周　青 ,張　銳 ,都　云

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安　710065；2.西安翻譯學(xué)院，西安　710105)

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故障注入技術(shù)在機(jī)載計算機(jī)模擬量采集中的應(yīng)用

索曉杰1, 康曉東1,周青1,張銳1,都云2

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安710065；2.西安翻譯學(xué)院，西安710105)

近年來航空武器的功能性能快速提高，機(jī)載計算機(jī)處理能力也越來越強(qiáng);接口模塊作為處理多種接口信號的重要部件，在機(jī)載計算機(jī)中起著至關(guān)重要的作用;文中結(jié)合故障注入技術(shù)，在以往常用模擬量采集電路基礎(chǔ)上，設(shè)計了模擬量激勵產(chǎn)生電路，實現(xiàn)模擬量采集電路的故障注入，結(jié)合測試軟件完成模擬量采集電路的檢測，達(dá)到提高機(jī)載計算機(jī)的測試性的目標(biāo)。

模擬量；故障注入；接口模塊；機(jī)載計算機(jī)

0　引言

隨著航空武器功能性能的提高，機(jī)載計算機(jī)前端輸入信號種類越來越多，機(jī)載計算機(jī)的測試性、故障檢測率越來越受到設(shè)計人員重視。航空接口模塊作為處理多種接口信號的重要部件，在機(jī)載計算機(jī)中起著至關(guān)重要的作用。模擬量采集在航空接口模塊中使用較為廣泛，采集電路設(shè)計比較成熟。然而模擬量采集電路的測試逐漸受到廣大設(shè)計人員的關(guān)注。文中分析了模擬量采集電路工作原理及故障注入技術(shù)，通過設(shè)計模擬量產(chǎn)生電路，實現(xiàn)故障注入的硬件環(huán)境，結(jié)合測試軟件完成模擬量采集電路的檢測。提高系統(tǒng)的自檢測率。

1　故障注入技術(shù)

故障是指系統(tǒng)因設(shè)計缺陷或部件失效而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。為了及時發(fā)現(xiàn)并隔離機(jī)載計算機(jī)的故障，機(jī)載計算機(jī)設(shè)計了機(jī)內(nèi)測試BIT(Built-in-Test)實現(xiàn)故障檢測和隔離，因此要求BIT有較高的檢測覆蓋率和正確性[1]。

故障注入是指按照事先選定的故障模型，采用某種策略人為地將故障引入目標(biāo)系統(tǒng)中，通過觀察和分析系統(tǒng)在被注入故障情況下的行為，可以為試驗者提供所需的定性、定量的評價結(jié)果[2]。

故障注入作為一種有效的測試技術(shù)手段，是系統(tǒng)測試性、安全性及功能驗證研究的重要方面，也是驗證工作得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)[3]。故障注入大致分為基于軟件、硬件和仿真3種?；谟布墓收献⑷胫饕翘结樂ê筒迦敕??；谲浖墓收献⑷胫饕獞?yīng)用于程序變異和估算程序中錯誤數(shù)量的播種模型。基于仿真的故障注入，是建立在仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，即接受測試驗證的目標(biāo)系統(tǒng)是一個仿真系統(tǒng)，是一種仿真實現(xiàn)方法。

對電路進(jìn)行故障注入，選用硬件故障注入技術(shù)。注入故障需要仿真卡實現(xiàn)，仿真卡能夠產(chǎn)生被測對象的輸入激勵，且該激勵能夠?qū)е卤粶y對象故障的產(chǎn)品或電路。仿真卡有獨立設(shè)計、集成設(shè)計和混合設(shè)計。故障注入系統(tǒng)也可分為外部注入和內(nèi)部注入兩種。兩種故障注入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　故障注入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　模擬量采集電路設(shè)計

航空接口是機(jī)載環(huán)境中用到的各種接口資源的總稱，接口模塊是指機(jī)載計算機(jī)中實現(xiàn)多種接口資源的電路單元。常用的模擬信號、離散信號、ARINC429總線數(shù)據(jù)、MIL-STD-1553B總線數(shù)據(jù)、ARINC659總線數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)、信號，機(jī)載計算機(jī)都需要接口處理單元進(jìn)行采集、解析，然后計算機(jī)才可使用。文中主要介紹模擬信號的采集過程及故障注入方法。

接口模塊中的模擬量一般包含直流模擬量和交流模擬量[4]兩種，其中直流模擬量又有單端輸入和雙端輸入兩種。模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的處理過程如圖2所示。

各點代表的信號：A：符合采集要求的直流模擬量；B：前級變換后的交流模擬量；C：被選通采集的直流模擬量；D：二進(jìn)制數(shù)字量；E：交流模擬量的解調(diào)方波；F：軟件給出的選通地址。圖2　模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的處理流程

由圖2可知，直流模擬量和交流模擬量都需經(jīng)過濾波、比例變換等步驟。在到達(dá)圖中A點時，兩種模擬量均被調(diào)整變換為符合多路選通輸入及A/D采集電路電平要求的直流模擬量信號。

圖2中設(shè)計使用了一路A/D采集電路，用多路選通電路控制A/D采集電路某一時刻對那路模擬量進(jìn)行采集，這種設(shè)計可以節(jié)省硬件資源，降低成本。但是由于多路選通開關(guān)及A/D轉(zhuǎn)換均有耗時，因此在設(shè)計中必須根據(jù)系統(tǒng)的要求(采集時間，電路板面積，成本)來設(shè)計A/D采集的路數(shù)及轉(zhuǎn)換時間。

A/D采集電路的轉(zhuǎn)換精度，需要根據(jù)系統(tǒng)要求選用不同的A/D采集芯片。

2.1直流模擬量

如圖2所示，直流模擬量輸入后，首先經(jīng)過濾波和比例變換電路，將直流模擬量調(diào)整為符合多路選通電路及A/D采集電路電壓要求的直流信號。然后根據(jù)上層應(yīng)用要求，地址選通電路將需要采集的直流模擬量信號選通送給A/D采集電路。A/D采集電路將直流信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)送給應(yīng)用軟件使用。

2.2交流模擬量

如圖2所示，交流模擬量輸入后，首先經(jīng)過濾波和比例變換電路，完成交流模擬量的初步調(diào)整。解調(diào)方波是通過交流基準(zhǔn)源提取的方波信號，用以作為半波整流電路的參考門限。半波整流電路依據(jù)解調(diào)方波將交流模擬量的正半波或負(fù)半波輸出給二階濾波，通過二階濾波后調(diào)整為直流模擬量進(jìn)入多路選通器。然后根據(jù)上層應(yīng)用要求，地址選通電路將需要采集的模擬量信號選通送給A/D采集電路。A/D采集電路將直流信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)送給應(yīng)用軟件使用。

3　故障注入技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)內(nèi)測試BIT(Built-in-Test)是系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力,是復(fù)雜系統(tǒng)或設(shè)備整體設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和維修決策等方面的關(guān)鍵共性技術(shù)。機(jī)載計算機(jī)中的航空接口模塊主要完成航空接口信號的處理，模擬量在航空接口模塊中使用較多。為了提高測試覆蓋率，采用故障注入技術(shù)，用軟硬件結(jié)合的方法對模擬量采集電路進(jìn)行故障注入測試，文中設(shè)計了模擬量激勵電路，通過自測試軟件，完成模擬量采集電路的測試，提高測試覆蓋率。

3.1模擬量激勵電路設(shè)計

模擬量激勵產(chǎn)生電路由D/A轉(zhuǎn)換電路組成，如圖3所示。D/A轉(zhuǎn)換器選用DA7547集成芯片，該器件可輸出兩路獨立的模擬量信號。本設(shè)計中，一路用于產(chǎn)生交流模擬量信號，一路用于產(chǎn)生直流模擬量信號。工作參數(shù)的簡要描述見表1，其中交流激勵源采用7 V，1 800 Hz。

電路中設(shè)計有RC電路用于相位補(bǔ)償，以確保運(yùn)放電路的穩(wěn)定輸出和采樣電路的同步解調(diào)。開關(guān)電路控制激勵信號數(shù)據(jù)的輸出。

圖3　激勵產(chǎn)生電路框圖

直流激勵交流激勵輸出范圍±10V輸出最大有效值:7V數(shù)據(jù)位12位數(shù)據(jù)偏差±6LSB數(shù)據(jù)定義電壓數(shù)據(jù)電壓數(shù)據(jù)+10VFFF+7VFFF0V800+4VC91-10V0000V800轉(zhuǎn)換時間(25℃)1.5μS

如圖3，RF是D/A芯片內(nèi)部的固有反饋電阻，VAC_REF為交流參考源，VDC_REF為直流參考源，比例變換系數(shù)為K(直流模擬量與交流模擬量比例系數(shù)可不相同)。則交流模擬量激勵的輸出電壓VAO見公式(1)。

(1)

直流模擬量激勵的輸出電壓VDO見公式(2)：

(2)

直流模擬量激勵信號和交流激勵信號的控制開關(guān)電路采用相同的控制方式，采用繼電器實現(xiàn)，當(dāng)繼電器通電，開關(guān)閉合，模擬量輸出。輸出的模擬量作為采集電路的輸入，進(jìn)行采集，然后根據(jù)采集結(jié)果判斷模擬量采集電路是否正常工作。

3.2測試軟件設(shè)計

系統(tǒng)中設(shè)計了模擬量測試軟件，在系統(tǒng)上電進(jìn)行BIT檢測或人為啟動BIT檢測的情況下，模擬量測試軟件會自動執(zhí)行測試用例，驅(qū)動模擬量激勵電路產(chǎn)生模擬信號，根據(jù)模擬量采集電路采集到的結(jié)果，判斷模擬量采集電路是否工作正常。測試軟件流程如圖4所示。

為了不影響系統(tǒng)正常工作，BIT僅在系統(tǒng)上電或者根據(jù)系統(tǒng)要求執(zhí)行。

4　系統(tǒng)測試

模擬量采集系統(tǒng)采用DSP+FPGA+接口電路實現(xiàn)，接口電路實現(xiàn)電壓的變換，F(xiàn)PGA完成邏輯譯碼，DSP執(zhí)行采集軟

圖4　測試軟件流程圖

件。選用的滿足系統(tǒng)性能要求的DSP和FPGA芯片，選用D/A轉(zhuǎn)換器型號為DA7547，A/D轉(zhuǎn)換器型號為AD7892。(接口模塊中還有其他接口資源)根據(jù)前文的設(shè)計思想完成電路設(shè)計、邏輯開發(fā)、軟件開發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試工作，最終實現(xiàn)了采集系統(tǒng)。系統(tǒng)測試用例及對應(yīng)的測試結(jié)果如表2所示。

通過表2可知，通過最大值、最小值、中間值3個典型值的測試，可以達(dá)到較全面測試模擬量采集電路的目的。

5　結(jié)束語

故障注入是一種驗證技術(shù)，一種使目標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生故障的手段。通過故障注入技術(shù)提高目標(biāo)系統(tǒng)的測試覆蓋率。文中將故障注入方法運(yùn)用到模擬量采集電路設(shè)計中，設(shè)計了測試電路，

表2　測試結(jié)果

實現(xiàn)了模擬量采集電路的BIT功能，從而提高模塊、整機(jī)的測試性。故障注入技術(shù)在模擬量采集電路設(shè)計中的使用，為將故障注入技術(shù)在機(jī)載計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中的廣泛使用提供了實踐依據(jù)。以達(dá)到提高整板或整機(jī)的故障檢測率，提高系統(tǒng)的測試性、可靠性的目標(biāo)。

[1] 魏婷,朱耀國. 飛行控制計算機(jī)模擬接口BIT電路設(shè)計及仿真[J]. 航空計算技術(shù),2014(11):103-105,109.

[2] Stott D T，Ries G，Hsueh M c，Iyer R K．Dependability Analysis of a High-Speed Network Using Software-Implemented Fault Injection and Simulated Fault Injection[J]．Information Systems Frontiers，1998(1):78-82．

[3] 尹青,蔡伯根,上官偉,等. 故障注入方法在列車運(yùn)行控制仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 鐵道通信信號,2013(1):66-70.

[4] 魏婷,夏德天. 基于LVDT /RVDT 的交流模擬量解調(diào)方法研究[J]. 航空計算技術(shù),2013(1):116-119.

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[6] 高鳳岐,等. 基于半實物仿真的電路板故障注入系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)測量與控制,2009,17(2):275-278.

Application of Fault Injection Technique in Analog Signal Acquisition of Airborne Computer

Suo Xiaojie1, Kang Xiaodong1, Zhou Qing1, Zhang Rui1, Du Yun2

(1.AVIC Computing Technique Research Institute, Xi’an710065,China;2.Xi’an FANYI University, Xi’an710105,China)

In recent years, The function and performance of aviation weapon is increasing rapidly, Airborne computer processing ability is also becoming stronger. As an important part of processing multiple interface signals, Interface module plays a vital role in airborne computer. Based on the fault injection technology and the widely used analog signal acquisition circuit, Designed the analog signal generating circuit to injection fault for analog signal acquisition circuit, with the test software to complete the detection of the analog signal acquisition circuit, so as to improve the test performance of the airborne computer.

analog signal; fault Injection; iInterface module; airborne computer

2015-08-21；

2015-09-16。

索曉杰(1986-)，男，陜西渭南人，工學(xué)碩士，主要從事航空接口設(shè)計與測控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0308-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.085

TP391

A