牟　鵬，段曉軍

（1.中航工業(yè)　成都飛機工業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，成都　610091；2.西北工業(yè)大學(xué)　無人機特種技術(shù)重點實驗室，西安　710072）

基于RFM的機載余度計算機軟件快速測試平臺

牟鵬1，段曉軍2

（1.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，成都610091；2.西北工業(yè)大學(xué)無人機特種技術(shù)重點實驗室，西安710072）

為了提升飛控計算機的可靠性，目前普遍采用余度技術(shù)構(gòu)建余度飛控計算機，該計算機由多個通道構(gòu)成，每個通道有一個CPU，互相構(gòu)成備份；但是，由于各個通道的機載軟件之間相互同步、通信和交叉監(jiān)控，必須并行調(diào)試和測試，這就造成了機載軟件調(diào)試和測試的滯后，必須等待真實的飛控計算機開發(fā)出來之后才能開展工作；文章提出了一種基于RFM（反射內(nèi)存）的余度計算機快速原型測試平臺設(shè)計方法；該平臺使用商用貨架產(chǎn)品構(gòu)成余度計算機的多個冗余通道，使用RFM模擬多通道間的通信、同步過程，通過對底層驅(qū)動封裝實現(xiàn)硬件故障模擬和余度功能模擬，方便實現(xiàn)軟件調(diào)試和從性能、功能測試，大大提高了開發(fā)效率，減少了研制周期。

余度計算機軟件；RFM；快速測試

0　引言

機載多余度計算機軟件測試比較常用的方法是虛擬樣機技術(shù)。虛擬樣機又稱為虛擬原型機，它將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn)品，產(chǎn)品在概念設(shè)計階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計方案，可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量［1］。目前國內(nèi)外關(guān)于多余度飛控軟件的測試資料比較少，文獻(xiàn)［2］中提到了用虛擬樣機技術(shù)來實現(xiàn)多余度相似與非相似軟件的開發(fā)與驗證平臺。該平臺使用10臺PC結(jié)構(gòu)工控機構(gòu)筑虛擬的飛控計算機組，選用兩種不同類型的處理器芯片，Intel和PowerPC。通道間的數(shù)據(jù)總線采用以太網(wǎng)，使用ARINC629總線協(xié)議進(jìn)行通訊，實現(xiàn)通道間和通道內(nèi)輸出數(shù)據(jù)比較的功能。通道內(nèi)各支路之間由于處理的信息量不大，采用計算機串行接口進(jìn)行通訊，實現(xiàn)各支路時鐘同步、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)交換等功能以及發(fā)送支路禁止或失效告警信號。根據(jù)應(yīng)用需要稍作改變，該平臺就可以方便地模擬3×3、4×2等常見多余度配置的軟件開發(fā)與測試，是目前國內(nèi)外多余度軟件測試中常用的方法。然而，該方法主要側(cè)重于對軟件開發(fā)成品進(jìn)行測試，在多余度飛控軟件的開發(fā)過程中，更多依賴于相關(guān)項目經(jīng)驗的累積和軟件編碼人員的編碼質(zhì)量，并沒有方便、易用的測試平臺來輔助開發(fā)過程，更談不上從性能和功能兩方面進(jìn)行測試。

反射內(nèi)存（RFM）是一種高速的實時數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它允許采用不同的總線結(jié)構(gòu)和不同的操作系統(tǒng)的計算機以確定的速率分享實時的數(shù)據(jù)。它與以太網(wǎng)等其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比具有更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲、更快的傳輸速度，更簡單靈活的使用操作，可以滿足實時系統(tǒng)快速反應(yīng)周期的要求［3］。

本文提出了一種基于RFM的飛控軟件快速測試平臺，它能在軟件設(shè)計開發(fā)過程中隨時進(jìn)行實時性能和邏輯功能的測試，更早、更及時地發(fā)現(xiàn)軟件錯誤和漏洞。更為重要的是，在系統(tǒng)軟件設(shè)計初期，當(dāng)航電總線仍在采購和調(diào)試時，它能利用RFM模擬航電總線的通訊過程，完成系統(tǒng)余度管理流程的測試。

1　測試平臺的結(jié)構(gòu)與原理

目標(biāo)飛機是虛擬飛機，用一臺飛行仿真計算機來模擬。飛行仿真機基于RTX實時擴(kuò)展操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了單機Windows環(huán)境下的實時仿真。飛控計算機仿真機由N臺（N為系統(tǒng)的余度數(shù)）具有PowerPC處理器的計算機組成，仿真機內(nèi)各板卡均基于VME背板總線，每臺計算機均配置有VMI5565反射內(nèi)存卡一塊，所有的反射內(nèi)存卡通過光纖連接至光纖HUB，該計算機組運行VxWorks實時操作系統(tǒng)。系統(tǒng)另配備有飛控計算機上位機一臺，上位機用于多余度飛控計算機軟件的開發(fā)和調(diào)試，還兼有故障注入的功能。飛控計算機上位機與仿真機之間通過以太網(wǎng)相連。圖1是三余度飛控軟件測試平臺結(jié)構(gòu)圖。

目標(biāo)飛機（飛行仿真計算機）模擬飛機的飛行狀況并周期地通過UDP協(xié)議向飛控計算機仿真機發(fā)送飛行數(shù)據(jù)。飛控計算機仿真機每小幀周期（該時間根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要確定）運行一次余度管理任務(wù)，包括：同步、數(shù)據(jù)采集、交叉?zhèn)鬏?、?shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)表決等環(huán)節(jié)。RFM及其光纖網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)通道間的通訊。例如，在每個小幀周期的起始，飛控計算機組都要進(jìn)行一次同步，其目的是保證N個通道之間保持步調(diào)一致的工作，在“某一時刻”同時完成同一任務(wù)的某個基本動作。這樣，容錯系統(tǒng)的表決過程才有意義，才能保證系統(tǒng)中冗余模塊的多數(shù)一致的原則。另外，RFM還用于通道間大量的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏?，這是系統(tǒng)冗余設(shè)計的最根本目的，當(dāng)一個通道數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，可以共享其它數(shù)據(jù)正確通道的數(shù)據(jù)，交叉?zhèn)鬏敶螖?shù)根據(jù)余度管理設(shè)計需要來確定。飛控計算機上位機通過TCP/IP協(xié)議不定期地向飛控計算機組發(fā)送控制指令及故障注入數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)飛控計算機組工作狀態(tài)與重要數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

圖1　三余度軟件測試平臺構(gòu)成

2　飛控計算機軟件層次架構(gòu)

飛控計算機仿真機是余度軟件運行的環(huán)境，需要逼真的模擬出余度管理軟件的運行環(huán)境。為了實現(xiàn)這個目的，飛控計算機仿真機底層運行余度功能模擬層軟件，包括：硬件驅(qū)動API、余度功能模擬API。具體系統(tǒng)軟件層次架構(gòu)如下圖2所示。

圖2　軟件層次架構(gòu)

可以看出，硬件驅(qū)動API的目的是為了在獲取真正硬件數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)系統(tǒng)測試的需要注入特定的故障數(shù)據(jù)。對應(yīng)用層而言，是沒有辦法區(qū)分是真正的硬件故障還是注入的故障，就可以方便的測試各種硬件故障情況下系統(tǒng)的處理流程是否能按照多余度管理策略進(jìn)行。而余度功能模擬API的內(nèi)部不僅調(diào)用上述驅(qū)動API，而且還根據(jù)故障注入信息對采集和輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而實現(xiàn)諸如同步、交叉?zhèn)鬏數(shù)扔喽忍匦缘哪M。同樣，在故障注入情況下可以測試系統(tǒng)的失步處理過程及交叉?zhèn)鬏斒〉裙收咸幚砹鞒?。余度特性模擬API的內(nèi)部工作流程見圖3。

圖3　余度特性模擬API工作流程

3　測試平臺實現(xiàn)

3.1多余度任務(wù)調(diào)度

測試平臺搭建完成后，就可以在該平臺下開發(fā)和測試多余度飛控軟件了。首先，將N臺PowerPC計算機配置和引導(dǎo)為Vx Works實時操作系統(tǒng)環(huán)境，在上位機的Tonado開發(fā)環(huán)境下配置目標(biāo)機服務(wù)器。目標(biāo)機啟動后，將編寫好的代碼編譯鏈接后download至目標(biāo)機，利用Tornado的Shell工具在就可以查看代碼運行的結(jié)果。接著根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程，設(shè)置任務(wù)調(diào)度方式及任務(wù)的優(yōu)先級。設(shè)置系統(tǒng)時鐘周期為1 ms，并設(shè)置每小幀周期執(zhí)行一次中斷處理程序。將余度管理任務(wù)掛接到中斷處理程序中。根據(jù)余度管理的流程，逐步開發(fā)和測試同步、交叉?zhèn)鬏敗⒈O(jiān)控表決等模塊。在初次同步過程中，由于N個通道任務(wù)啟動時間存在先后差異，應(yīng)設(shè)置較長的同步等待時間，一般為500 ms左右。

3.2RFM模擬多通道間通訊

為了模擬多通道間的通訊過程，使用VMI5565反射內(nèi)存卡來實現(xiàn)，VMI5565具有1 MB的板上存儲器。當(dāng)應(yīng)用程序成功打開反射內(nèi)存板后，程序會映射反射內(nèi)存板上的內(nèi)存空間到應(yīng)用程序的虛擬內(nèi)存空間，應(yīng)用程序處理反射內(nèi)存板上的內(nèi)存就像處理普通內(nèi)存一樣。如果打開成功，一個句柄將返回到應(yīng)用程序，這個句柄將用于應(yīng)用程序中所有與反射內(nèi)存板有關(guān)的I/O操作。結(jié)束一個與反射內(nèi)存網(wǎng)有關(guān)的應(yīng)用程序時，必須關(guān)閉設(shè)備句柄，此時應(yīng)用程序中和反射內(nèi)存網(wǎng)有關(guān)的功能都將關(guān)閉，應(yīng)用程序?qū)⒉荒茉L問反射內(nèi)存板上的資源。

反射內(nèi)存卡操作簡單，只需要簡單的幾條語句就可以直接訪問反射內(nèi)存板上的內(nèi)存。下面是在VxWorks下操作反射內(nèi)存卡的相關(guān)函數(shù)。

首先需要在對應(yīng)的.c文件下添加：

include"rfm2g_api.h"

define RFM2G_VXWORKS

定義RFM操作句柄：

RFM2GHANDLE Handle

RFM初始化：

RFM2gInit（）；

RFM打開：

RFM2gOpen（"RFM2G_0"，&Handle）；//打開設(shè)備，返回句柄

RFM讀寫函數(shù)：

RFM2g Write（rh，offset，buf，sizeof（buf））；//向反射內(nèi)存寫數(shù)據(jù)

RFM2gRead（rh，offset，buf，sizeof（buf））；//從反射內(nèi)存讀數(shù)據(jù)

這里要注意的是，雖然RFM的傳輸速率可達(dá)25.9 Mbps，但是每次讀寫函數(shù)的內(nèi)存操作大小不應(yīng)大于256 Bit，在實際應(yīng)用中，當(dāng)內(nèi)存操作大于256 Bit時，會帶來意想不到的時間延遲，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實時性能。因此在多通道通訊過程中，若通訊數(shù)據(jù)較多時，應(yīng)分批傳送。

3.3故障注入模塊

故障注入模塊應(yīng)在所有基本模塊開發(fā)完成后實現(xiàn)。故障注入作為一個獨立模塊周期運行，其周期約為1/4個小幀周期，其優(yōu)先級高于余度管理任務(wù)的優(yōu)先級，故障注入模塊周期讀取上位機傳送的故障注入信息，并及時將該信息傳送至驅(qū)動API和余度功能模擬API，驅(qū)動API和余度功能模擬API根據(jù)故障注入信息修改對應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果，模擬多余度飛控系統(tǒng)的各種故障情況，測試多余度系統(tǒng)的容錯處理邏輯和容錯能力。

4　平臺應(yīng)用與分析

設(shè)計3*1余度管理系統(tǒng)，其工作過程如下：飛行仿真機每5 ms發(fā)送一次飛行仿真數(shù)據(jù)，飛控計算機仿真機每20 ms采集一次飛行仿真機的傳感器數(shù)據(jù)（只讀取最新數(shù)據(jù)）。讀到數(shù)據(jù)后，對輸入的數(shù)據(jù)在N個通道之間進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敚徊鎮(zhèn)鬏斀Y(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控表決，將“最合適”的數(shù)據(jù)送到控制律計算模塊供控制律計算使用?？刂坡捎嬎隳K將結(jié)果輸出，并對輸出數(shù)據(jù)再次進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敚瑢Φ诙谓徊鎮(zhèn)鬏斀Y(jié)果同樣進(jìn)行監(jiān)控、表決，然后將表決所得到的舵控指令通過以太網(wǎng)輸出給目標(biāo)飛機。飛行仿真計算機按照一定的表決算法對三組輸入進(jìn)行選擇，并將結(jié)果輸出到舵機實現(xiàn)飛機主飛控系統(tǒng)的增穩(wěn)與控制任務(wù)。在該平臺下開發(fā)3*1余度管理軟件，首先，分模塊完成通道間同步、交叉?zhèn)鬏?、?shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)表決模塊的開發(fā)和測試，然后根據(jù)余度管理流程將模塊任務(wù)融入20 ms小幀任務(wù)中，進(jìn)行余度流程測試。圖4是三余度測試平臺實物圖。

5　結(jié)論

圖4　三余度測試平臺實物

在該測試平臺下，可以運行實時程序，統(tǒng)計實時任務(wù)執(zhí)行時間，測試多余度策略管理邏輯，并及時糾正軟件書寫B(tài)UG和邏輯BUG。在各種系統(tǒng)航電總線存在差異的情況下，利用RFM代替航電總線，雖然其讀寫通道數(shù)據(jù)的時間和實際航電總線的通訊時間之間仍存在差異，但是這點差異相對小幀周期而言，是微乎其微的。因此，RFM能較為逼真地模擬多通道間通訊過程。軟件測試完成后，還可以根據(jù)航電總線的設(shè)計加入相應(yīng)的驅(qū)動模塊并修改對應(yīng)函數(shù)，就能快速完成飛控系統(tǒng)多余度軟件的開發(fā)工作。

［1］王仲濤，劉增明，劉晶晶.彈載飛控軟件開發(fā)調(diào)試與實時仿真平臺研究［J］.航空兵器，2010（6）：38

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A Rapid Testing Platform of Redundant Computer Software

Mou Peng1，Duan Xiaojun2
（1.AVIC Chengdu Aircraft Industry，Chengdu610091，China；2.State key Laboratory of UAV Special Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an710072，China）

Aimed at the difficulties in associated debugging and long testing period and complex conditions in the simulation and testing of the redundant computer software，a kind of rapid prototype test platform based on RFM is proposed.The platform simulates the communication process between multi-channels by the RFM（Reflective Memory）.The hardware fault simulation and the redundancy functional module fault simulation are implemented by encapsulating the underlying drivers and redundancy function modules.Under the platform，the redundant software could be tested from both performance and functionality in developing process.

redundant computer software；RFM；rapid test

1671-4598（2016）05-0012-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.004

TP311

A

2015-05-28；

2016-01-04。

航天科技創(chuàng)新基金（N2014KC0026）。

牟鵬（1982），四川遂寧人，主要從事無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計、機載軟件開發(fā)等方向的研究。