仲康正，徐惠勇

(中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083)

MVB總線故障注入方法研究與實現(xiàn)

仲康正，徐惠勇

(中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083)

為滿足列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）中多功能車輛總線（MVB）設(shè)備的測試驗證要求，基于一般總線測試方法，結(jié)合MVB總線協(xié)議特點，提出一種基于故障注入技術(shù)的測試方法。通過對板卡寄存器的定義與配置，開發(fā)了基于VS平臺的MVB故障注入設(shè)備驅(qū)動程序，從電氣層、物理層、協(xié)議層三方面，詳細給出了MVB總線故障注入方法和部分驅(qū)動程序。通過Wireshark抓取報文的方式，驗證了故障注入的準(zhǔn)確性，證明了此方法的可行性和正確性。

多功能車輛總線；故障注入；寄存器

0　引言

多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）是針對車輛環(huán)境下，車輛內(nèi)部功能設(shè)備數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線，是列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Train Communication Network，TCN）的核心部分之一。隨著微電子技術(shù)和分布式現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，MVB的應(yīng)用日益廣泛，此類列車可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對車載設(shè)備的集散式監(jiān)控和管理，逐步實現(xiàn)了列車控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化[1]。

MVB介質(zhì)訪問控制的優(yōu)點在于，它將總線上的時間分為固定大小的基本周期，每個基本周期又由周期相和偶發(fā)相組成，這樣既可傳送對時間有確切要求的數(shù)據(jù)，同時也可以處理偶發(fā)緊急數(shù)據(jù)[2]。為了保證總線系統(tǒng)的高可靠性，總線測試必不可少，然而由于國外對MVB技術(shù)的壟斷，國內(nèi)尚沒有統(tǒng)一高效的測試方案。本文基于故障注入技術(shù)，提出了一種總線測試方案，并通過軟件注入的方式，進行試驗驗證。

1　故障注入技術(shù)

故障注入是進行產(chǎn)品測試性實驗的重要技術(shù)手段，在產(chǎn)品檢測中，通過故障注入可以驗證被測產(chǎn)品的機內(nèi)測試、外部測試的診斷能力[3]。與傳統(tǒng)的測評方法相比，故障注入技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、結(jié)果精確度高、節(jié)省時間等優(yōu)點[4]。特別是在有關(guān)國防安全的航空航天系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的系統(tǒng)都采用高可靠性的容錯計算機系統(tǒng)。在過去近20年中，故障注入的研究對容錯系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用起到了重要作用[5]。

故障注入主要分為硬件注入和軟件注入兩種。與硬件注入相比，軟件故障注入具有易于控制、成本低、方便靈活等優(yōu)點，逐漸成為故障注入技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點。

2　故障注入方法

本文通過掛接在總線系統(tǒng)中的故障注入設(shè)備，在不改變設(shè)備激勵以及被測信號的前提下，從MVB故障注入板卡底層寄存器、內(nèi)存開始，通過軟件實現(xiàn)對板卡內(nèi)寄存器、存儲器值的修改，模擬輸入信號的故障情況，從而實現(xiàn)相應(yīng)的故障注入。故障注入過程中，利用分析軟件 Wireshark抓取以太網(wǎng)報文，檢測設(shè)備的故障注入情況，從而驗證系統(tǒng)的容錯性能。

MVB故障注入設(shè)備包含核心板寄存器配置和2個MVB通信節(jié)點寄存器配置，寄存器地址共32 bit，由 8 bit保留位(R)、3 bit板卡地址CardAddr、5 bit通道地址port_ num和16 bit偏移地址 OffsetAddr組成，寄存器地址=R+ CardAddr+port_num+OffsetAddr。

在故障注入時，考慮到系統(tǒng)的合理性及高效性，將MVB板卡內(nèi)寄存器定義為核心板全局配置寄存器、子版全局配置寄存器、通道級寄存器3種類型。結(jié)合其他總線的相關(guān)經(jīng)驗和理論，將MVB總線的故障概括為3個層面：電氣層、物理層與協(xié)議層。

2.1電氣層

電氣層故障配置項包括斷路故障、短路故障、串行、并行阻抗等，F(xiàn)PGA接收軟件的指令，處理采樣所得的信號，控制繼電器矩陣和電阻網(wǎng)路，以實現(xiàn)對應(yīng)故障注入。以斷路故障項為例說明。斷路故障 Memory偏移地址為0x0200，port_number為0x00，故障參數(shù)bit位說明見表1。

表1　斷路故障參數(shù)說明

根據(jù)表1中內(nèi)容，在程序中定義斷路故障參數(shù)結(jié)構(gòu)體和對應(yīng)的位域結(jié)構(gòu)體。斷路故障寄存器位域結(jié)構(gòu)體如下：

2.2物理層

物理層故障配置項包括幅值調(diào)節(jié)故障項配置、占空比調(diào)節(jié)、總線延時故障等8項。幅值故障寄存器偏移地址為0x0218，portnumber為0x00。故障配置參數(shù)見表2。

根據(jù)表中內(nèi)容定義類似電氣層的結(jié)構(gòu)體，在驅(qū)動開發(fā)時以實現(xiàn)相關(guān)故障參數(shù)的配置及賦值實現(xiàn)。

2.3協(xié)議層

協(xié)議層故障項參數(shù)配置包括2個內(nèi)容：匹配策略信息Memory、故障策略信息Memory。MVB總線傳輸數(shù)據(jù)幀的兩種類型具有不同的幀結(jié)構(gòu)和幀標(biāo)識符。協(xié)議層故障由客戶端根據(jù)需要選擇主幀還是從幀故障相關(guān)參數(shù)配置。

表2　幅值故障參數(shù)說明

匹配策略信息配置參數(shù)主從幀一致，位域結(jié)構(gòu)體只需要區(qū)分結(jié)構(gòu)體名稱即可。0位對應(yīng)Fcode_mask，當(dāng)值為1時，對功能碼進行匹配，匹配對象為 Fcode_data(31-28 bit)；1位為Addr_mask，當(dāng)值為1時，對地址進行匹配，匹配對象為Addr_data(27-16 bit)?？筛鶕?jù)Addr_mask_x(x為0-11，占據(jù)2-13 bit)選擇需要匹配的地址bit位。

故障策略匹配信息 Memory大小為：位寬 32 bit，深度128。160個32 bit深度的數(shù)據(jù)共分為32組，每組5個32 bit的數(shù)據(jù)，對應(yīng) 32組故障策略，包括功能碼、校驗碼、位反轉(zhuǎn)、位毛刺等故障參數(shù)配置。

3　故障注入的實現(xiàn)

鑒于 Windows系統(tǒng)的高普及性，本文根據(jù)定義的MVB故障注入設(shè)備寄存器說明，基于 VS2010開發(fā)環(huán)境，利用C語言開發(fā)故障注入驅(qū)動。利用Wireshark抓取以太網(wǎng)報文的方式驗證API的正確性，然后通過故障注入軟件調(diào)用檢驗后的API，完成對設(shè)備的故障注入。

3.1Wireshark

Wireshark是一個網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件，其功能是擷取網(wǎng)絡(luò)分包，并盡可能顯示最為詳細的網(wǎng)絡(luò)封包資料。Wireshark使用 WinPCAP作為接口，直接與網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)報文交換。

3.2以太網(wǎng)報文

UDP報文中，源端口、目的端口、UDP長度、校驗和大小為2B，用戶數(shù)據(jù)根據(jù)具體操作與信息，占據(jù)若干字節(jié)，包括 4B的消息包頭、4B的地址、若干字節(jié)（4B整數(shù)倍）的具體數(shù)據(jù)。

發(fā)送時，將消息總線數(shù)據(jù)組合成以太網(wǎng)報文，總線數(shù)據(jù)以4 B為單位，先發(fā)送最低字節(jié)，再發(fā)送次低字節(jié)，最后發(fā)送高字節(jié)。消息總線數(shù)據(jù)格式為：

消息包頭（Type+Opcode+R+DataLEN）

地址域(R+cardaddr+portnum+OffsetAddr)

數(shù)據(jù)域（one or more 32 bits）

Type為固定值 0x1D，占6 bit；Opcode為操作碼，占6 bit，表示信息類型，對應(yīng)讀、寫寄存器（Memory）；R為保留位，占7 bit，DataLen為數(shù)據(jù)長度，包括信息包頭，占13 bit。

3.3Memory操作格式

與消息總線數(shù)據(jù)格式一致，寫Memory包括n×4B的數(shù)據(jù)內(nèi)容。第一行 4B數(shù)據(jù)為消息包頭，Type為固定值0x1D，Opcode為固定值0x0C，加上 7 bit保留位和13 bit的DataLen；第二行為地址域 R+cardaddr+port_num+OffsetAddr；第三行開始為 32 bit整數(shù)倍的數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域長度與DataLen大小對應(yīng)。

3.4故障注入驅(qū)動

為方便對各項故障的選擇性注入，利用選擇結(jié)構(gòu)編寫驅(qū)動程序。為了規(guī)范化測試步驟，在故障注入開始前，先進行掃描，確認在線設(shè)備數(shù)量及地址端口，然后利用驅(qū)動打開設(shè)備，開始相關(guān)故障注入。在整體的測試流程中，需要包括打開、關(guān)閉、復(fù)位、暫停等一系列操作。

物理層故障注入部分代碼如下：

3.5實驗結(jié)果與分析

驅(qū)動編譯完成后，通過以太網(wǎng)連接設(shè)備運行編寫的Demo程序，調(diào)用相關(guān)API，實現(xiàn)故障注入。本文以斷路、幅值故障注入情況為例，結(jié)合以太網(wǎng)報文，驗證驅(qū)動準(zhǔn)確性。

Demo調(diào)用斷路故障設(shè)置函數(shù)，通過對斷路故障項配置定義的結(jié)構(gòu)體內(nèi)參數(shù)賦值，實現(xiàn)對設(shè)備的斷路故障注入。對斷路時間賦值2（其他默認值為0）時的報文如圖1。

圖1　斷路故障注入報文

從第三行14 00 c0 74開始為用戶配置數(shù)據(jù)段。翻譯為：

74 c0 00 14：對應(yīng)寫memory操作，DataLen為5B。

00 4002 00：對應(yīng)32 bit地址域，8 bit保留位，3 bit卡位號，5 bit通道號，16 bit偏移地址（0x0200）

00 0200 00：對應(yīng)32 bit斷路故障寄存器位，報文顯示與驅(qū)動賦值結(jié)果一致。

00 0000 00：空數(shù)據(jù)字節(jié)

00 0000 00：空數(shù)據(jù)字節(jié)

幅值故障注入?yún)?shù)賦值，vppEn=1，vppValue=3.4，得以太網(wǎng)報文如圖2。

圖2　幅值故障注入報文

數(shù)據(jù)翻譯如下：

74 c0 00 14：對應(yīng)寫memory操作，DataL為5 B。

00 4002 18：對應(yīng)32 bit地址域，8 bit保留位，3 bit卡位號，5 bit通道號，16 bit偏移地址（0x0218）

00 0080 02：對應(yīng) 32 bit幅值故障 Memory位，報文顯示與驅(qū)動賦值結(jié)果一致。

00 0000 00：空數(shù)據(jù)字節(jié)

00 0000 00：空數(shù)據(jù)字節(jié)

與斷路、幅值故障項類似，分別對電氣層、物理層和協(xié)議層各故障寄存器位賦值，用 Wireshark抓取報文驗證。實驗中，報文顯示結(jié)果均與驅(qū)動注入值相匹配，驗證了驅(qū)動對設(shè)備故障注入的有效性、可控性。

4　結(jié)束語

隨著我國高鐵技術(shù)的不斷進步發(fā)展，MVB總線技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用將逐步擴大。本文結(jié)合MVB總線協(xié)議特點和通信方式，探討適用于MVB總線設(shè)備的故障注入方法，并開發(fā)出相應(yīng)的故障注入驅(qū)動，彌補了MVB總線故障注入手段的不足。

故障注入驅(qū)動對各類設(shè)備的高度兼容性、適應(yīng)性是故障注入技術(shù)的發(fā)展方向。本文提出的測試方法，可適用于大部分MVB總線設(shè)備，且與其他總線設(shè)備也具有共通性。如何利用此擴展性，開發(fā)出適用于各類總線設(shè)備測試的故障注入驅(qū)動，值得深入研究。

[1]楊昌休.多功能車輛總線MVB關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[2]宋娟，王立德，嚴(yán)翔，等.MVB協(xié)議分析裝置設(shè)計及其實時性分析[J].鐵道學(xué)報，2011(11)：41-45.

[3]石君友，李鄭，駱明珠，等.故障注入控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2008(4)：65-67，70.

[4]李志宇，黃考利，連光耀.基于測試性設(shè)計的軟件故障注入研究綜述[J].計算機測量與控制，2013(5)：1112-1114，1117.

[5]孫天竹，吳小兵.采用故障注入技術(shù)提高系統(tǒng)可靠性[J].信息技術(shù)，2004(6)：85-86.

Research and implementation of MVB bus fault injection method

Zhong Kangzheng，Xu Huiyong
(Department of Information Engineering，China University of Geoscience（Beijing）,Beijing 100083，China)

To meet the test and validate requirements of multifunction vehicle bus devices in train communication network,based on the test method of general bus and combining with the characteristics of the MVB bus protocol,this paper presents a test method based on fault injection technique.By means of the definition and configuration of the card registers,Multifunction vehicle bus fault injection device driver,based on VS platform,was developmented.MVB bus fault injection method and part of the driver are given in detail，in terms of physical,electrical,and protocol.Through the way of Wireshark graping messages to verify accuracy of fault injection,and prove the feasibility and correctness of this method.

multifunction vehicle bus；fault injection；registers

TP336

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.017

仲康正（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：自動控制。

徐惠勇（1965-），男，博士，副教授，主要研究方向：自動控制。

中文引用格式：仲康正，徐惠勇.MVB總線故障注入方法研究與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(8)：74-76，83.

英文引用格式：Zhong Kangzheng，Xu Huiyong.Research and implementation of MVB bus fault injection method[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：74-76，83.