何麗 陳波

摘要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，航空電子設(shè)備的性能大大提高，但同時給電子設(shè)備帶來新的測試和故障診斷問題。為解決電子設(shè)備對自身故障的快速診斷和準(zhǔn)確定位等問題，航空電子設(shè)備引入了嵌入式測試技術(shù)來完善機(jī)內(nèi)測試（BIT）。本文從嵌入式測試系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和軟件流程等方面，闡述了航空電子設(shè)備中嵌入式測試系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，并給出了典型的測試控制和信號采集設(shè)計。本文的設(shè)計方法已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，對提升航空電子設(shè)備的自檢測及故障診斷能力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：嵌入式測試；CAN；分布-集中式架構(gòu)；測試控制單元；MC9S12XF512

中圖分類號：V248.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.010

隨著新技術(shù)的不斷注入，現(xiàn)代航空電子設(shè)備的高集成化、高智能化，以及分析處理問題的高效化特征日益增強(qiáng)，隨之而來是系統(tǒng)故障診斷、故障隔離的難度也越來越大，因此，提升航空電子設(shè)備的故障診斷能力，實(shí)現(xiàn)快速診斷和故障準(zhǔn)確定位成為了航空電子設(shè)備設(shè)計的新需求。

傳統(tǒng)的設(shè)計中，航空電子設(shè)備將內(nèi)部的測試信號耦合輸出至專用的檢測接口，借助于外部測試設(shè)備來實(shí)現(xiàn)故障的檢測和隔離，但這樣導(dǎo)致航空電子設(shè)備的維護(hù)測試操作繁瑣，保障效率低下，嚴(yán)重影響了飛機(jī)的再次出動率。因此，新一代的航空電子設(shè)備在設(shè)計之初即重點(diǎn)考慮其機(jī)內(nèi)自檢的設(shè)計，嵌入式系統(tǒng)以其強(qiáng)實(shí)時性、可裁剪性、良好的可移植性等突出特點(diǎn)[1]，成為了新一代航空電子設(shè)備機(jī)內(nèi)測試方案的首選。

本文主要介紹基于嵌入式系統(tǒng)的典型航空電子設(shè)備測試系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計在某航空電子設(shè)備中進(jìn)行了應(yīng)用，可有效地對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測和隔離。

1嵌入式測試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

電子設(shè)備根據(jù)組成的單元特點(diǎn)，其嵌入式測試系統(tǒng)可采用集中式、分布式或分布-集中式的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[2-4]。通常，復(fù)雜的電子設(shè)備優(yōu)選分布-集中式的架構(gòu)，圖1為某航空電子設(shè)備采用的分布-集中式測試架構(gòu)。

在分布-集中式的架構(gòu)中，除了系統(tǒng)具有嵌入式測試控制處理單元以外，系統(tǒng)各組成模塊內(nèi)部也設(shè)計有嵌入式測試控制處理單元，系統(tǒng)層嵌入式測試控制處理單元和各組成模塊的嵌入式測試控制處理單元之間通過系統(tǒng)測試總線連接，各部分的主要功能如下。

（1）系統(tǒng)層嵌入式測試控制單元

系統(tǒng)層嵌入式測試控制單元包括測試控制單元和綜合診斷單元，主要完成全系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元的嵌入式測試控制、測試數(shù)據(jù)的綜合分析等功能。

（2）模塊層嵌入式測試控制處理單元

接收系統(tǒng)層測試控制單元的控制，完成模塊內(nèi)部電路測試信號的調(diào)理、采集及數(shù)據(jù)上報等功能。

（3）系統(tǒng)測試總線

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層嵌入式測試控制單元和各模塊嵌入式測試控制處理單元之間測試控制指令、測試數(shù)據(jù)的傳遞等功能。

這種分層集成的組織結(jié)構(gòu)，可以綜合利用模塊層較強(qiáng)的信息獲取能力和系統(tǒng)層強(qiáng)大的信息處理能力，從而提高全系統(tǒng)的測試性能。而且，這種嵌入式系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)，既有利于實(shí)現(xiàn)橫向各模塊的并行測試，又便于實(shí)現(xiàn)縱向各級測試的復(fù)用，從而既提高測試效率，又降低測試成本。

2嵌入式測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

按照電子設(shè)備嵌入式測試系統(tǒng)的架構(gòu)布局，對嵌入式測試系統(tǒng)開展硬件設(shè)計時，也主要從三個部分來進(jìn)行。

2.1系統(tǒng)測試控制單元的設(shè)計

系統(tǒng)測試控制單元需要完成系統(tǒng)測試模式的切換控制，并對來自模塊層的大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，給出最終的診斷結(jié)果，因此對控制的時效性、運(yùn)算處理速度有一定要求，在工程應(yīng)用中，通常采用嵌入式計算機(jī)來作為系統(tǒng)測試控制單元。

2.2系統(tǒng)測試總線的設(shè)計

在設(shè)計中，我們優(yōu)選了CAN總線作為系統(tǒng)測試總線，系統(tǒng)的嵌入式測試控制和數(shù)據(jù)傳輸均采用CANaerospace協(xié)議。CANaerospace被美國國家航空航天局（NASA）標(biāo)準(zhǔn)化為“先進(jìn)的通用航空運(yùn)輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)總線”，它具有以下特點(diǎn)：（1）采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖2），支持多主發(fā)送，支持點(diǎn)對點(diǎn)通信和廣播數(shù)據(jù)傳輸，不需要系統(tǒng)啟動過程，避免了由于主站的失敗而導(dǎo)致的危險情況；（2）增加了對系統(tǒng)冗余的支持；（3）是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，其總線調(diào)度可以在一定的限制之內(nèi)變化，并支持節(jié)點(diǎn)的熱插拔；（4）完全開放，便于擴(kuò)展，允許用戶實(shí)現(xiàn)自定義的報文類型和協(xié)議；（5）完全公開，免費(fèi)發(fā)布全部技術(shù)資料，簡單易用，便于實(shí)現(xiàn)[5-6]。

2.3模塊測試控制處理單元的設(shè)計

模塊測試控制處理單元的架構(gòu)設(shè)計如圖3所示，控制處理單元是一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其外圍模塊有電源、存儲器、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能電路以及各種測試信號的調(diào)理功能電路。

2.3.1控制處理電路的設(shè)計

控制處理電路的設(shè)計是模塊測試控制處理單元的設(shè)計重點(diǎn)，在設(shè)計中，我們選用Freescale公司的MC9S12XF512單片機(jī)作為控制處理器。MC9S12XF512是一個16位器件，由512KB Flash、32KB RAM、4KB EEEPROM組成片內(nèi)存儲器，同時還包括16路12位的ADC、4個通用16位定時器和兩個PWM定時器，另外還包含多種標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：2路串行外設(shè)接口（SPI）、2路I2C、1路CAN和5路UART。MC9S12XF512有48個I/O引腳，每個I/O口分別對應(yīng)輸入/輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O口復(fù)用，在對同一個I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。除此之外，該單片機(jī)還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行在1MHz時鐘條件下時，工作電流視工作模式不同為0.1～280μA。由于MC9S12XF512具有以上的特點(diǎn)，所以選用其作為模塊測試控制處理單元的控制處理器芯片[7-8]。

2.3.2 CAN接口電路的設(shè)計

CAN總線接口的收發(fā)器采用SM1050，在CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30pF的小電容，濾除總線上的高頻干擾，提高CAN總線的防電磁輻射的能力。收發(fā)器SM1050的輸出電平為5V，而單片機(jī)MC9S12XF512的輸入信號電平為3.3V，因此，在電路中利用雙通道數(shù)字隔離器進(jìn)行了信號的轉(zhuǎn)換隔離，隔離器選用ADI公司的ADUM1201 ARZ，電路圖如圖4所示[9-10]。

2.3.3信號測試調(diào)理電路的設(shè)計

信號測試調(diào)理電路需要根據(jù)每個模塊具體的被測試信號來進(jìn)行設(shè)計。由于控制處理電路的MC9S12XF512具有豐富的采集端口，可實(shí)現(xiàn)模擬信號的A/D采集和數(shù)字信號的I/O采集，因此，信號測試調(diào)理電路只需要針對模塊內(nèi)部的每個被測試信號，將其轉(zhuǎn)換為符合MC9S12XF512端口電平的信號，并將信號輸送至MC9S12XF512的對應(yīng)I/O口即可。

圖5為溫度傳感電路圖，利用溫度傳感器ADT7301 ARMZ對模塊內(nèi)部溫度進(jìn)行采集，并通過串行總線將溫度數(shù)據(jù)傳至MC9S12XF512。

圖6為射頻信號的調(diào)理檢測電路圖，對射頻通道上的信號進(jìn)行耦合，利用檢測器件VJJ23M-655對信號進(jìn)行檢波整形，然后將信號送至MC9S12XF512采集量化。

圖7為直流電壓信號的調(diào)理檢測電路圖，通過分壓電阻，將信號轉(zhuǎn)換成符合MC9S12XF512的A/D口輸入電壓范圍的信號后，由MC9S12XF512進(jìn)行采集量化。

3嵌入式測試系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

嵌入式測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括系統(tǒng)層和模塊層兩個層面，模塊層主要實(shí)現(xiàn)信號的測量和數(shù)據(jù)的上報，每個模塊需要根據(jù)內(nèi)部的硬件設(shè)計來開發(fā)對應(yīng)的測試軟件，而系統(tǒng)層軟件需要實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)測試模式的切換控制、測試數(shù)據(jù)的查詢和匯總分析等，是嵌入式測試系統(tǒng)軟件開發(fā)的重點(diǎn)，因此，以下主要講述系統(tǒng)層測試軟件的開發(fā)。

嵌入式測試系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖8所示，測試包括上電測試模式、周期測試模式和維護(hù)測試模式。電子設(shè)備上電后，自動進(jìn)入上電測試模式，完成對電子設(shè)備的初始測試；上電測試完畢后，自動切換進(jìn)入周期測試模式，嵌入式測試系統(tǒng)以固定周期對電子設(shè)備進(jìn)行測試，直到嵌入式測試系統(tǒng)接收到維護(hù)控制指令、待機(jī)控制指令或者停止命令，才終止周期測試；嵌入式測試系統(tǒng)接收到維護(hù)模式的指令后，進(jìn)入維護(hù)模式，等待操作人員的選擇開展相應(yīng)的測試，當(dāng)它接收到切換至正常模式的指令時，將退出維護(hù)測試模式，進(jìn)入周期測試模式；待機(jī)模式由操作人員在人機(jī)交互界面選擇，一旦選擇待機(jī)模式，嵌入式測試系統(tǒng)將停止測試，處于休眠狀態(tài)，等待操作人員操作喚醒。

與嵌入式測試系統(tǒng)運(yùn)行模式對應(yīng)，嵌入式測試系統(tǒng)軟件也分為上電測試軟件、周期測試軟件和維護(hù)測試軟件三大部分，各部分的主要流程如下。

（1）上電測試軟件流程

上電測試時，系統(tǒng)層測試控制單元首先下發(fā)全系統(tǒng)狀態(tài)查詢指令，各模塊層測試控制單元對內(nèi)部狀態(tài)信號進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)打包上報至系統(tǒng)層測試控制單元，由系統(tǒng)層測試控制單元對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，綜合判斷系統(tǒng)內(nèi)部各模塊是否存在故障，如有故障則上報人機(jī)交互界面輸出，如系統(tǒng)內(nèi)部各模塊狀態(tài)均正常，則系統(tǒng)層測試控制單元將控制電子設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)功能自檢測，此檢測需電子設(shè)備進(jìn)入特定的模式，通過對內(nèi)部各種模塊資源進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備主要功能，以及內(nèi)部各模塊之間交互信號的測試，在電子設(shè)備完成這些交互測試過程中，嵌入式測試系統(tǒng)通過各模塊層測試控制單元不斷獲取電子設(shè)備的各種狀態(tài)參數(shù)，通過這些參數(shù)來最終判斷電子設(shè)備的功能是否存在故障，并對故障進(jìn)行定位和上報。上電測試流程圖如圖9所示。

（2）周期測試軟件流程

周期測試時，系統(tǒng)層測試控制單元以固定周期下發(fā)全系統(tǒng)狀態(tài)查詢指令，各模塊層測試控制單元對內(nèi)部狀態(tài)信號進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)打包上報至系統(tǒng)層測試控制單元，由系統(tǒng)層測試控制單元對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，綜合判斷系統(tǒng)內(nèi)部各模塊是否存在故障，如有故障則上報人機(jī)交互界面輸出。周期測試流程圖如圖10所示。

（3）維護(hù)測試軟件流程

維護(hù)測試的流程與上電測試流程基本一致，只是由于電子設(shè)備上電啟動一般有時間限制，因此上電測試流程中只能對電子設(shè)備的主要功能進(jìn)行檢測，相比較而言，維護(hù)測試的時間限制較寬松，可對電子設(shè)備的絕大多數(shù)功能進(jìn)行測試，測試更細(xì)致、準(zhǔn)確。

4結(jié)束語

本文從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和軟件流程三個方面闡述了航空電子設(shè)備嵌入式測試系統(tǒng)的設(shè)計，該設(shè)計已成功應(yīng)用于某機(jī)載電子設(shè)備中，與上一代機(jī)載電子設(shè)備相比，其故障自檢測能力明顯提升，故障檢測率可達(dá)85%以上。該嵌入式測試系統(tǒng)具有體積小、智能化程度高和測試效率高等特點(diǎn)，大大增強(qiáng)航空電子設(shè)備的自檢測診斷能力，對提升航空電子設(shè)備的使用保障能力有著重要的意義。另外，該設(shè)計思路作為通用設(shè)計思路，對其他設(shè)備的嵌入式測試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計也具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張建偉，葉東升.嵌入式系統(tǒng)測試的發(fā)展[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（2）：5-7. Zhang Jianwei， Ye Dongsheng. Development of embedded system testing[J].Microcontrollers & Embedded Systems，2011（2）：5-7.（in Chinese）

[2]石君友.測試性設(shè)計分析與驗(yàn)證[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011. Shi Junyou. Testability design analysis and verification[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2011.（in Chinese）

[3]溫熙森.智能機(jī)內(nèi)測試?yán)碚撆c應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002. Wen Xisen.Theory and application of intelligent built-in test[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2002.（in Chinese）

[4]李更祥.嵌入式計算機(jī)應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)機(jī)內(nèi)測試設(shè)備的設(shè)計[J].計算機(jī)自動測量與控制，2001，9（2）：59-62. Li Gengxiang. Design of embedded computer applied to phased array radar for built-in test equipment[J]. Computer Automated Measurement & Control， 2001，9（2）：59-62. （in Chinese）

[5]劉艷強(qiáng).CANaerospace：航空機(jī)載設(shè)備通信總線協(xié)議[J].測控技術(shù)，2005，24（2）：46-48. Liu Yanqiang. CANaerospace：a communication specification for airborne equipments[J]. Measurement & Control Technology， 2005，24（2）：46-48. （in Chinese）

[6]吳一坤. CANaerospace協(xié)議探究及設(shè)計應(yīng)用[J].艦船電子對抗，2019，42（3）：112-115. Wu Yikun. CANaerospace protocol exploration and design application[J].Shipboard Electronic Countermeasure， 2019，42（3）：112-115.（in Chinese）

[7]陳光.FlexRay總線在脈沖源控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2019，38（12）：135-139. Chen Guang. Application of flexRay bus in pluse source control system design[J]. Foreign Electronic Measurement Technology，2019，38（12）：135-139.（in Chinese）

[8]王維斌.基于MC9S12XS128單片機(jī)的CAN總線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2019，36（5）：36-38. Wang Weibin.Design of CAN bus communication node based on MC9S12XS128 MCU[J].Telecom Power Technology，2019，36（5）：36-38.（in Chinese）

[9]楊晶.CAN總線接口電路設(shè)計[J].辦公自動化，2010（1）： 34-45. Yang Jing.Design of can bus interface circuit[J].Office Informatization， 2010（1）： 34-45.（in Chinese）

[10]徐木水.基于FPGA的CAN總線通信接口的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010，18（10）：96-99. Xu Mushui.Design of CAN bus communication interface based on FPGA[J]. Electronic Design Engineering， 2010， 18（10）： 96-99. （in Chinese）（責(zé)任編輯王為）

作者簡介

何麗（1978-）女，學(xué)士，高級工程師。主要研究方向：電子裝備測試性設(shè)計研究、健康管理及故障預(yù)測技術(shù)研究。

Tel：028-62552829

E-mail：1351900526@qq.com

陳波（1976-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：電子裝備綜合保障研究、健康管理及故障預(yù)測技術(shù)研究。

Tel：028-62552844

E-mail：cb123lqh@aliyun.com

Design and Implementation of Embedded Testing in Avionics

He Li*，Chen Bo

Southwest Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China

Abstract： With the development and application of modern electronic technology， the performance of avionics equipment is greatly improved， but it brings the electronic equipment with new problems of fault diagnosis. In order to solve the problems of fault diagnosis and location， embedded test technology is introduced into avionics to improve the BIT. The paper introduces the process of designing and executing the equipment testing system at the view of system architecture，hardware and software. The methods discussed in the paper is helpful to improve the self-test and diagnosis ability of avionics.

Key Words： embedded test； CAN； decentralized-centralized structure； test control unit； MC9S12XF512