用于航电系统健康诊断的故障注入设备及故障注入方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于航电系统健康诊断的故障注入设备，包括工控单元、波形产生单元和信号调理单元，工控单元根据故障模型负责各个协议的解析与数据的封装，波形产生单元完成数据解析，缓存波形数据，对波形数据通过数模转换，产生的模拟波形输出到信号调理单元，信号调理单元对模拟波形进行再调理最终根据要求输出电气层面的信号至接口连接器。利用该设备模拟实际工作环境中的可能随机/突发故障现象，从而保证在最短时间内验证被诊断系统的可靠性以及正确性，缩短系统的研发、测试和产品化时间，降低非飞行状态下地面维修以及后勤保障成本。
【专利说明】用于航电系统健康诊断的故障注入设备及故障注入方法
【技术领域】
[0001]本发明属航空电子测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着航电系统复杂度的提高，对综合保障和故障诊断维护能力也提出了越来越高的要求。故障诊断方法由外部测试、机内测试(BIT)进化为当前的预测与健康管理(PHM)系统，从状态监控向健康管理转变，这种转变引入了对系统未来可靠性的预测能力，借助这种能力识别和管理航空电子系统故障的发生、规划维修和供应保障，其主要目的是降低使用与保障费用，提高航电系统安全性、完好性和任务成功性，从而以较少的维修投入，实现基于状态的维修。目前，PHM已成为新一代航空电子可靠性与可维护性发展的必然趋势。
[0003]PHM包含两方面的内容，即预测和健康管理，健康是指与期望的正常性能状态相比较的性能下降或偏差程度在允许的范围内；故障预测是指根据系统现在或历史性能状态预测性地诊断部件或系统完成其功能的状态(未来的健康状态)，包括确定部件或者系统的剩余寿命或正常工作的时间长度；健康管理是根据诊断/预测信息、可用维修资源和使用要求对维修活动做出适当决策的能力。PHM系统一般应具备如下功能:故障检测、故障隔离、故障诊断、故障预测、健康管理和寿命追踪。对于复杂航电设备和系统，PHM应能实现不同层次、不同级别的综合诊断、预测和健康管理。
[0004]健康诊断的实现方法主要包括分析故障模式、机理和影响分析，它包括了设计数据、故障模式、故障机理、故障模型、寿命周期剖面和维修记录，传感器数据、总线监视数据和BIT测试结果也用于确定异常状态和参数。通过故障分析，有针对性地进行故障注入，来确定故障可能发生的模式和几率。
[0005]故障注入是指按照事先选定的故障模型，采用特定的策略人为地将故障引入到系统中，以加速故障和错误的发生。通过观察和分析系统在被注入故障情况下的工作状态，评估系统的可靠性。
[0006]由于故障注入一般直接针对目标系统，因此可以避免产生类似解析方法的因模型假设不准确而带来的不精确性。此外在目标系统的设计阶段，模拟故障注入可以作为研究系统故障行为的一种手段，因为采用故障注入的目的就是为了加速失效，在较短时间内获得足够多的失效数据，以便于统计分析。作为一种有效的技术，故障注入已引起越来越多的工程设计人员和研究者的重视。
[0007]根据故障注入实现的技术方法，分为三类故障注入:硬件故障注入、软件故障注入、辐射诱发的故障注入。
[0008]目前故障注入作为一种可靠性测试手段，被广泛应用于计算系统、芯片可靠性分析测试，关于在航电系统的可靠性测试方面，国内外故障注入相关设备的研究及实践处于起步阶段。因此，研究开发一种针对航电系统专用的综合故障注入设备，实现对航电系统健康诊断具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0009]本发明的发明目的在于提供一种用于航电系统健康诊断的故障注入设备，可以在电气层引入波形可编辑的、多种类故障信号的综合故障注入平台。利用该平台模拟实际工作环境中的可能随机/突发故障现象，从而保证在最短时间内验证被诊断系统的可靠性以及正确性，缩短系统的研发、测试和产品化时间，降低非飞行状态下地面维修以及后勤保障成本。
[0010]本发明的发明目的通过以下技术方案来实现:
[0011]一种用于航电系统健康诊断的故障注入设备，包含工控单元、波形产生单元、信号调理单元，所述工控单元根据人机界面对各种故障注入类型进行选择，调用不同故障数据接口模型进行协议封装生成波形数据通过PCI总线送至波形产生单元，以及通过RS232总线向信号调理单元分发控制命令以及信号的参数配置和干扰的参数配置；
[0012]所述波形产生单元通过PCI总线接收波形数据并解析，缓存波形数据，对波形数据进行数模转换，产生的各类模拟信号波形和干扰波形的数据模型输出到信号调理单元；
[0013]信号调理单元处理接收工控单元分发的控制命令及信号的参数配置和干扰的参数配置，同时也接收波形产生单元的各类信号波形和干扰波形的数据模型，产生满足总线协议和电气要求的数据，并通过相应的连接器注入到被测试设备，这些数据包括总线数据和干扰数据等。
[0014]优选地，所述波形产生单元包含DSP模块、FPGA模块、DAC模块、电源模块、时钟模块；
[0015]所述DSP模块用于完成工控单元与波形产生单元之间的接口转换解析数据，以及数据缓存；
[0016]所述FPGA模块包含缓存RAM、异步FIFO以及FIFO控制逻辑芯片，用于完成DSP模块到DAC模块的接口转换、数据缓存以及将数据按照待定刷新率送给DAC做数模转换；
[0017]所述DAC模块用于完成数字信号的转化，并将模拟信号输出到信号调理单元；
[0018]所述电源模块主要功能是实现对各单元提供直接电源，其通过AC-DC电源转换芯片，然后通过稳压、滤波、DC-DC电路转换成各模块所需的直流电源；
[0019]所述时钟模块主要功能是为各模块提供时钟输入，保证传输过程的信号完整性。
[0020]优选地，所述信号调理单元包含信号耦合及分发模块、调理板控制模块、电源模块、各信号调理模块；
[0021]所述电源模块为各模块提供电源保障；
[0022]所述信号耦合及分发模块，将波形产生单元输出的信号耦合到本单元，并在调理板控制模块的控制下将信号分发至各信号调理模块；
[0023]所述信号调理模块，对输入信号进行调理变换，产生满足总线协议和电气要求的数据，并根据工控单元输出的增益控制指令进行信号增益；
[0024]所述调理板控制模块，用于将波形产生单元输出的信号根据工控单元的控制命令进行分发控制。
[0025]进一步，所述信号调理单元包含过流检测模块，过流检测模块对将要输出到被测设备的数据进行检测，如果超过设定幅值，通知工控单元停止故障注入，实现对被测设备的保护。
[0026]优选地，所述信号调理模块包含AFDX接口信号调理模块、RS232信号调理模块、ARINC429接口信号调理模块、电源故障调理模块以及1553信号调理模块，实现不同总线信号的通信协议要求和电气要求以及非总线信号的电气特性要求。
[0027]本发明的另一目的在于提供一种用于航电系统健康诊断的故障注入方法，包括以下步骤:
[0028]A、工控单元根据人机界面对各种故障注入类型进行选择，调用不同故障数据接口模型进行协议封装生成波形数据通过PCI总线送至波形产生单元，以及通过RS232总线向信号调理单元分发控制命令以及信号的参数配置和干扰的参数配置；
[0029]B、波形产生单元通过PCI总线接收波形数据并解析，缓存波形数据，对波形数据进行数模转换，产生的各类模拟信号波形和干扰波形的数据模型输出到信号调理单元；
[0030]C、信号调理单元处理接收工控单元分发的控制命令及信号的参数配置和干扰的参数配置，同时也接收波形产生单元的各类信号波形和干扰波形的数据模型，产生满足总线协议和电气要求以及非总线信号的电气特性要求的数据，并通过相应的连接器注入到被测试设备。进一步，所述步骤C中还包含如果输出的数据超过设定幅值，信号监测模块将实施检测到并通知工控单元停止故障注入，实现对设备的保护。
[0031]本发明通过故障注入设备的使用，按照事先选定的故障模型，采用某种策略认为地将故障引入被测系统中，通过观察和分析系统在被注入故障情况下的行为，可以为实验者提供所需的定性和定量的评价结果。通过故障注入的测试，可以在产品研制阶段发现产品设计设计缺陷，提供系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是故障注入设备硬件架构框图；
[0033]图2是信号调理单元的架构框图；
[0034]图3是电源故障注入模块的架构图；
[0035]图4是ARINC429故障注入的软件架构框图；
[0036]图5是RS232故障注入的硬件架构图
具体实现方式
[0037]下面结合附图给出本发明的实施方式，以详细说明本发明的技术方案。
[0038]图1是本发明故障注入设备的总体架构图。本发明主要实现对被测设备的模拟故障输入，主要是模拟故障的电气信号进行故障注入，主要包括以下故障注入信号:电源的故障注入，1553信号的故障注入，ARINC429故障信号注入，AFDX故障信号注入，RS232故障信号注入以及干扰信号的叠加注入。本设备采用人机界面的形式，可对各种故障注入类型进行选择，当选择某一种故障模式时，通过主界面的参数配置和命令分发，对该类型数据接口进行调用，通过解析来自底层的数据协议包，并根据不同的接口协议进行组包，协议封装完成后，就可以进行波形绘制，显示在该故障注入的编辑界面上，编辑完成后，通过输出接口输出到网络接口上。因此，实现对不同故障注入类型的选择，实际上就是调用不同故障数据接口模型，经过协议封装、波形绘制及编辑，最终输出到被测试设备上。[0039]图1中的工控单元通过人机界面发送指令，根据人机界面对各种故障注入类型进行选择，调用不同故障数据接口模型进行协议封装生成波形数据通过PCI总线送至波形产生单元，波形产生单元根据各个协议的选择来生成信号的时序信息，同时做一些信号的预处理；之后数据会被送至信号调整单元，信号调整单元再处理接收到的数据，最终根据要求输出电气层面的信号至接口连接器。如果输出超过设定幅值，过流检测装置将实施检测到并通知工控单元停止故障注入，实现对设备的保护。
[0040]其中波形产生单元由DSP模块、FPGA模块、DAC模块、电源模块以及时钟模块组成，该单元主要功能是与工控单元的接口，完成PCI总线数据解析，缓存波形数据，对波形数据通过数模转换，产生的模拟波形输出到信号调理单元。DSP模块主要用于完成工控单元与波形产生单元之间的接口，以及数据缓存功能，其主要是以PCI总线作为接口，DSP处理器选择TMS320C6416，以及FLASH、SDRAM等作为外围芯片，实现DSP模块的处理功能。FPGA模块主要功能是完成DSP模块到DAC模块的接口转换、数据缓存以及将数据按照待定刷新率送给DAC做数模转换，其主要是通过缓存RAM、异步FIFO以及FIFO控制逻辑芯片来实现FPGA模块的控制功能。DAC模块主要功能是完成数字信号的转化，并将模拟信号进行交流耦合传输到信号调理单元，DAC模块主处理芯片选择AD公司的AD9777可编程器件，转换后的数据通过中心抽头变压器进行交流耦合，实现DAC的输出功能。电源模块主要功能是实现对各单元提供直接电源，其通过AC-DC电源转换芯片，然后通过稳压、滤波、DC-DC电路转换成各模块所需的直流电源。时钟模块主要功能是为各模块提供时钟输入，保证传输过程的信号完整性。
[0041]图2是本发明的核心单元信号调理单元，信号调理单元由信号耦合及分发模块、调理板控制模块、电源模块、过流检测模块、AFDX接口信号调理模块、RS232信号调理模块、ARINC429接口信号调理模块以及离散信号调理模块。
[0042]信号耦合及分发模块，将DAC输出信号耦合到本单元，并在调理板控制模块的控制下将信号分发至各接口信号的信号调理模块；
[0043]信号调理模块，对输入信号进行调理变换，使之满足各接口要求，信号的增益由工控单元的主界面软件的波形区通过波形的缩放操作(幅度的放大缩小等)，向信号调理模块输出增益控制指令，信号调理模块解析工控单元的幅值，选择不同的增益控制，实现信号的增益控制。
[0044]调理板控制模块，负责调理板与工控单元的通信，DAC信号分发控制以及过流保护等功能。
[0045]图3是电源故障注入模块的架构图，采用波形合成技术，工控单元把所需要的电源输出合成一个波形，如果没有干扰，就是一个恒定的电平信号，如果有干扰信号，把干扰信号数字化后和输出的电平信号合成，然后输出到波形产生单元进行数模转换，再通过信号调理单元的电源故障调理模块进行大功率运放，驱动输出，产生所需要的电源电压；
[0046]图4是ARINC429故障注入的架构框图，通过工控单元的Π设计的用户界面，设置生成波形的参数，添加需要输出的原始数据开始生成波形，将数据模拟ARINC429帧结构在工控单元中开始组包，然后进行曼彻斯特编码和滤波，达到标准的网络物理传输的数据，然后将结果存放到一个事先开放的缓存中，UI界面在生成波形时按照缓存里的数据生成波形，当需要配置输出故障激励数据时，可根据需要叠加干扰波或增加毛刺，最终将这些信号通过信号调理单元输出到被测设备的ARINC429网络中；除了对电气层进行故障注入以外，协议层错误也可对各个字段进行可靠性测试，可靠性测试类型包括错误:位取反、随机数、常值替换，可以随机、按时间间隔、按字节间隔、对数据帧种特定数据位替换，对数据帧的定位支持最多4个连续WORD，可进行位屏蔽，帧定位故障数据支持4组，每组I个WORD，可进行位屏蔽，各组的故障类型可调整。
[0047]AFDX故障注入的软件架构和硬件架构与ARINC429的基本相同，AFDX故障注入采用的是UDP/IP协议来进行组包处理，依次在工控单元中进行UDP组包，IP组包，MAC组包，等协议封装完成后，开始绘制波形，然后进行曼彻斯特编码和滤波，达到标准的网络物理传输的数据；将结果存放到一个事先开放的缓冲区中，当输出波形的时候，将数据输出到波形产生单元中的FPGA模块，然后FPGA将其输出到DAC模块转换成模拟信号输出。AFDX电气层可注入频率漂移错误，MAC层可注入帧间隙(IFG)错误，短前导码(short preamble)错误，循环冗余码校验(CRC)错误，以太网类型错误；AFDX协议层可注入帧长度错误，冗余序列数(RSN)错误，BAG错误，VL/Port错误，报文格式错误等。
[0048]MIL-STD-1553总线故障注入的软件架构和硬件架构与上述两种总线的基本相同，通过工控单元中生成MIL-STD-1553接口数据，在波形产生单元的FPGA模块中进行滤波生成带毛刺的加噪信号，这些信号输入到波形产生单元的DAC模块中，经过转换输出的1553信号在信号调理板中调整为要求的电平，最终耦合到被测产品的1553总线上去。1553总线故障输出电气层可进行信号占空比调节，输出斜率调节以及总线信号噪声和毛刺模拟，协议层可对总线响应延迟，总线信号位错误以及消息替换等故障的模拟。
[0049]图5是RS232故障注入的硬件架构图，RS232故障注入通过应用界面控制，故障信号的产生、RS232原始数据块的产生，并添加奇偶校验位、起始位、停止位、插值滤波等在工控单元中处理后输出给波形产生单元，DSP通过PCIe总线接收数据，通过FPGA控制DAC输出和调理板控制模块增益控制处理，最终通过信号调理单元的信号耦合及分发模块和信号调理模块输出RS232信号。RS232的故障模式可分为传输错误和数据位错误，传输错误包括提供起始位、停止位错误模式，数据位错误可进行取反、随机数以及常值替换以及可进行位屏蔽。
【权利要求】
1.一种用于航电系统健康诊断的故障注入设备，包含工控单元、波形产生单元、信号调理单元，其特征在于所述工控单元根据人机界面对各种故障注入类型进行选择，调用不同故障数据接口模型进行协议封装生成波形数据通过PCI总线送至波形产生单元，以及通过RS232总线向信号调理单元分发控制命令以及信号的参数配置和干扰的参数配置； 所述波形产生单元通过PCI总线接收波形数据并解析，缓存波形数据，对波形数据进行数模转换，产生的各类模拟信号波形和干扰波形的数据模型输出到信号调理单元； 信号调理单元处理接收工控单元分发的控制命令及信号的参数配置和干扰的参数配置，结合波形产生单元的各类信号波形和干扰波形的数据模型，产生满足总线协议和电气要求的数据，并通过相应的连接器注入到被测试设备，这些数据包括总线数据和干扰数据坐寸ο
2.根据权利要求1所述的故障注入设备，其特征在于所述波形产生单元包含DSP模块、FPGA模块、DAC模块、电源模块、时钟模块； 所述DSP模块用于完成工控单元与波形产生单元之间的接口转换解析数据，以及数据缓存； 所述FPGA模块包含缓存RAM、异步FIFO以及FIFO控制逻辑芯片，用于完成DSP模块到DAC模块的接口转换、数据缓存以及将数据按照待定刷新率送给DAC做数模转换； 所述DAC模块用于完成数字信号的转化，并将模拟信号输出到信号调理单元。 所述电源模块主要功能是实现对各单元提供直接电源，其通过AC-DC电源转换芯片，然后通过稳压、滤波、DC-DC电路转换成各模块所需的直流电源； 所述时钟模块主要功能是为各模块提供时钟输入，保证传输过程的信号完整性。
3.根据权利要求1或2所述的故障注入设备，其特征在于所述波形产生单元中共有2块功能完全一样的DAC模块，由FPGA模块的缓存RAM控制将波形数据送到相对应DAC模块的通道，最终完成该波形数据的数模转换。
4.根据权利要求1所述的故障注入设备，其特征在于所述信号调理单元包含信号耦合及分发模块、调理板控制模块、电源模块、各信号调理模块； 所述电源模块为各模块提供电源保障； 所述信号耦合及分发模块，将波形产生单元输出的信号耦合到本单元，并在调理板控制模块的控制下将信号分发至各信号调理模块； 所述信号调理模块，对输入信号进行调理变换，产生满足总线协议和电气要求的数据，并根据工控单元输出的增益控制指令进行信号增益； 所述调理板控制模块，用于将波形产生单元输出的信号根据工控单元的控制命令进行分发控制。
5.根据权利要求1或4所述的故障注入设备，其特征在于所述信号调理单元包含过流检测模块，过流检测模块对将要输出到被测设备的数据进行检测，如果超过设定幅值，通知工控单元停止故障注入，实现对被测设备的保护。
6.根据权利要求4所述的故障注入设备，其特征在于所述信号调理模块包含AFDX接口信号调理模块、RS232信号调理模块、ARINC429接口信号调理模块、电源故障调理模块以及1553信号调理模块，实现不同总线信号的通信协议要求和电气要求以及非总线信号的电气特性要求。
7.一种用于航电系统健康诊断的故障注入方法，包括以下步骤: A、工控单元根据人机界面对各种故障注入类型进行选择，调用不同故障数据接口模型进行协议封装生成波形数据通过PCI总线送至波形产生单元，以及通过RS232总线向信号调理单元分发控制命令以及信号的参数配置和干扰的参数配置； B、波形产生单元通过PCI总线接收波形数据并解析，缓存波形数据，对波形数据进行数模转换，产生的各类模拟信号波形和干扰波形的数据模型输出到信号调理单元； C、信号调理单元处理接收工控单元分发的控制命令及信号的参数配置和干扰的参数配置，同时也接收波形产生单元的各类信号波形和干扰波形的数据模型，产生满足总线协议和电气要求以及非总线信号的电气特性要求的数据，并通过相应的连接器注入到被测试设备。
8.根据权利要求7所述的故障注入方法，其特征在于所述步骤C中还包含如果输出的数据超过设定幅值，信号监测 模块将实施检测到并通知工控单元停止故障注入，实现对设备的保护。
【文档编号】H04L12/26GK103631255SQ201310642372
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】周卫春, 浦建开, 陈稀亮, 王泰真 申请人:中国航空无线电电子研究所