基于SystemVerilog的機(jī)載應(yīng)答機(jī)驗(yàn)證技術(shù)的研究*

田 毅，李 宏，馬騰達(dá)，薛茜男

(1.中國(guó)民航大學(xué)，適航審定技術(shù)與管理研究中心，民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300;2.民用飛機(jī)模擬飛行國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200232;3.中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

機(jī)載應(yīng)答機(jī)對(duì)飛機(jī)的安全有著重大影響，其作用是接收和識(shí)別其他TCAS或者二次雷達(dá)地面站的詢問(wèn)，再按照相應(yīng)的技術(shù)要求做出應(yīng)答［1］。目前，民航機(jī)載應(yīng)答機(jī)有3種模式:A模式、C模式、S模式，其中A模式和C模式的脈沖形式完全相同［2］。應(yīng)答機(jī)作為研制保證等級(jí)為C級(jí)的機(jī)載電子設(shè)備，會(huì)使飛機(jī)的性能顯著下降，顯著地增加機(jī)組工作量或降低其工作效率，對(duì)飛機(jī)安全有重大的影響。所以按照民航適航要求需要對(duì)設(shè)備中的機(jī)載復(fù)雜電子硬件(如FPGA)進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證［3］。比如，在功能仿真階段需要模擬真實(shí)信號(hào)的脈沖寬度(含閾值)，在測(cè)試平臺(tái)(TestBench)中模擬生成含有恰當(dāng)變化的測(cè)試激勵(lì)。按照RTCA DO-181的規(guī)定，A模式、C模式、S模式的各個(gè)詢問(wèn)脈沖都含有特殊的脈寬限制，因此如果采用傳統(tǒng)的直接驗(yàn)證方式，驗(yàn)證工程師需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)搭建測(cè)試平臺(tái)。SystemVerilog是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述和驗(yàn)證語(yǔ)言，集成了來(lái)自SUPERLOG、VERA、C、C++和 VHDL語(yǔ)言的特點(diǎn)，提供了包括帶約束的隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生、覆蓋率驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證、斷言等功能，適于對(duì)于復(fù)雜信號(hào)的功能仿真驗(yàn)證［4-5］。

1 A/C/S模式工作原理

A/C/S模式詢問(wèn)信號(hào)主要由4種脈沖構(gòu)成，按照順序分別為 P1、P2、P3、P4，其中 P1、P3 脈沖起到詢問(wèn)信號(hào)的作用，P2用于抑制應(yīng)答機(jī)對(duì)旁波瓣詢問(wèn)信號(hào)的應(yīng)答，P4是用來(lái)區(qū)分A/C模式和S模式。通過(guò)4種脈沖的有無(wú)、寬度和間隔的組合構(gòu)成詢問(wèn)信號(hào)，主要有普通詢問(wèn)信號(hào)、全呼叫詢問(wèn)信號(hào)、僅呼叫詢問(wèn)信號(hào)。在實(shí)際中受到天氣、收發(fā)機(jī)功率、電磁干擾等影響，接收到的詢問(wèn)信號(hào)脈沖不能夠很好的保證在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，故驗(yàn)證收發(fā)機(jī)對(duì)于接收脈沖信號(hào)是否能夠準(zhǔn)確識(shí)別是收發(fā)機(jī)研制的關(guān)鍵點(diǎn)。

對(duì)每種詢問(wèn)信號(hào)，脈沖寬度并非只是一個(gè)固定值，而是允許在一定范圍內(nèi)的，而脈沖之間的間隔也是如此。綜合上述介紹，每種詢問(wèn)信號(hào)有2～4個(gè)脈沖(一定有P1、P3)，去掉各種詢問(wèn)信號(hào)不應(yīng)有的脈沖，各種詢問(wèn)信號(hào)均可歸結(jié)為圖1所示波形，其中A0、A1、A2、A3 分別為脈沖寬度，B0、B1、B2、B3 分別為脈沖間隔(B中的最后一個(gè)非零值為兩個(gè)詢問(wèn)信號(hào)間隔)。

圖1 詢問(wèn)信號(hào)波形圖

各種詢問(wèn)信號(hào)的脈沖寬度、間隔如表1。

表1 各種詢問(wèn)信號(hào)的脈沖寬度、間隔表 單位:μs

1.1 普通詢問(wèn)信號(hào)

普通詢問(wèn)信號(hào)只有P1、P2和P3，按照模式分成A模式和C模式，這兩種模式均有P1和P3，且脈沖寬度均為0.8 μs，只是P1和P3的間隔不同，A模式為8 μs，C 模式為21 μs。還可按照對(duì) A 模式詢問(wèn)信號(hào)是否抑制、A模式抑制旁瓣詢問(wèn)信號(hào)、C模式詢問(wèn)信號(hào)、C模式抑制旁瓣詢問(wèn)信號(hào)，記為CALL_A、CALL_A2、CALL_C、CALL_C2。

1.2 全呼叫詢問(wèn)信號(hào)

全呼叫詢問(wèn)信號(hào)和普通詢問(wèn)信號(hào)類似，只是在P3后面加入了脈沖寬度為1.6 μs的P4，其分類方法也和普通詢問(wèn)信號(hào)一樣，分為4種詢問(wèn)信號(hào):A模式全呼叫詢問(wèn)信號(hào)、A模式全呼叫抑制旁瓣詢問(wèn)信號(hào)、C模式全呼叫詢問(wèn)信號(hào)、C模式全呼叫抑制旁瓣詢問(wèn)信號(hào)，記為 ALLCALL_A、ALLCALL_A2、ALLCALL_C、ALLCALL_C2。

1.3 僅呼叫詢問(wèn)信號(hào)

僅呼叫詢問(wèn)信號(hào)和全呼叫詢問(wèn)信號(hào)類似，只是在P3后面加入了脈沖寬度為0.8 μs的P4，其分類方法也和普通詢問(wèn)信號(hào)一樣，分為4種詢問(wèn)信號(hào):A模式全呼叫詢問(wèn)信號(hào)、A模式全呼叫抑制旁瓣詢問(wèn)信號(hào)、C模式全呼叫詢問(wèn)信號(hào)、C模式全呼叫抑制旁瓣詢問(wèn)信號(hào)，記為 ONLYCALL_A、ONLYCALL_A2、ONLYCALL_C、ONLYCALL_C2。

2 測(cè)試激勵(lì)

從表1中可以看出，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是μ±σ型，其中μ為理想值，σ為容差，所以可以用正態(tài)分布來(lái)描述此類數(shù)據(jù)。然而，例如CALL_A2的A1，其理想值為0.8 μs，容差上限為1.2 μs，下限為0.3 μs。容差的上限和下限并不相等，且下限較為接近0，使用正態(tài)分布容易產(chǎn)生負(fù)值等錯(cuò)誤，故需要對(duì)正態(tài)分布進(jìn)行改進(jìn)［6］。

2.1 基于正態(tài)分布的脈沖寬度、間隔

由于脈沖寬度和間隔均有一定的容限，所以采用正態(tài)分布來(lái)產(chǎn)生測(cè)試激勵(lì)，能夠更精確的描述實(shí)際情況，通過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)調(diào)整注入錯(cuò)誤的概率。這樣既能很好的描述脈沖的寬度，又能很方便的注入錯(cuò)誤。采用系統(tǒng)函數(shù)$dist_normal()生成測(cè)試向量，即

隨機(jī)生成正確激勵(lì)的概率為:

式中seed為隨機(jī)種子，max為容差上限，min為容差下限，mean為平均值，dev為標(biāo)準(zhǔn)差。其中max、min、mean為已知值，可通過(guò)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)差值，使P(rignt)=90%。

2.2 改進(jìn)正態(tài)分布

表1中的多數(shù)情況均可用正態(tài)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是 CALL2 的 A1 值為 0.3 μs～1.2 μs，其期望值為0.8 μs，其值并非對(duì)稱，且單純使用正態(tài)分布會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，即有一定概率產(chǎn)生負(fù)值，或產(chǎn)生一個(gè)很大的時(shí)間。所以要設(shè)定一個(gè)故障范圍，將故障值約束在一定范圍之內(nèi)。300 ns～1 200 ns為正常值，設(shè)定2 00ns～300 ns和1 200 ns～1 400 ns為故障值，當(dāng)隨機(jī)出的數(shù)值不在正常值的區(qū)間內(nèi)時(shí)，則歸結(jié)到該故障值內(nèi)，故障值采用平均分布。改進(jìn)正態(tài)分布概率如圖2所示。

圖2 改進(jìn)正態(tài)分布概率圖

為保證隨機(jī)生成正確激勵(lì)的概率約等于90%，將標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)為268，則

則隨機(jī)生成錯(cuò)誤激勵(lì)的概率為

由于將所有的錯(cuò)誤情況都?xì)w結(jié)到［200:299］和［1201:1400］這個(gè)區(qū)間內(nèi)的平均分布，此平均分布的區(qū)間長(zhǎng)度為400，則此平均分布的概率為

2.3 脈沖生成

應(yīng)答機(jī)12種詢問(wèn)信號(hào)都可歸結(jié)成圖1所示波形，依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，來(lái)生成相應(yīng)的詢問(wèn)信號(hào)。對(duì)于每個(gè)脈沖，只需保證脈沖寬度和間隔符合要求即可，由于這兩者均為隨機(jī)數(shù)，所以采用并行語(yǔ)句來(lái)描述。

詢問(wèn)信號(hào)最多有4個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的形式相同，所以通過(guò)for循環(huán)來(lái)逐個(gè)生成，即通過(guò)for循環(huán)來(lái)不斷的調(diào)用gen_forkwave任務(wù)。

2.4 詢問(wèn)信號(hào)生成

由于各種詢問(wèn)信號(hào)都可以歸結(jié)為圖1所示的波形，所以只寫(xiě)一個(gè)task使其能產(chǎn)生各種波形。首先將各種詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行定義，將其定義成枚舉類型wavemode，作為task的輸入變量，以識(shí)別所需產(chǎn)生的詢問(wèn)信號(hào)。

task通過(guò)輸入的枚舉變量來(lái)識(shí)別所需生成的詢問(wèn)信號(hào)后，還要從表1中查出對(duì)應(yīng)的脈沖寬度和間隔。所以，將各種詢問(wèn)信號(hào)的脈沖寬度和間隔都存入一個(gè)4維數(shù)組常量 ALL_WAVE_INFO［12］［2］［4］［6］中。其中第一維用來(lái)區(qū)分詢問(wèn)信號(hào)類型，第二維用來(lái)區(qū)分脈沖寬度和間隔，第三維用來(lái)指示脈沖寬度An和間隔Bn中的n，第四維用來(lái)存儲(chǔ)該隨機(jī)數(shù)值的信息。

3 驗(yàn)證

驗(yàn)證主要提供硬件設(shè)計(jì)符合需求的證據(jù)。在驗(yàn)證過(guò)程中采用適宜的方法對(duì)硬件進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行測(cè)量。常用的方法有評(píng)審、分析及測(cè)試或三者的組合。

待驗(yàn)應(yīng)答機(jī)所選用的是Altera公司的CycloneⅢ系列的某型芯片，并在設(shè)計(jì)中調(diào)用了內(nèi)部的IP核資源，包括:加法器、乘法器、PLL、緩存核等。項(xiàng)目組按照適航要求，對(duì)待驗(yàn)證FPGA的原廠提供的質(zhì)量證明、生產(chǎn)記錄及該型元器件成功工作的服務(wù)歷史等相關(guān)信息進(jìn)行了評(píng)估，并按照原廠指導(dǎo)對(duì)于主要功能IP(如緩存)進(jìn)行了驗(yàn)證，從而保證這些設(shè)計(jì)不可控元素的可靠性。在此基礎(chǔ)上，搭建下述驗(yàn)證分析平臺(tái)［7-8］。

3.1 驗(yàn)證分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)

采用分層結(jié)構(gòu)來(lái)搭建驗(yàn)證平臺(tái)［9-10］，主要由數(shù)據(jù)生成器、驅(qū)動(dòng)器、記分牌、監(jiān)視器和斷言等組件組成，如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)生成器用來(lái)生成數(shù)據(jù)模式，具體到本驗(yàn)證平臺(tái)，就是生成一組詢問(wèn)模式變量，都寫(xiě)入郵箱傳遞給驅(qū)動(dòng)器組件。

驅(qū)動(dòng)器根據(jù)數(shù)據(jù)生成器的數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，發(fā)送給待測(cè)設(shè)計(jì);在發(fā)送給記分牌時(shí)，并將其中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，只將正確數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)去。

監(jiān)視器監(jiān)視待測(cè)設(shè)計(jì)的輸出，并將其傳給記分牌。記分牌將驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)視器的數(shù)據(jù)作對(duì)比，即可判斷待測(cè)設(shè)計(jì)的正確性。

斷言組件單獨(dú)寫(xiě)成一個(gè)module，待測(cè)設(shè)計(jì)的輸入和輸出都作為斷言模塊的輸入，檢測(cè)待測(cè)設(shè)計(jì)的屬性是否符合設(shè)計(jì)需求。在測(cè)試平臺(tái)中，通過(guò)關(guān)鍵字blind與待測(cè)設(shè)計(jì)綁定［11］。

3.2 組件

除斷言以外的模塊都是通過(guò)類(class)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在類中定義成員變量及函數(shù)、任務(wù)，而組件之間的通信都是通過(guò)郵箱(mailbox)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以數(shù)據(jù)生成器為例，其代碼如下:

在每個(gè)類中，首先要定義成員變量，包括用作通信的郵箱以及需要隨機(jī)的變量等;由于在實(shí)例化時(shí)需要給該類加一個(gè)郵箱參數(shù)，所以還要定義一個(gè)帶參數(shù)的new()函數(shù);最后就是任務(wù)，通過(guò)任務(wù)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，包括向郵箱內(nèi)寫(xiě)數(shù)據(jù)以傳遞給后面的組件等。

圖4 概率分布圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 改進(jìn)型正態(tài)分布

以CALL2的A1值為例，采用改進(jìn)型正態(tài)分布生成1000次隨機(jī)值，各區(qū)間的概率分布如圖4所示，生成結(jié)果符合圖2的預(yù)期結(jié)果。隨機(jī)變量被約束在200～1 500的范圍之內(nèi)，避免生成負(fù)值造成仿真錯(cuò)誤，并且避免生成一個(gè)極大的正值造成仿真效率下降。

4.2 仿真激勵(lì)波形

依據(jù)機(jī)載應(yīng)答機(jī)各種模式詢問(wèn)信號(hào)要求，應(yīng)用改進(jìn)的正態(tài)分布算法產(chǎn)生脈沖寬度和間隔，生成的各種模式仿真激勵(lì)波形如圖5所示。

圖5 仿真激勵(lì)波形圖

4.3 仿真結(jié)果

在驗(yàn)證平臺(tái)中將上述仿真激勵(lì)注入到待測(cè)設(shè)計(jì)中，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真波形圖

5 結(jié)論

本研究采用改進(jìn)型正態(tài)分布生成測(cè)試向量，通過(guò)SystemVerilog驗(yàn)證語(yǔ)言搭建驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)答機(jī)可編程邏輯器件的驗(yàn)證。改進(jìn)后的測(cè)試激勵(lì)生成算法既避免了產(chǎn)生負(fù)值的錯(cuò)誤，又模擬了真實(shí)情況，在對(duì)機(jī)載應(yīng)答機(jī)的驗(yàn)證中取得了良好的效果，達(dá)到了高效、精確驗(yàn)證的目的。該方法有望應(yīng)用于其他機(jī)載電子設(shè)備可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證中。

［1］馬進(jìn).基于FPGA和TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)綜合化數(shù)字中頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

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