航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計

肖文定

(成都天奧測控技術(shù)有限公司， 成都 611731)

航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計

肖文定

(成都天奧測控技術(shù)有限公司， 成都 611731)

針對航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)靜態(tài)測試系統(tǒng)的不足， 提出了一種類似仿真環(huán)境的動態(tài)測試方法. 該動態(tài)測試系統(tǒng)由總線控制單元、 開關(guān)矩陣單元、 信號調(diào)理單元、 電源單元、 顯示鍵盤單元、 測試儀器儀表單元和接口面板單元組成， 綜合運用了動態(tài)實時仿真技術(shù)、 故障注入技術(shù)和故障診斷技術(shù)， 有效保證了航空電子設(shè)備測試鏈路的完整性， 提高了航空電子設(shè)備的測試效率、 實時性和可靠性， 減輕了維護保障人員的勞動強度， 同時達到了測試設(shè)備好用、 管用和實用的要求， 填補了以往靜態(tài)測試系統(tǒng)的不足.

通信導(dǎo)航識別設(shè)備； 動態(tài)測試系統(tǒng)； 故障注入； 故障診斷

0 引 言

航電系統(tǒng)全稱“綜合航空電子系統(tǒng)”， 是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的一個重要組成部分， 戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)性能與航電系統(tǒng)密切相關(guān). 常言道： 沒有高性能的航電系統(tǒng)， 就不可能有高效作戰(zhàn)的戰(zhàn)斗機. 其中通信導(dǎo)航識別設(shè)備(Communication， Navigation and Identification， 即CNI子系統(tǒng))是航電系統(tǒng)的重要組成部分， 占有至關(guān)重要的地位[1-3]. 航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)主要包括主控制器、 備份控制器、 電源控制單元、 短波電臺、 超短波電臺、 高度表、 羅盤、 塔康、 精密測距和敵我識別等功能設(shè)備.

由于航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)的重要性， 所以該子系統(tǒng)的維護保障就更顯重要. 目前已有的測試設(shè)備都為靜態(tài)測試系統(tǒng)， 如此一來， 怎樣全面智能化、 高效化、 自動化對航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)進行動態(tài)測試(包含靜態(tài)測試)， 并進行故障診斷就成為了亟待解決的問題. 本文提出了一種類似仿真環(huán)境的動態(tài)測試方法， 并能模擬故障注入， 實現(xiàn)了故障隔離.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)動態(tài)測試系統(tǒng)能完成CNI子系統(tǒng)的動態(tài)仿真、 各種靜態(tài)參數(shù)測試、 各種動態(tài)參數(shù)測試， 并具有故障注入和故障隔離功能. 其硬件原理框圖如圖 1 所示.

圖 1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition diagram

如圖 1， 測試系統(tǒng)借助測試儀器完成航電系統(tǒng)CNI子系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)的功能、 性能測試. 測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計， 有總線控制單元、 開關(guān)矩陣單元、 信號調(diào)理單元、 電源單元、 顯示鍵盤單元、 測試儀器儀表單元和接口面板單元組成， 并借助計算機軟件進行設(shè)備動態(tài)實時模擬仿真、 故障注入和故障診斷， 以完成對被測設(shè)備的測試功能.

1.2 軟件設(shè)計

測試軟件依據(jù)項目測試需求擬制開發(fā)計劃， 綜合項目團隊以前的相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗， 以實現(xiàn)設(shè)備功能為目標(biāo)， 力求軟件運行穩(wěn)定、 可靠. 同時， 開發(fā)過程中兼顧軟件的通用性、 靈活性和可擴展性， 以應(yīng)對可能出現(xiàn)的需求改變. 測試軟件結(jié)構(gòu)包括以下幾個方面：

1) 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)分為3層， 如圖 2： 設(shè)備層、 接口層、 應(yīng)用層， 軟件結(jié)構(gòu)如下： 設(shè)備層為系統(tǒng)中各模塊驅(qū)動程序， 該層提供統(tǒng)一的訪問接口， 方便對各硬件設(shè)備的識別、 控制， 同時也提供了上層軟件的可移植性.

圖 2 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure diagram

2) 接口層在設(shè)備層與上層軟件間建立連接， 在接口層實現(xiàn)了應(yīng)用層與設(shè)備通訊的標(biāo)準(zhǔn)接口， 不同的設(shè)備對應(yīng)用層具有相同參數(shù)結(jié)構(gòu)的接口函數(shù)， 通過這些接口， 可以靈活地配置系統(tǒng)規(guī)模而不必更改應(yīng)用軟件. 通過此接口， 應(yīng)用層軟件進行網(wǎng)絡(luò)編程時不必考慮復(fù)雜的通訊協(xié)議， 可以提高軟件效率和代碼的安全性.

3) 應(yīng)用層為實現(xiàn)各種功能的上層應(yīng)用軟件， 按其功能以模塊化設(shè)計， 在接口支持的前提下可以靈活地增加功能應(yīng)用軟件模塊.

系統(tǒng)軟件在需要時能滿足用戶自定義測試程序的需求. 用戶無需編程， 采用填表或圖形化的方式進行TPS開發(fā). 用戶可根據(jù)系統(tǒng)測試資源建立針對不同UUT相應(yīng)的TPS， 可編輯測試項目、 測試步驟、 資源配置、 合格判據(jù)等信息， 編輯完畢后可保存測試流程并放入測試程序集中.

軟件平臺規(guī)劃為4個功能模塊， 分別是資源管理模塊、 TPS管理模塊、 向?qū)K和數(shù)據(jù)管理模塊. 軟件平臺各個模塊的功能如下：

1) 資源管理模塊

資源管理模塊具有硬件平臺資源檢定、 配置管理的功能.

檢定模塊提供對硬件平臺全部通用儀器設(shè)備和專用設(shè)備的綜合自檢自校功能， 完成系統(tǒng)硬件資源有無故障的判斷. 此外， 還支持系統(tǒng)硬件平臺資源的定期檢定. 硬件平臺資源的配置在硬件平臺建立后， 當(dāng)系統(tǒng)硬件平臺資源擴展、 替換時， 需重新進行配置操作， 配置信息存入硬件平臺資源數(shù)據(jù)庫.

2) TPS管理模塊

分為用戶登陸、 TPS加載、 TPS運行管理和測試數(shù)據(jù)事后處理.

TPS運行管理在測試程序庫的支持下實現(xiàn)測試程序運行的統(tǒng)一集中管理， 包括測試任務(wù)的選擇、 調(diào)度等. 測試數(shù)據(jù)事后處理功能提供用戶在測試過程結(jié)束后對測試數(shù)據(jù)進行再處理的能力， 也就是將測試過程中存入綜合數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)取出， 進一步分析處理.

3) 向?qū)K

向?qū)K能夠幫助測試人員建立新的產(chǎn)品測試操作流程， 直至測試的開始. 每次產(chǎn)品測試流程后， 生成相應(yīng)操作日志， 日志及數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫形式保存， 內(nèi)容包括： 設(shè)備編號、 日期、 操作者、 批次、 數(shù)量、 測試參數(shù)的設(shè)定值與測試值、 測試開始及結(jié)束時間等， 并生成報告.

4) 數(shù)據(jù)管理模塊

綜合信息管理模塊是一個獨立的模塊， 當(dāng)完成被測設(shè)備的性能測試后， 測試信息、 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果以數(shù)據(jù)庫文件的形式由數(shù)據(jù)管理模塊統(tǒng)一進行管理. 實現(xiàn)綜合信息庫內(nèi)容的添加、 刪除、 查詢、 修改、 顯示、 打印， 并保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的安全性、 一致性.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動態(tài)實時仿真技術(shù)

設(shè)備動態(tài)實時仿真技術(shù)在沒有實際設(shè)備的時候， 可通過軟件進行虛擬原型設(shè)備創(chuàng)建并實時模擬設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)， 使整個被測子系統(tǒng)能夠真實完整地工作， 保證子系統(tǒng)無限接近其在飛機的應(yīng)用狀態(tài)， 而不是使子系統(tǒng)中的設(shè)備獨立測試， 以驗證子系統(tǒng)在不同方式下的運行情況. 由此， 測試系統(tǒng)不但可以不受子系統(tǒng)內(nèi)實際設(shè)備的離線限制進行整個子系統(tǒng)的測試工作， 而且可以節(jié)約用作測試的設(shè)備費用， 降低測試系統(tǒng)的硬件費用， 這樣的設(shè)計給用戶方提供了經(jīng)濟靈活的測試平臺， 并可以實時外加載真實設(shè)備到測試平臺的測試鏈路上， 給測試者提供了真實的環(huán)境， 加快了研制開發(fā)和生產(chǎn)的流程.

其原理框圖如圖 3 所示.

圖 3 系統(tǒng)動態(tài)實時仿真Fig.3 System dynamic real-time simulation

由圖 3 可以看出， 不管被測子系統(tǒng)是否完整， 在本測試系統(tǒng)中可以由軟件數(shù)字模擬的UUT或?qū)嶋H被測設(shè)備組成一個完整的被測子系統(tǒng). 測試系統(tǒng)其中一種狀態(tài)是當(dāng)實際被測設(shè)備處于離線狀態(tài)時， 則可由測試系統(tǒng)動態(tài)生成一個數(shù)字模擬的被測設(shè)備來替代， 進而保持整個被測子系統(tǒng)的鏈路數(shù)據(jù)和狀態(tài)的完整性. 測試系統(tǒng)另一種狀態(tài)是當(dāng)實際被測設(shè)備要加入被測子系統(tǒng)時， 可以通過人際界面設(shè)置使當(dāng)前對應(yīng)的數(shù)字模擬UUT退出模擬狀態(tài)， 然后把該實際被測設(shè)備接入被測子系統(tǒng)， 進而保持整個被測子系統(tǒng)的鏈路數(shù)據(jù)和狀態(tài)的完整性. 這樣就可以保證子系統(tǒng)被測試時鏈路的完整性、 測試過程的智能性、 測試任務(wù)的高效性、 測試數(shù)據(jù)的實時性及測試數(shù)據(jù)的高可靠性. 同時， 系統(tǒng)具有良好的可修改性、 可擴充性和可移植性[4].

圖 4 故障注入流程圖Fig.4 Fault injection flow chart

2.2 故障注入技術(shù)

故障注入， 即按照選定的故障模型， 用人工的方法有意識地產(chǎn)生故障并施加于運行特定工作負責(zé)的目標(biāo)系統(tǒng)中， 以加速該目標(biāo)系統(tǒng)的錯誤和失效的發(fā)生， 同時觀測和回收系統(tǒng)對所注入故障的反映信息， 并對回收信息進行分析， 從而向試驗者提供有關(guān)結(jié)果的試驗過程[5-7]. 通過故障注入可以驗證被測單元(UUT)的機內(nèi)測試或者外部測試的診斷能力[8]. 故障注入主要有3種方法： 仿真故障注入、 硬件故障注入、 軟件故障注入[9]. 本測試系統(tǒng)采用的是軟件故障注入， 主要對CNI子系統(tǒng)的3個方面的故障進行注入：

1) 各種告警故障， 包括決斷高度、 最小燃油、 音調(diào)告警等等；

2) 備份工作狀態(tài)故障；

3) 模擬各信道設(shè)備的故障.

故障注入軟件流程如圖 4 所示.

2.3 故障診斷技術(shù)

要完成復(fù)雜電子裝備的測試， 不僅要求測試設(shè)備能完成裝備性能測試、 功能判斷， 同時要求完成故障診斷等任務(wù)， 對裝備進行較為精準(zhǔn)的故障定位[10]. 本系統(tǒng)的設(shè)計通過對被測設(shè)備(UUT)設(shè)計原理分析及專家經(jīng)驗等， 建立專家系統(tǒng)信息庫， 其中包括各設(shè)備功能模塊與測試信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及各設(shè)備功能模塊發(fā)生故障時的維護方法. 當(dāng)測試數(shù)據(jù)入庫后， 可以根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系表進行分析， 進而定位故障模塊； 根據(jù)維護方法表給出維修建議.

各設(shè)備功能模塊與測試信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系如表 1 所示， 各設(shè)備功能模塊發(fā)生故障時的維護方法如表 2 所示.

表 1 各設(shè)備功能模塊與測試信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系

表 2 各設(shè)備功能模塊發(fā)生故障時的維護方法

采用告警故障、 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換故障和信道設(shè)備故障等3個腳本， 統(tǒng)計得到測試系統(tǒng)的故障檢測率和故障隔離率見表 3 所示.

表 3 故障檢測率和故障隔離率

3 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)已應(yīng)用于多個飛機大修廠， 實踐證明應(yīng)用動態(tài)實時仿真技術(shù)、 故障注入技術(shù)和故障診斷技術(shù)于測試系統(tǒng)中， 有效保證了航空電子設(shè)備測試鏈路的完整性， 提高了航空電子設(shè)備的測試效率、 實時性和可靠性， 減輕了維護保障人員的勞動強度， 同時達到了測試設(shè)備好用、 管用和實用的要求.

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Design of a Dynamic Test System for CNI System of Integrated Avionics

XIAO Wending

(Chengdu Spaceon T&C Technology Co.,LTD., Chengdu 611731, China)

In view of the deficiency of the static test system of CNI system of integrate avionics, a dynamic test methodof similar simulation environmentis put forword. The dynamic testing system is composed of a bus control unit, a switch matrix unit, a signal conditioning unit, a power unit, a display keyboard unit, a test instrument unit and a interface panel unit, which using dynamic Real-time emulation technique, fault injection technique and fault diagnosis technique. The testing system provides an effective guarantee to integrality of the test link of integrated avionics. The test efficiency, Real-time and reliability of integrated avionics is improved by this system. The test system can reduce the labor intensity of the maintenance support personnel, at the same time to the requirements of test equipment to use, effective and practicalfilling the deficiency of previous static testing system.

CNI equipment; dynamic testing system; fault injection; fault diagnosis

1671-7449(2017)02-0158-06

2016-10-15

肖文定(1980)， 男， 工程師， 碩士， 主要從事航空電子系統(tǒng)測試技術(shù)研究.

V243

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.012