基于FPGA的RS422總線故障注入系統(tǒng)

劉云飛 謝洪森

摘要

介紹一種基于FPGA的可編程RS422總線故障注入系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的功能需求等。

【關(guān)鍵詞】RS422 總線故障 注入系統(tǒng)

故障注入是進(jìn)行產(chǎn)品測試性試驗(yàn)的重要技術(shù)手段。目前RS422總線應(yīng)用廣泛，應(yīng)用RS422總線的系統(tǒng)要進(jìn)行聯(lián)試聯(lián)調(diào)，其總線接口的容錯(cuò)能力需要測試。很多軟硬件平臺的測試都需要模擬出RS422總線系統(tǒng)故障，然后測試軟硬件平臺對RS422總線系統(tǒng)故障的處理能力和反應(yīng)速度，但是由于故障種類和類型很多，有些故障又比較復(fù)雜，不容易模擬出所有故障，因此需要一種可編程模擬RS422總線接口故障的平臺，能夠模擬出各式各樣的RS422總線接口故障。

1 系統(tǒng)功能

1.1 基本工作模式

當(dāng)RS422總線故障注入設(shè)備接到來自計(jì)算機(jī)A的第一比特串行數(shù)據(jù)后，開始對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延低到3時(shí)鐘周期。進(jìn)行故障注入時(shí)，故障注入設(shè)備根據(jù)故障用例以及相應(yīng)計(jì)算機(jī)的RS422通信協(xié)議確定需要發(fā)送故障數(shù)據(jù)的位置，識別到目標(biāo)位到達(dá)后，發(fā)送故障位，其處理時(shí)延低到3時(shí)鐘周期。

另外，能夠?qū)S422通信接口的輸出數(shù)據(jù)建立保持時(shí)間進(jìn)行故障模擬，如對于在時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)輸出，下降沿采樣數(shù)據(jù)的接口，故障注入設(shè)備能夠通過高頻信號，在鄰近時(shí)鐘下降沿時(shí)將數(shù)據(jù)輸出，反之對于上升沿采樣數(shù)據(jù)的接口，也能夠在鄰近時(shí)鐘上升沿時(shí)將數(shù)據(jù)輸出。

對于秒脈沖信號的向后延時(shí)輸出，故障輸入設(shè)備對接收到的秒脈沖信號，向后隨即延時(shí)一段時(shí)間后輸出，對于向前提前輸出，故障輸入設(shè)備對接收到的秒脈沖信號，首先直接輸出秒脈沖信號，之后延時(shí)一段時(shí)間后輸出；對于更改秒脈沖信號低脈沖信號的寬度，故障輸入設(shè)備隨機(jī)增加或者減小秒脈沖信號低電平的持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)故障的注入；對于秒脈沖信號的輸出停止，故障輸入設(shè)備直接將秒脈沖輸出端口的信號輸出停止，此時(shí)輸出端口的電平信號可以隨機(jī)為高電平或者低電平信號，對于正常情況下，輸出的秒脈沖信號與輸入的秒脈沖信號之間的傳輸延時(shí)小于lus。

對于更改高穩(wěn)時(shí)鐘信號的輸出頻率，故障注入設(shè)備可以對高穩(wěn)時(shí)鐘信號隨機(jī)的在1MHz頻率的基礎(chǔ)上增加或減小一定的頻率偏移，對于更改高穩(wěn)時(shí)鐘的輸出占空比，通過隨機(jī)的更改高電平持續(xù)時(shí)間以及低電平輸出時(shí)間實(shí)現(xiàn)，但是高電平輸出時(shí)間與低電平輸出時(shí)間之和不能大于一個(gè)時(shí)鐘周期，對于輸出停止故障注入，故障注入設(shè)備直接關(guān)閉高穩(wěn)時(shí)鐘信號的輸出，此時(shí)端口可以隨機(jī)的處于高電平或低電平。

1.2 同步/異步RS422數(shù)據(jù)通信接口故障注入

1.2.1 RS422數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

包括端到端通信；b）可對每一比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)；c）較小的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；

1.2.2 RS422故障注入

（1）可對每一比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；

（2）較小的處理時(shí)延；

（3）故障數(shù)據(jù)注入；

（4）建立保持時(shí)間故障模擬。

1.3 秒脈沖及高穗時(shí)鐘RS422接口故障注入

1.3.1 秒脈沖接口

（a）采用平衡差分傳輸；（b）遵循ANSI/TIA/EIA-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；（c）故障輸入方式：隨機(jī)更改脈沖信號輸出的周期、低脈沖信號的寬度、輸出停止。

1.3.2 高穩(wěn)時(shí)鐘接口

（a）平衡差分傳輸；（b）遵循ANSI/TIA/EIA-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

（c）故障輸入方式：隨機(jī)更改高穩(wěn)時(shí)鐘信號的輸出頻率、占空比、輸出停止。

2 硬件設(shè)計(jì)

RS422總線故障注入系統(tǒng)總體組成如圖所1所示，RS422故障注入設(shè)備由RS422故障注入功能板，和測試專用主機(jī)組成。

2.1 RS422故障注入功能板

采用嵌入式PCI板卡形式，可接收和轉(zhuǎn)發(fā)RS422接口數(shù)據(jù)。以FPGA芯片為核心，實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的注入算法操作；并提供1個(gè)PCI控制器，可接收測試主機(jī)發(fā)送的管理指令，并向主機(jī)提交數(shù)據(jù)。功能板上同步/異步RS422數(shù)據(jù)通信接口采用端到端的通信方式，通過高頻率工作時(shí)鐘的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)發(fā)和處理時(shí)延。

RS422故障注入功能板基于Testar2002RS422串口卡實(shí)現(xiàn)。Testar 2002 RS422串口卡具有PCI總線，可以實(shí)現(xiàn)RS422差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理的串口卡，板上采用Xilinx公司XC6SLX系列FPGA提供數(shù)據(jù)處理和通信控制功能。PCI-R422板卡可提供1路RS422標(biāo)準(zhǔn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入和1路RS422數(shù)據(jù)輸出功能，并可通過PCI總線進(jìn)行板卡與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)

通信。另外，板卡可接收1PPS時(shí)鐘信號并可通過FPGA調(diào)整其時(shí)序。同時(shí)板卡可以接收SMA接口的10MHz高精度時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘。

功能板硬件框圖如圖2所示。

FPGA工作流程如圖3所示。

2.2 測試專用主機(jī)

采用具有通用數(shù)據(jù)總線（PCI）的計(jì)算機(jī)主機(jī)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。用于對功能板進(jìn)行配置和管理，控制功能板的故障注入功能，并對從功能板接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括2部分，一是Windriver驅(qū)動(dòng)，用于FPGA與RS422數(shù)據(jù)監(jiān)視與注入軟件之間的通信；二是RS422數(shù)據(jù)監(jiān)視與注入軟件，用于根據(jù)故障注入前端的命令配置FPGA的配置參數(shù)和計(jì)算出故障參數(shù)，將故障參數(shù)發(fā)送至FPGA，并且接收FPGA故障注入之后的數(shù)據(jù)，以備比對。

同步/異步RS422數(shù)據(jù)通信接口轉(zhuǎn)發(fā)故障注入原理如圖4所示。

RS422數(shù)據(jù)監(jiān)視與注入軟件的工作流程如圖5所示，首先接收故障注入前端的配置參數(shù)；再根據(jù)該配置參數(shù)配置FPGA的各個(gè)寄存器，例如：時(shí)鐘，串口速度等；計(jì)算故障參數(shù)；然后發(fā)送故障參數(shù)至FPGA；接收并保存FPGA發(fā)送的故障注入前后的數(shù)據(jù)；根據(jù)故障注入?yún)?shù)和故障用例造出理論上的故障注入后的數(shù)據(jù)；對比理論數(shù)據(jù)與FPGA實(shí)際輸出數(shù)據(jù)；將比對結(jié)果反饋至用戶界面。

RS422故障用例分為以下三類：

（1）基于RS422協(xié)議的上層協(xié)議故障注入，這類故障要結(jié)合具體的故障注入需求詳細(xì)說明，明確要求實(shí)現(xiàn)多長時(shí)間的建立保持時(shí)間調(diào)整范圍，設(shè)置好故障注入延遲、是否要求實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）對標(biāo)準(zhǔn)的1PPS時(shí)鐘進(jìn)行故障注入，有三種模式：調(diào)整周期，調(diào)整低電平的占空比，還有輸出停止。

（3）對高穩(wěn)定時(shí)鐘信號的故障注入需求，三個(gè)模式：更改輸出頻率，占空比，停止輸出。

4 實(shí)時(shí)性分析

為獲得預(yù)期的測試效果，RS422故障注入設(shè)備在正確執(zhí)行故障注入操作的同時(shí)必須保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、處理所造成的傳輸延時(shí)在可接受范圍內(nèi)，不影響系統(tǒng)的常規(guī)和測試使用。

RS422通信速率限制：RS422通信的理論傳輸速率最大為10Mbps；在傳輸距離為100米、傳輸介質(zhì)為平衡雙絞線的實(shí)際使用環(huán)境中，其傳輸速率僅為約1Mbps。以10Mbps傳輸速率計(jì)算，其單位比特寬度為l00ns。

FPGA數(shù)據(jù)處理速度：目前，常用的FPGA芯片（如Xilinx Vertex5）的輸入時(shí)鐘最高也已經(jīng)達(dá)到300?400MHz的水平，即1個(gè)時(shí)鐘周期在5ns以內(nèi)。

通過上述對比可以看到，F(xiàn)PGA的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到RS422數(shù)據(jù)率的20倍以上。在RS422通信中1個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)的傳輸周期內(nèi)，F(xiàn)PGA可以進(jìn)行多個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)操作（如圖6所示）；根據(jù)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)PGA只需根據(jù)參數(shù)配置對指定的數(shù)據(jù)位進(jìn)行0/1翻轉(zhuǎn)，而不需對復(fù)雜的應(yīng)用層通信協(xié)議進(jìn)行處理，這樣對FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)的難度、FPGA的資源消耗以及硬件整體復(fù)雜度的要求比較合理，具有較高的可行性；雖然FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或進(jìn)行故障位操作時(shí)，可能仍將耗費(fèi)多個(gè)時(shí)鐘周期，但是在FPGA設(shè)計(jì)中通過減少大規(guī)模的組合邏輯、減少LUT級聯(lián)的數(shù)量、增加約束/流水/切割狀態(tài)等措施，可以進(jìn)一步提高FPGA的工作頻率、減少寄存器到寄存器的時(shí)延，完全可以滿足使用要求。

5 故障操作方式

故障操作方式包括2種：手動(dòng)觸發(fā)與PCI總線觸發(fā)。

5.1 手動(dòng)觸發(fā)

在故障注入功能板上具有4個(gè)故障模式選擇開關(guān)，通過手動(dòng)設(shè)置開關(guān)的狀態(tài)可對應(yīng)多種不同的故障模式針對若干種典型的故障用例，在FPGA中預(yù)先配置相應(yīng)的參數(shù)信息，F(xiàn)PGA根據(jù)選擇開關(guān)的設(shè)置選用預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對其所對應(yīng)的故障位進(jìn)行處理。手動(dòng)觸發(fā)方式操作簡便快捷，可以在不依賴專用測試主機(jī)和測試軟件的條件下對系統(tǒng)進(jìn)行基本的故障注入。

5.2 PCI總線觸發(fā)

將故障注入功能板插入專用測試主機(jī)，在主機(jī)上運(yùn)行相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和測試軟件，可以在軟件操作界面上根據(jù)需要選擇相應(yīng)的配置參數(shù)并通過PCI總線發(fā)送到FPGA；在故障注入過程中，主機(jī)還通過PCI總線獲取功能板的運(yùn)行狀態(tài)和各類數(shù)據(jù)，由分析軟件進(jìn)行分析。PCI總線觸發(fā)方式功能豐富，具有完善的故障模擬、監(jiān)控、記錄、分析功能。

6 結(jié)語

基于FPGA的RS422總線故障注入系統(tǒng)，采用可編程器件，能夠模擬出各式各樣的RS422總線接口故障，從而全面測試軟硬件平臺RS422總線接口的功能和性能。同時(shí)能夠檢測系統(tǒng)/設(shè)備功能設(shè)計(jì)的缺陷，驗(yàn)證系統(tǒng)/設(shè)備故障適應(yīng)能力，復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)故障，提供故障解決有效手段，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)驗(yàn)證提供強(qiáng)有力手段。

參考文獻(xiàn)

[1]岳曉東.一種通用串行總線的故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（05）：128.

[2]李妮娜.基于RS485總線的電氣故障模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（01）.

[3]李佳亮.故障注入技術(shù)研究與展望[J].機(jī)械工程師，2016（08）：83-85.

[4]仲廣沛.基于FPGA的故障注入技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015（06h18-42.