嵌入式測(cè)試在航空電子設(shè)備中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)給電子設(shè)備帶來(lái)新的測(cè)試和故障診斷問(wèn)題。為解決電子設(shè)備對(duì)自身故障的快速診斷和準(zhǔn)確定位等問(wèn)題，航空電子設(shè)備引入了嵌入式測(cè)試技術(shù)來(lái)完善機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）。本文從嵌入式測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并給出了典型的測(cè)試控制和信號(hào)采集設(shè)計(jì)。本文的設(shè)計(jì)方法已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，對(duì)提升航空電子設(shè)備的自檢測(cè)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(cè)試；CAN；分布-集中式架構(gòu)；測(cè)試控制單元；MC9S12XF512

中圖分類號(hào)：V248.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(wèn)題的高效化特征日益增強(qiáng)，隨之而來(lái)是系統(tǒng)故障診斷、故障隔離的難度也越來(lái)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(jì)的新需求。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，航空電子設(shè)備將內(nèi)部的測(cè)試信號(hào)耦合輸出至專用的檢測(cè)接口，借助于外部測(cè)試設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和隔離，但這樣導(dǎo)致航空電子設(shè)備的維護(hù)測(cè)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(dòng)率。因此，新一代的航空電子設(shè)備在設(shè)計(jì)之初即重點(diǎn)考慮其機(jī)內(nèi)自檢的設(shè)計(jì)，嵌入式系統(tǒng)以其強(qiáng)實(shí)時(shí)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)在某航空電子設(shè)備中進(jìn)行了應(yīng)用，可有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和隔離。

1嵌入式測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電子設(shè)備根據(jù)組成的單元特點(diǎn)，其嵌入式測(cè)試系統(tǒng)可采用集中式、分布式或分布-集中式的架構(gòu)來(lái)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(cè)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(cè)試控制處理單元以外，系統(tǒng)各組成模塊內(nèi)部也設(shè)計(jì)有嵌入式測(cè)試控制處理單元，系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制處理單元和各組成模塊的嵌入式測(cè)試控制處理單元之間通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試總線連接，各部分的主要功能如下。

（1）系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制單元

系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制單元包括測(cè)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(cè)試控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合分析等功能。

（2）模塊層嵌入式測(cè)試控制處理單元

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

（3）系統(tǒng)測(cè)試總線

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制單元和各模塊嵌入式測(cè)試控制處理單元之間測(cè)試控制指令、測(cè)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(cè)試性能。而且，這種嵌入式系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)，既有利于實(shí)現(xiàn)橫向各模塊的并行測(cè)試，又便于實(shí)現(xiàn)縱向各級(jí)測(cè)試的復(fù)用，從而既提高測(cè)試效率，又降低測(cè)試成本。

2嵌入式測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按照電子設(shè)備嵌入式測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)布局，對(duì)嵌入式測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展硬件設(shè)計(jì)時(shí)，也主要從三個(gè)部分來(lái)進(jìn)行。

2.1系統(tǒng)測(cè)試控制單元的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試控制單元需要完成系統(tǒng)測(cè)試模式的切換控制，并對(duì)來(lái)自模塊層的大量測(cè)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(duì)控制的時(shí)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(jì)算機(jī)來(lái)作為系統(tǒng)測(cè)試控制單元。

2.2系統(tǒng)測(cè)試總線的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，我們優(yōu)選了CAN總線作為系統(tǒng)測(cè)試總線，系統(tǒng)的嵌入式測(cè)試控制和數(shù)據(jù)傳輸均采用CANaerospace協(xié)議。CANaerospace被美國(guó)國(guó)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(jiàn)圖2），支持多主發(fā)送，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和廣播數(shù)據(jù)傳輸，不需要系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程，避免了由于主站的失敗而導(dǎo)致的危險(xiǎn)情況；（2）增加了對(duì)系統(tǒng)冗余的支持；（3）是一個(gè)動(dòng)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(kāi)放，便于擴(kuò)展，允許用戶實(shí)現(xiàn)自定義的報(bào)文類型和協(xié)議；（5）完全公開(kāi)，免費(fèi)發(fā)布全部技術(shù)資料，簡(jiǎn)單易用，便于實(shí)現(xiàn)[5-6]。

2.3模塊測(cè)試控制處理單元的設(shè)計(jì)

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

2.3.1控制處理電路的設(shè)計(jì)

控制處理電路的設(shè)計(jì)是模塊測(cè)試控制處理單元的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)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(gè)16位器件，由512KB Flash、32KB RAM、4KB EEEPROM組成片內(nèi)存儲(chǔ)器，同時(shí)還包括16路12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和兩個(gè)PWM定時(shí)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(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入/輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使得功能口和通用I/O口復(fù)用，在對(duì)同一個(gè)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(shí)鐘條件下時(shí)，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(cè)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(jì)

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(gè)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(hào)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(hào)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(hào)測(cè)試調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)試調(diào)理電路需要根據(jù)每個(gè)模塊具體的被測(cè)試信號(hào)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(hào)的A/D采集和數(shù)字信號(hào)的I/O采集，因此，信號(hào)測(cè)試調(diào)理電路只需要針對(duì)模塊內(nèi)部的每個(gè)被測(cè)試信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為符合MC9S12XF512端口電平的信號(hào)，并將信號(hào)輸送至MC9S12XF512的對(duì)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(duì)模塊內(nèi)部溫度進(jìn)行采集，并通過(guò)串行總線將溫度數(shù)據(jù)傳至MC9S12XF512。

圖6為射頻信號(hào)的調(diào)理檢測(cè)電路圖，對(duì)射頻通道上的信號(hào)進(jìn)行耦合，利用檢測(cè)器件VJJ23M-655對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波整形，然后將信號(hào)送至MC9S12XF512采集量化。

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

3嵌入式測(cè)試系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)試系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)包括系統(tǒng)層和模塊層兩個(gè)層面，模塊層主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量和數(shù)據(jù)的上報(bào)，每個(gè)模塊需要根據(jù)內(nèi)部的硬件設(shè)計(jì)來(lái)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的測(cè)試軟件，而系統(tǒng)層軟件需要實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)測(cè)試模式的切換控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的查詢和匯總分析等，是嵌入式測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，因此，以下主要講述系統(tǒng)層測(cè)試軟件的開(kāi)發(fā)。

嵌入式測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖8所示，測(cè)試包括上電測(cè)試模式、周期測(cè)試模式和維護(hù)測(cè)試模式。電子設(shè)備上電后，自動(dòng)進(jìn)入上電測(cè)試模式，完成對(duì)電子設(shè)備的初始測(cè)試；上電測(cè)試完畢后，自動(dòng)切換進(jìn)入周期測(cè)試模式，嵌入式測(cè)試系統(tǒng)以固定周期對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，直到嵌入式測(cè)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(cè)試；嵌入式測(cè)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(kāi)展相應(yīng)的測(cè)試，當(dāng)它接收到切換至正常模式的指令時(shí)，將退出維護(hù)測(cè)試模式，進(jìn)入周期測(cè)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(cè)試系統(tǒng)將停止測(cè)試，處于休眠狀態(tài)，等待操作人員操作喚醒。

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

（1）上電測(cè)試軟件流程

上電測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)層測(cè)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(cè)試控制單元對(duì)內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)打包上報(bào)至系統(tǒng)層測(cè)試控制單元，由系統(tǒng)層測(cè)試控制單元對(duì)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(bào)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(cè)試控制單元將控制電子設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)功能自檢測(cè)，此檢測(cè)需電子設(shè)備進(jìn)入特定的模式，通過(guò)對(duì)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(hào)的測(cè)試，在電子設(shè)備完成這些交互測(cè)試過(guò)程中，嵌入式測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)各模塊層測(cè)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(guò)這些參數(shù)來(lái)最終判斷電子設(shè)備的功能是否存在故障，并對(duì)故障進(jìn)行定位和上報(bào)。上電測(cè)試流程圖如圖9所示。

（2）周期測(cè)試軟件流程

周期測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)層測(cè)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(cè)試控制單元對(duì)內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)打包上報(bào)至系統(tǒng)層測(cè)試控制單元，由系統(tǒng)層測(cè)試控制單元對(duì)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(bào)人機(jī)交互界面輸出。周期測(cè)試流程圖如圖10所示。

（3）維護(hù)測(cè)試軟件流程

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

4結(jié)束語(yǔ)

本文從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和軟件流程三個(gè)方面闡述了航空電子設(shè)備嵌入式測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)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(cè)能力明顯提升，故障檢測(cè)率可達(dá)85%以上。該嵌入式測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、智能化程度高和測(cè)試效率高等特點(diǎn)，大大增強(qiáng)航空電子設(shè)備的自檢測(cè)診斷能力，對(duì)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(jì)思路作為通用設(shè)計(jì)思路，對(duì)其他設(shè)備的嵌入式測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)也具有借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介

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

Tel：028-62552829

E-mail：1351900526@qq.com

陳波（1976-）男，碩士，高級(jí)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(cè)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