某型AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)測(cè)試性分析

白楊 賈世偉 何向棟

摘 ? 要：AFDX交換機(jī)是整個(gè)AFDX網(wǎng)絡(luò)的核心所在，AFDX交換機(jī)的產(chǎn)生的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓、失效。文章針對(duì)某型AFDX交換機(jī)的測(cè)試性設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試性建模，并根據(jù)測(cè)試性模型形成了該AFDX交換機(jī)的測(cè)試性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載網(wǎng)絡(luò);測(cè)試性;AFDX交換機(jī)

航空電子系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)70年代，隨著航空電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)逐漸成了航空電子系統(tǒng)各設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的核心和樞紐。AFDX網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)，以其低成本、高可靠性、高速率、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，逐漸發(fā)展成熟。

AFDX網(wǎng)絡(luò)的誕生加快了航電系統(tǒng)的綜合化發(fā)展，基于A(yíng)FDX網(wǎng)絡(luò)的機(jī)載電子設(shè)備組成越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致其測(cè)試性設(shè)計(jì)難度加大，故障診斷過(guò)程更加困難，同時(shí)，綜合保障的費(fèi)用也會(huì)大大提高。因此，測(cè)試性設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。

1 ? ?AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)測(cè)試性設(shè)計(jì)

AFDX交換機(jī)采用虛擬鏈路的概念保證了網(wǎng)絡(luò)的確定性，是AFDX網(wǎng)絡(luò)的通信神經(jīng)中樞[1]，接收來(lái)自端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組，按照預(yù)先配置的虛擬鏈路將該數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的輸出端口，實(shí)現(xiàn)了航空電子子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。AFDX交換機(jī)包含5個(gè)相互作用的功能模塊。其中，交換功能為核心功能，內(nèi)置端系統(tǒng)、配置功能、過(guò)濾警管功能和監(jiān)控功能分別為AFDX交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換提供符合A664規(guī)范的數(shù)據(jù)交換規(guī)則[2]。

文章討論的AFDX交換機(jī)采用FPGA芯片為核心進(jìn)行搭建，通過(guò)邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)、過(guò)濾、管制、調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。模塊可以分為控制模塊和交換模塊?？刂颇K基于嵌入式PowerPC處理器，搭載存儲(chǔ)、調(diào)試等外圍電路，協(xié)同控制和管理整個(gè)系統(tǒng)，并為用戶(hù)提供操作接口。交換模塊則采用一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)MAC層協(xié)議并采用物理層PHY芯片，設(shè)計(jì)24個(gè)交換端口共同實(shí)現(xiàn)10/100 Mbps全雙工、無(wú)阻塞的數(shù)據(jù)分組交換功能。AFDX交換機(jī)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)AFDX交換機(jī)的功能和設(shè)計(jì)架構(gòu)，其測(cè)試性設(shè)計(jì)按照機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)和外部測(cè)試設(shè)計(jì)兩部分實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部測(cè)試性設(shè)計(jì)包括周期BIT、上電BIT和維護(hù)BIT;外部測(cè)試性設(shè)計(jì)則采用專(zhuān)用外部測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行完整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和檢測(cè);另外，從AFDX交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)原理及硬件設(shè)計(jì)框架可以看出，交換機(jī)24個(gè)端口共用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的緩存，因此，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)緩存將是AFDX交換機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，若將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)緩存的檢測(cè)采用機(jī)內(nèi)測(cè)試的方式實(shí)現(xiàn)，將導(dǎo)致AFDX交換機(jī)的交換轉(zhuǎn)發(fā)功能失效，因此，需采用外包測(cè)試設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)緩存進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)緩存作為一個(gè)外部測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

2 ? ?AFDX交換機(jī)測(cè)試性建模

測(cè)試性不僅對(duì)維修性產(chǎn)生影響，而且對(duì)系統(tǒng)效能及全壽命周期費(fèi)用也有相當(dāng)大的決定性作用[3]，根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)功能模塊交互原理、設(shè)計(jì)架構(gòu)以及測(cè)試性設(shè)計(jì)，采用北京聯(lián)合信標(biāo)測(cè)試技術(shù)有限公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的依據(jù)IEEE 1232，IEEE 1522標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的可測(cè)試性分析軟件TADS對(duì)AFDX交換機(jī)進(jìn)行測(cè)試性建模，測(cè)試性建模過(guò)程包括：FMECA分析、測(cè)試性模型建立。

2.1 ?AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)FMECA分析

對(duì)AFDX交換機(jī)實(shí)施FMECA分析的目的是找出產(chǎn)品在硬件設(shè)計(jì)中可能的故障模式、原因及影響，針對(duì)原因和影響提出設(shè)計(jì)更改建議及維修對(duì)策，為測(cè)試性建模與分析提供必要的輸入信息。文章的分析是在對(duì)器件級(jí)、功能級(jí)、LRM級(jí)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，將產(chǎn)品的故障模式及對(duì)模塊的影響及危害性進(jìn)行提煉總結(jié)。FMECA分析主要從5個(gè)方面開(kāi)展工作：

（1）依據(jù)AFDX交換機(jī)硬件設(shè)計(jì)框圖劃分功能層次與結(jié)構(gòu)層次的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

（2）根據(jù)AFDX交換機(jī)模塊功能電路，繪制任務(wù)可靠性框圖，任務(wù)可靠性框圖中交換電路、電源電路、時(shí)鐘電路、處理器電路、離散量電路、通信電路和連接器形成串聯(lián)關(guān)系，并同時(shí)與印制板及焊點(diǎn)形成并聯(lián)關(guān)系。

（3）根據(jù)功能層次與結(jié)構(gòu)層次的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及可靠性框圖，約定AFDX交換機(jī)FMECA分析的層次關(guān)系，從上到下層次關(guān)系如下所示。

初始約定層次：AFDX交換機(jī)。

約定層次2：SRM。

約定層次3：交換電路、電源電路、時(shí)鐘電路、處理器電路、離散量電路、通信電路、連接器形。

最低的約定層次：各功能電路中使用的元器件。

（4）確定故障的嚴(yán)酷度類(lèi)別，如下所示。

等級(jí)Ⅰ：模塊嚴(yán)重?fù)p壞，完全不能進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并可能引起主機(jī)系統(tǒng)安全的現(xiàn)象。

等級(jí)Ⅱ：模塊嚴(yán)重?fù)p壞，不能進(jìn)行部分任務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，嚴(yán)重拖延任務(wù)的完成。

等級(jí)Ⅲ：模塊中等程度損壞，拖延任務(wù)的完成或不能完成部分功能，增加計(jì)劃外的維修成本。

等級(jí)Ⅳ：模塊輕微損壞，輕度拖延任務(wù)的完成或增加計(jì)劃外的維修成本。

（5）按照AFDX交換機(jī)模塊FMECA分析的約定層次，分別從元器件級(jí)、功能電路級(jí)和功能級(jí)，經(jīng)過(guò)硬件法FMECA分析，歸納出本產(chǎn)品的故障模式清單，如表1所示。

2.2 ?AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)測(cè)試性建模

AFDX交換機(jī)測(cè)試性建模過(guò)程如下：首先，收集設(shè)計(jì)資料，包括AFDX交換機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔、工作原理、電路圖、連接插頭定義與可靠性數(shù)據(jù);然后準(zhǔn)備測(cè)試性框圖，根據(jù)以上收集的設(shè)計(jì)資料，標(biāo)識(shí)AFDX交換機(jī)的輸入/輸出端口。其次，輸入AFDX交換機(jī)的屬性和信息，包括所有端口、可靠性數(shù)據(jù)、故障模式、功能，并根據(jù)設(shè)計(jì)文檔與FMECA分析結(jié)論，輸入每個(gè)模塊的故障模式并且建立故障模式之間的關(guān)系。再次，增加連線(xiàn)關(guān)系，使用連線(xiàn)表達(dá)功能電路之間的相互關(guān)系，連線(xiàn)的關(guān)系表達(dá)了AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)流的流向，以及故障流的流向。最后，為每個(gè)端口增加可行的測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試，并且指定測(cè)試與功能之間的關(guān)系，測(cè)試與故障模式之間的關(guān)系并執(zhí)行可測(cè)試性分析。

3 ? ?AFDX交換機(jī)測(cè)試性建模結(jié)論分析

根據(jù)上述過(guò)程建立測(cè)試性模型后，進(jìn)行AFDX交換機(jī)的測(cè)試性分析，結(jié)論如下：

（1）周期BIT故障檢測(cè)率為0.73%。（2）上電BIT故障檢測(cè)率為23.82%。（3）維護(hù)BIT故障檢測(cè)率為33.93%。（4）采用內(nèi)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備測(cè)試故障檢測(cè)率為97.24%。（5）采用內(nèi)場(chǎng)人工檢查故障檢測(cè)率為98.57%。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)某型AFDX交換機(jī)的測(cè)試性設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試性建模，形成了該AFDX交換機(jī)的測(cè)試性數(shù)據(jù)，為該AFDX交換機(jī)的測(cè)試性設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙永庫(kù)，李貞，唐來(lái)勝.AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（12）：3137-3139.

[2]NONAME.Aircraft data networkpart 7，avionics full duplex switched ethernet（afdx）network[EB/OL].（2009-12-20）[2020-03-25].http：//www.freestd.us/soft3/936884.htm.

[3]邱靜.裝備測(cè)試性建模與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

Research on test design technology of AFDX switch

Bai Yang， Jia Shiwei， He Xiangdong

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian ?710065， China）

Abstract：AFDX switch is the core of the whole AFDX network， and the failure caused by AFDX switch can cause the whole network to be paralyzed and invalid. In this paper， the testability model is built for the testability design of a certain AFDX switch， according to the testability model， forming the basic data of AFDX switch testability design.

Key words：airborne network; testability; AFDX switch