基于Labview的故障注入系統(tǒng)

萬義爽 嚴(yán)超 王風(fēng) 劉赟躍

（航空工業(yè)特種飛行器研究所 湖北省荊門市 448000）

鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)是為了驗(yàn)證飛機(jī)上飛控、液壓和起落架等系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造和安裝方面的正確性與可靠性而建立的，在鐵鳥臺(tái)上的各類試驗(yàn)設(shè)備是整個(gè)鐵鳥試驗(yàn)系統(tǒng)的核心之一，為了驗(yàn)證各系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，基于Labview 的故障注入系統(tǒng)通過人為的手段，將試驗(yàn)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各類故障，注入到需要驗(yàn)證的目標(biāo)設(shè)備中，加速系統(tǒng)失效的過程，從而能有效地發(fā)現(xiàn)常規(guī)測試難以出現(xiàn)的故障，高效準(zhǔn)確地監(jiān)測系統(tǒng)漏洞、定位故障位置，分析故障產(chǎn)生原因，提高鐵鳥試驗(yàn)的正確率和完成率，從而增強(qiáng)飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。

目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)故障類型主要有兩種方式，一是通過軟件仿真測試平臺(tái)對被測系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)注入；第二種是通過專用的儀器儀表如信號(hào)發(fā)生器、電阻箱、程控電源等）提供電氣層和協(xié)議層的故障注入功能。前者的實(shí)現(xiàn)過程涉及多個(gè)不同軟件系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用在軟件故障方面，無法注入模擬硬件相關(guān)類型的故障信號(hào)。后者可實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)的故障注入，但是對數(shù)據(jù)流、信息流和控制時(shí)序等軟件算法方面的故障注入無法提供可靠的檢測條件，因此針對這種上述情況，本文提出了一種通用型，集成型的故障注入系統(tǒng)應(yīng)用于鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)。

1 系統(tǒng)組成

故障注入系統(tǒng)是由硬件和軟件組成。硬件部分由便攜式計(jì)算機(jī)、ARINC429 故障注入設(shè)備、VDT 故障注入板卡、離散量故障注入板卡、2U 機(jī)箱等組成，如表1所示。

表1：故障注入系統(tǒng)硬件表

軟件基于labview 平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)，融合故障診斷的相關(guān)算法，集數(shù)據(jù)仿真、發(fā)送、采集、數(shù)據(jù)處理、控制及通信功能與一體，實(shí)現(xiàn)不同類型軟硬件故障的注入、定位和分析。故障注入系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)如圖1所示，其中包括操作系統(tǒng)層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)解析仿真層、數(shù)據(jù)管理層以及UI 層。

圖1：軟件總體架構(gòu)圖

設(shè)備驅(qū)動(dòng)層：包括板卡驅(qū)動(dòng)軟件，為上層應(yīng)用軟件提供良好調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的輸入，輸出接口控制。

數(shù)據(jù)解析層：包括總線接口處理模塊主要用于通過調(diào)用板卡驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

數(shù)據(jù)管理層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析層和UI 界面之間的數(shù)據(jù)交互。

UI 界面層：提供人機(jī)交互界面、能夠配合總線接口處理模塊接收數(shù)據(jù)，完成各系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)顯示和更新；能夠配合數(shù)據(jù)處理模塊完成解析各系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示、能夠操作數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)增刪改查等操作。能夠手動(dòng)和按預(yù)定程序自動(dòng)注入故障指令。

故障注入系統(tǒng)的軟件部分是基于Labview 平臺(tái)設(shè)計(jì)，具有良好的人機(jī)交互界面，用戶可在故障注入軟件界面上手動(dòng)或者按預(yù)定程序自動(dòng)執(zhí)行注入指令，也能通過網(wǎng)絡(luò)接收仿真等系統(tǒng)的故障注入指令，完成故障的通道和故障參數(shù)。同時(shí)故障信號(hào)注入完成后，數(shù)據(jù)分析處理部分可支持自動(dòng)識(shí)別總線信號(hào)ICD 文件數(shù)據(jù)，記錄總線配置，完成Excel、TXT 等格式文件的導(dǎo)入及導(dǎo)出，具體的局部設(shè)計(jì)程序見圖2所示。

圖2：故障注入系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理

在鐵鳥試驗(yàn)平臺(tái)上，故障注入系統(tǒng)處于現(xiàn)場信號(hào)源與通用信號(hào)采集單元中間，是一套完整獨(dú)立的系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)的基本功能分四大類：

（1）常見信號(hào)類型如正弦波信號(hào)、三角波信號(hào)、自定義信號(hào)等；

（2）物理層故障如信號(hào)通斷故障、欠壓故障燈等，系統(tǒng)配置直流穩(wěn)壓電源，可通過跳線方式給機(jī)載被試件設(shè)置欠壓故障；

（3）電氣層故障注入系統(tǒng)，故障注入系統(tǒng)支持產(chǎn)生錯(cuò)誤的VDT、旋變信號(hào)通過跳線方式給機(jī)載被試件設(shè)置VDT、旋變、噪聲模擬、幅值拉偏、斜坡模擬、頻率拉偏等故障；

（4）協(xié)議層故障注入系統(tǒng)，ARINC429 故障注入設(shè)備可以產(chǎn)生信號(hào)受干擾情況下的429 總線信號(hào)，通過跳線方式機(jī)載被試件設(shè)置總線干擾故障。

故障注入系統(tǒng)采用便攜式系統(tǒng)架構(gòu)，通過跳線實(shí)現(xiàn)和機(jī)電試驗(yàn)器、航電試驗(yàn)器、飛控試驗(yàn)器和其他試驗(yàn)設(shè)備上的斷連塊進(jìn)行相互連接，對機(jī)電試驗(yàn)器、航電試驗(yàn)器、飛控系統(tǒng)試驗(yàn)器等進(jìn)行故障注入。

首先故障注入系統(tǒng)軟件啟動(dòng)后各模塊進(jìn)行內(nèi)部自檢，若自檢通過進(jìn)入系統(tǒng)主界面，若自檢不通過提示系統(tǒng)故障信息，需要人工檢測硬件，排查問題后重啟軟件。故障注入系統(tǒng)故障信號(hào)注入的流程及信號(hào)發(fā)生流程如圖3所示。

圖3：故障注入系統(tǒng)信號(hào)注入流程圖

設(shè)備軟件操作流程如下所示：

步驟一：連接故障注入系統(tǒng)與需注入故障的設(shè)備；

步驟二：設(shè)備上電。給故障注入設(shè)備上電，啟動(dòng)故障注入計(jì)算機(jī)及調(diào)理箱；

步驟二：啟動(dòng)故障注入系統(tǒng)軟件，檢查故障系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)；

步驟四：選擇故障類型、注入信號(hào)名稱及注入通道；

步驟五：執(zhí)行故障注入操作；

步驟六：在界面觀察故障注入信號(hào)的曲線信息；

步驟七：觀察被注入故障的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況；

步驟八：保存數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)結(jié)果。

3 幾種典型故障信號(hào)

在實(shí)際應(yīng)用中，故障注入系統(tǒng)中的電氣層故障信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)注入是應(yīng)用最廣泛，電氣層通常有電壓閾值調(diào)整、共模幅度調(diào)整、電壓閾值調(diào)整、占空比調(diào)整、上升沿/下降沿斜率等故障類型的信號(hào)，通過對該層的故障信號(hào)進(jìn)行測試，驗(yàn)證是否滿足功能要求。

3.1 離散信號(hào)輸出模塊

故障注入系統(tǒng)中的離散量輸出界面見圖8，在離散量信號(hào)輸出模塊中，每個(gè)通道中左側(cè)藍(lán)色為離散量采集模塊，右側(cè)橙色為離散量輸出模塊，該模塊使用方法如圖4。

圖4：離散量信號(hào)輸出界面

（1）將連接線纜接入信號(hào)調(diào)理接線箱中，接線箱前面板離散量模塊中左側(cè)輸入信號(hào)，右側(cè)為輸出模塊；

（2）打開故障注入系統(tǒng)軟件；

（3）點(diǎn)擊“離散量信號(hào)輸出”按鈕；

（4）查看接入通道信號(hào)狀態(tài)，并記錄；狀態(tài)顯示說明如下：

（5）點(diǎn)擊對應(yīng)通道中輸出通道，可改變當(dāng)前輸出通道狀態(tài)；

（6）使用數(shù)字萬用表測試輸出通道，記錄不同輸出狀態(tài)值；

（7）重復(fù)以上步驟進(jìn)行不同頻率測試；

（8）當(dāng)處于接通狀態(tài)時(shí)，數(shù)字萬用表有蜂鳴聲。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)波形輸出模塊

故障注入系統(tǒng)中可仿真正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)、自定義波形信號(hào)，通過對其波形的頻率、幅值、偏移量進(jìn)行檢測設(shè)置，其中故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自定義信號(hào)針對非常規(guī)信號(hào)故障，通過人為設(shè)定的信號(hào)幅值，周期，數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，來檢測試驗(yàn)設(shè)備的穩(wěn)定性，信號(hào)注入過程如圖5所示。

圖5：自定義波形顯示界面

3.3 ARINC 429信號(hào)模塊測試

故障注入系統(tǒng)中的ARINC 429 信號(hào)模塊中包含總線同步頭故障，總線數(shù)據(jù)位數(shù)故障、總線奇偶校驗(yàn)位故障、總線數(shù)據(jù)替換，通過對ARINC 429 信號(hào)中的總線同步頭故障進(jìn)行信號(hào)注入，檢測ARINC 429 信號(hào)的功能，測試過程如圖6所示。

圖6：ARINC 429 信號(hào)模塊界面

（1）打開故障注入系統(tǒng)軟件；

（2）點(diǎn)擊“ARINC429”按鈕；

（3）點(diǎn)擊設(shè)備連接按鈕，點(diǎn)擊設(shè)備通道按鈕；

（4）在設(shè)備通道參數(shù)面板進(jìn)行設(shè)置參數(shù)，數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)區(qū)域中1～8 為總線同步頭故障設(shè)置（即ARINC429 總線Lable 設(shè)置）；

（5）點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，點(diǎn)擊示波器按鈕，在示波器界面中查看波形；

（6）如果曲線波形中所顯示的1-8 同步頭位，數(shù)據(jù)由0變?yōu)?，即合格。

4 實(shí)際應(yīng)用

在鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)中，故障注入系統(tǒng)全程應(yīng)用于鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備研制、安裝調(diào)試、設(shè)備運(yùn)行的全過程，整體的設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖7所示。首先，故障注入系統(tǒng)的上位機(jī)與硬件之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在現(xiàn)有的拓?fù)溥B接基礎(chǔ)上通過以太網(wǎng)模塊接入到鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中，然后雙方協(xié)調(diào)好UDP 協(xié)議的通信指令，以接收試驗(yàn)管理系統(tǒng)的配置與管控，在故障注入系統(tǒng)的上位機(jī)中設(shè)置好通道選擇，故障類型、時(shí)間設(shè)置，故障信號(hào)參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置，在試驗(yàn)掛你系統(tǒng)的控制下，根據(jù)不同的現(xiàn)場信號(hào)采用對應(yīng)方式的故障注入，完成對各個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程故障注入。其中故障注入軟件在實(shí)現(xiàn)信號(hào)通斷注入延遲小于500ms 外，其余故障注入延遲小于100ms。

圖7：故障注入系統(tǒng)應(yīng)用方式圖

信號(hào)注入的同時(shí)，通過故障注入系統(tǒng)進(jìn)行通道數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)以圖形或者表格的形式顯示，能夠提供歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢，按照時(shí)間順序進(jìn)行存儲(chǔ)與查詢，能夠提供簡單的故障分析和定位功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的故障注入系統(tǒng)以試驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，將串聯(lián)進(jìn)現(xiàn)場信號(hào)與目標(biāo)設(shè)備中間，融合可擴(kuò)展性技術(shù)、通用模塊設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)集成化技術(shù)等多種關(guān)鍵性技術(shù)構(gòu)成的通用性系統(tǒng)，對鐵鳥臺(tái)的試驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾性、穩(wěn)定性、容錯(cuò)能力、魯棒性的檢測起到關(guān)鍵性作用，加速了鐵鳥臺(tái)的建設(shè)，同時(shí)節(jié)省了更多的時(shí)間和人力成本。