基于SystemVerilog的機載應答機驗證技術的研究*

田 毅，李 宏，馬騰達，薛茜男

(1.中國民航大學，適航審定技術與管理研究中心，民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300;2.民用飛機模擬飛行國家重點實驗室，上海200232;3.中國民航大學航空自動化學院，天津300300)

機載應答機對飛機的安全有著重大影響，其作用是接收和識別其他TCAS或者二次雷達地面站的詢問，再按照相應的技術要求做出應答［1］。目前，民航機載應答機有3種模式:A模式、C模式、S模式，其中A模式和C模式的脈沖形式完全相同［2］。應答機作為研制保證等級為C級的機載電子設備，會使飛機的性能顯著下降，顯著地增加機組工作量或降低其工作效率，對飛機安全有重大的影響。所以按照民航適航要求需要對設備中的機載復雜電子硬件(如FPGA)進行嚴格驗證［3］。比如，在功能仿真階段需要模擬真實信號的脈沖寬度(含閾值)，在測試平臺(TestBench)中模擬生成含有恰當變化的測試激勵。按照RTCA DO-181的規(guī)定，A模式、C模式、S模式的各個詢問脈沖都含有特殊的脈寬限制，因此如果采用傳統(tǒng)的直接驗證方式，驗證工程師需要耗費大量的時間和精力來搭建測試平臺。SystemVerilog是一種標準化的硬件描述和驗證語言，集成了來自SUPERLOG、VERA、C、C++和 VHDL語言的特點，提供了包括帶約束的隨機激勵產(chǎn)生、覆蓋率驅(qū)動驗證、斷言等功能，適于對于復雜信號的功能仿真驗證［4-5］。

1 A/C/S模式工作原理

A/C/S模式詢問信號主要由4種脈沖構(gòu)成，按照順序分別為 P1、P2、P3、P4，其中 P1、P3 脈沖起到詢問信號的作用，P2用于抑制應答機對旁波瓣詢問信號的應答，P4是用來區(qū)分A/C模式和S模式。通過4種脈沖的有無、寬度和間隔的組合構(gòu)成詢問信號，主要有普通詢問信號、全呼叫詢問信號、僅呼叫詢問信號。在實際中受到天氣、收發(fā)機功率、電磁干擾等影響，接收到的詢問信號脈沖不能夠很好的保證在標準要求的范圍內(nèi)，故驗證收發(fā)機對于接收脈沖信號是否能夠準確識別是收發(fā)機研制的關鍵點。

對每種詢問信號，脈沖寬度并非只是一個固定值，而是允許在一定范圍內(nèi)的，而脈沖之間的間隔也是如此。綜合上述介紹，每種詢問信號有2～4個脈沖(一定有P1、P3)，去掉各種詢問信號不應有的脈沖，各種詢問信號均可歸結(jié)為圖1所示波形，其中A0、A1、A2、A3 分別為脈沖寬度，B0、B1、B2、B3 分別為脈沖間隔(B中的最后一個非零值為兩個詢問信號間隔)。

圖1 詢問信號波形圖

各種詢問信號的脈沖寬度、間隔如表1。

表1 各種詢問信號的脈沖寬度、間隔表 單位:μs

1.1 普通詢問信號

普通詢問信號只有P1、P2和P3，按照模式分成A模式和C模式，這兩種模式均有P1和P3，且脈沖寬度均為0.8 μs，只是P1和P3的間隔不同，A模式為8 μs，C 模式為21 μs。還可按照對 A 模式詢問信號是否抑制、A模式抑制旁瓣詢問信號、C模式詢問信號、C模式抑制旁瓣詢問信號，記為CALL_A、CALL_A2、CALL_C、CALL_C2。

1.2 全呼叫詢問信號

全呼叫詢問信號和普通詢問信號類似，只是在P3后面加入了脈沖寬度為1.6 μs的P4，其分類方法也和普通詢問信號一樣，分為4種詢問信號:A模式全呼叫詢問信號、A模式全呼叫抑制旁瓣詢問信號、C模式全呼叫詢問信號、C模式全呼叫抑制旁瓣詢問信號，記為 ALLCALL_A、ALLCALL_A2、ALLCALL_C、ALLCALL_C2。

1.3 僅呼叫詢問信號

僅呼叫詢問信號和全呼叫詢問信號類似，只是在P3后面加入了脈沖寬度為0.8 μs的P4，其分類方法也和普通詢問信號一樣，分為4種詢問信號:A模式全呼叫詢問信號、A模式全呼叫抑制旁瓣詢問信號、C模式全呼叫詢問信號、C模式全呼叫抑制旁瓣詢問信號，記為 ONLYCALL_A、ONLYCALL_A2、ONLYCALL_C、ONLYCALL_C2。

2 測試激勵

從表1中可以看出，大部分數(shù)據(jù)都是μ±σ型，其中μ為理想值，σ為容差，所以可以用正態(tài)分布來描述此類數(shù)據(jù)。然而，例如CALL_A2的A1，其理想值為0.8 μs，容差上限為1.2 μs，下限為0.3 μs。容差的上限和下限并不相等，且下限較為接近0，使用正態(tài)分布容易產(chǎn)生負值等錯誤，故需要對正態(tài)分布進行改進［6］。

2.1 基于正態(tài)分布的脈沖寬度、間隔

由于脈沖寬度和間隔均有一定的容限，所以采用正態(tài)分布來產(chǎn)生測試激勵，能夠更精確的描述實際情況，通過改變標準差來調(diào)整注入錯誤的概率。這樣既能很好的描述脈沖的寬度，又能很方便的注入錯誤。采用系統(tǒng)函數(shù)$dist_normal()生成測試向量，即

隨機生成正確激勵的概率為:

式中seed為隨機種子，max為容差上限，min為容差下限，mean為平均值，dev為標準差。其中max、min、mean為已知值，可通過調(diào)整標準差值，使P(rignt)=90%。

2.2 改進正態(tài)分布

表1中的多數(shù)情況均可用正態(tài)分布來實現(xiàn)，但是 CALL2 的 A1 值為 0.3 μs～1.2 μs，其期望值為0.8 μs，其值并非對稱，且單純使用正態(tài)分布會出現(xiàn)錯誤，即有一定概率產(chǎn)生負值，或產(chǎn)生一個很大的時間。所以要設定一個故障范圍，將故障值約束在一定范圍之內(nèi)。300 ns～1 200 ns為正常值，設定2 00ns～300 ns和1 200 ns～1 400 ns為故障值，當隨機出的數(shù)值不在正常值的區(qū)間內(nèi)時，則歸結(jié)到該故障值內(nèi)，故障值采用平均分布。改進正態(tài)分布概率如圖2所示。

圖2 改進正態(tài)分布概率圖

為保證隨機生成正確激勵的概率約等于90%，將標準差設為268，則

則隨機生成錯誤激勵的概率為

由于將所有的錯誤情況都歸結(jié)到［200:299］和［1201:1400］這個區(qū)間內(nèi)的平均分布，此平均分布的區(qū)間長度為400，則此平均分布的概率為

2.3 脈沖生成

應答機12種詢問信號都可歸結(jié)成圖1所示波形，依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，來生成相應的詢問信號。對于每個脈沖，只需保證脈沖寬度和間隔符合要求即可，由于這兩者均為隨機數(shù)，所以采用并行語句來描述。

詢問信號最多有4個脈沖，每個脈沖的形式相同，所以通過for循環(huán)來逐個生成，即通過for循環(huán)來不斷的調(diào)用gen_forkwave任務。

2.4 詢問信號生成

由于各種詢問信號都可以歸結(jié)為圖1所示的波形，所以只寫一個task使其能產(chǎn)生各種波形。首先將各種詢問信號進行定義，將其定義成枚舉類型wavemode，作為task的輸入變量，以識別所需產(chǎn)生的詢問信號。

task通過輸入的枚舉變量來識別所需生成的詢問信號后，還要從表1中查出對應的脈沖寬度和間隔。所以，將各種詢問信號的脈沖寬度和間隔都存入一個4維數(shù)組常量 ALL_WAVE_INFO［12］［2］［4］［6］中。其中第一維用來區(qū)分詢問信號類型，第二維用來區(qū)分脈沖寬度和間隔，第三維用來指示脈沖寬度An和間隔Bn中的n，第四維用來存儲該隨機數(shù)值的信息。

3 驗證

驗證主要提供硬件設計符合需求的證據(jù)。在驗證過程中采用適宜的方法對硬件進行檢驗，并進行測量。常用的方法有評審、分析及測試或三者的組合。

待驗應答機所選用的是Altera公司的CycloneⅢ系列的某型芯片，并在設計中調(diào)用了內(nèi)部的IP核資源，包括:加法器、乘法器、PLL、緩存核等。項目組按照適航要求，對待驗證FPGA的原廠提供的質(zhì)量證明、生產(chǎn)記錄及該型元器件成功工作的服務歷史等相關信息進行了評估，并按照原廠指導對于主要功能IP(如緩存)進行了驗證，從而保證這些設計不可控元素的可靠性。在此基礎上，搭建下述驗證分析平臺［7-8］。

3.1 驗證分析平臺結(jié)構(gòu)

采用分層結(jié)構(gòu)來搭建驗證平臺［9-10］，主要由數(shù)據(jù)生成器、驅(qū)動器、記分牌、監(jiān)視器和斷言等組件組成，如圖3所示。

圖3 測試平臺結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)生成器用來生成數(shù)據(jù)模式，具體到本驗證平臺，就是生成一組詢問模式變量，都寫入郵箱傳遞給驅(qū)動器組件。

驅(qū)動器根據(jù)數(shù)據(jù)生成器的數(shù)據(jù)，生成相應的波形數(shù)據(jù)，發(fā)送給待測設計;在發(fā)送給記分牌時，并將其中的錯誤數(shù)據(jù)過濾掉，只將正確數(shù)據(jù)發(fā)送過去。

監(jiān)視器監(jiān)視待測設計的輸出，并將其傳給記分牌。記分牌將驅(qū)動器和監(jiān)視器的數(shù)據(jù)作對比，即可判斷待測設計的正確性。

斷言組件單獨寫成一個module，待測設計的輸入和輸出都作為斷言模塊的輸入，檢測待測設計的屬性是否符合設計需求。在測試平臺中，通過關鍵字blind與待測設計綁定［11］。

3.2 組件

除斷言以外的模塊都是通過類(class)來實現(xiàn)的，在類中定義成員變量及函數(shù)、任務，而組件之間的通信都是通過郵箱(mailbox)來實現(xiàn)，以數(shù)據(jù)生成器為例，其代碼如下:

在每個類中，首先要定義成員變量，包括用作通信的郵箱以及需要隨機的變量等;由于在實例化時需要給該類加一個郵箱參數(shù)，所以還要定義一個帶參數(shù)的new()函數(shù);最后就是任務，通過任務來執(zhí)行相應的動作，包括向郵箱內(nèi)寫數(shù)據(jù)以傳遞給后面的組件等。

圖4 概率分布圖

4 實驗結(jié)果

4.1 改進型正態(tài)分布

以CALL2的A1值為例，采用改進型正態(tài)分布生成1000次隨機值，各區(qū)間的概率分布如圖4所示，生成結(jié)果符合圖2的預期結(jié)果。隨機變量被約束在200～1 500的范圍之內(nèi)，避免生成負值造成仿真錯誤，并且避免生成一個極大的正值造成仿真效率下降。

4.2 仿真激勵波形

依據(jù)機載應答機各種模式詢問信號要求，應用改進的正態(tài)分布算法產(chǎn)生脈沖寬度和間隔，生成的各種模式仿真激勵波形如圖5所示。

圖5 仿真激勵波形圖

4.3 仿真結(jié)果

在驗證平臺中將上述仿真激勵注入到待測設計中，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真波形圖

5 結(jié)論

本研究采用改進型正態(tài)分布生成測試向量，通過SystemVerilog驗證語言搭建驗證平臺實現(xiàn)了對應答機可編程邏輯器件的驗證。改進后的測試激勵生成算法既避免了產(chǎn)生負值的錯誤，又模擬了真實情況，在對機載應答機的驗證中取得了良好的效果，達到了高效、精確驗證的目的。該方法有望應用于其他機載電子設備可編程邏輯器件的設計驗證中。

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