基于CAN總線的故障注入平臺設計

洪平+肖玲華+陳燁海

摘要：為滿足汽車、航空、航天等行業電子產品嚴格的可靠性設計需要，設計了一種基于CAN總線的故障注入平臺。該平臺以FPGA為控制核心，通過CAN總線接收上位機軟件指令，控制故障注入模塊實施各種故障注入動作。利用該平臺進行的故障注入測試驗證表明，該平臺故障模擬功能全面、操作簡單、擴展性強，滿足不同行業大規模故障注入測試需要。

關鍵詞：故障注入；CAN總線；FPGA

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0183-02

在汽車、航空、航天等行業，可靠性設計一直是重點考慮對象，因此在電子產品的設計階段，需要提前對產品在工作過程中可能遇到的故障進行分析處理。電子產品工作過程中會出現某段時間不可用故障，導致整個系統出現不穩定情況。為了產品可靠穩定的工作，在產品測試時，人為設置故障環節，考核產品在故障狀態下的自我診斷、隔離和控制能力，為產品可靠性設計提供依據。目前，在已有的方案中以RS422和RS232等串口通信控制方式居多，通信節點少，不適合大規模故障注入測試。

本文以CAN總線和FPGA配合，加上上位機管理軟件，設計了一套故障注入平臺。本平臺具備手動和自動故障注入功能，依據CAN節點的擴展功能，能實現大規模故障注入測試。

1 系統設計

故障注入按功能分為基于硬件的故障注入和基于軟件的故障注入，基于硬件的故障注入在電氣環節實施故障注入，包括對電源短路、對地短路、線間短路、斷路和帶阻性故障；基于軟件的故障注入包括數字信號故障注入、總線信號故障注入等。本平臺針對基于硬件的故障注入展開設計。

硬件故障注入平臺由故障注入單元和故障注入管理軟件組成。故障注入單元以FPGA為控制核心，通過CAN總線通信模塊接收上位機故障注入指令，控制故障注入模塊執行各種故障注入模式。故障注入管理軟件提供圖形交互界面，實現故障模式選擇、通道管理、故障狀態顯示，并具備手動注入和自動注入模式選擇，系統組成見圖1。

2 故障注入單元設計

2.1 FPGA控制模塊

控制模塊采用FPGA為主控芯片，加上配置存儲器、數據存儲器、總線控制電路、IO口擴展電路等外圍電路共同構成。控制芯片為整個系統核心芯片，內部運行系統程序；系統程序存儲在程序控制器中，防止掉電時程序丟失，上電時調用程序運行；數據存儲器用于存儲指令數據；IO口擴展電路用于增加系統IO口，完成控制芯片與外部信號間的電平匹配。

控制模塊工作過程中，CAN控制器接收上位機數據，比對其中地址信息后建立通信。控制芯片對接收數據進行解碼，產生通路指令和當前通路指令，其中通路指令經接口電路后送故障注入模塊執行；當前通路指令存儲在數據存儲器中，同時送故障狀態顯示模塊顯示當前工作狀態。控制模塊工作原理圖見圖2。

2.2 故障注入模塊

故障注入模塊為故障執行模塊，采用繼電器矩陣組合來完成故障注入功能，接收到指令后，組合繼電器執行通斷動作，完成故障注入。故障注入模塊對內提供與控制模塊的接口，接收控制指令；對外提供與被測電子產品的信號通路接口，實現各種故障模式，故障注入原理圖見圖3。

以信號S1對電源短路故障注入為例來進行說明，當不需要故障注入時，S101接通，信號回路正常；當需要將S1短路到電源V1，將S101斷開以斷開信號回路，將S001、S109、S103閉合，則實現了S1對電源短路故障。為便于設備自我診斷，在故障注入模塊中增加了自檢功能，即V1作為供電電源，將S001、S109、S103、S102、S107閉合，經R1和R2分壓后送檢測口，采集檢測口電壓確定繼電器組工作狀態。

上圖的故障注入可實現斷路、對電源短路、對地短路、信號間短路、以及上述情況的帶阻短路等故障模式。故障回路中增加了熔斷器，保證電流過載時能快速熔斷，保護被測電子產品。針對帶阻故障測試需要，專門設計了程控電阻，通過軟件配置使用。

2.3 CAN通信模塊

故障注入單元間通過CAN總線級聯，經過CAN轉以太網轉換器與上位機進行通信。CAN通信模塊采用SJA1000作為CAN控制芯片，82C250作為CAN收發芯片。CAN 控制芯片與CAN收發芯片之間的信號進行了隔離處理。CAN控制器接收到上位機數據后產生中斷，FPGA控制模塊對中斷信號響應來進行數據傳輸。CAN通信模塊原理圖見圖4。

3 故障注入管理軟件

故障注入管理軟件是故障注入平臺的硬件監控和管理軟件。故障注入軟件具備圖形交互界面，可選擇手動或自動測試模式，根據使用者的操作指令控制故障注入單元進行故障注入。故障注入的工作流程如下：

（1）根據實際故障注入的通道和進出信號硬件連接關系，編制信號與通道配置文件；

（2）故障注入上位機軟件根據信號與通道配置文件，完成故障通道與實際信號的匹配關系；

（3）根據軟件提供的友好界面，可以人工注入所需要的故障信號和類型；

（4）如果需要進行自動故障注入，用戶可創建自動測試序列文件，預先定義故障信號和類型、執行順序等信息；故障注入軟件讀取該文件后，將自動注入一系列的故障內容。

故障注入軟件的工作流程見圖5。

故障注入軟件功能豐富，具有硬件自動掃描功能、故障通道自檢功能、故障狀態瀏覽功能，能根據使用環境選擇手動模式或自動模式。故障注入軟件主界面見圖6。

4 結語

本文采用軟硬件結合的方式設計了一套功能豐富的故障注入平臺，該平臺通過CAN總線控制，實現了電氣回路斷路、短路等故障模式。針對不同的被測產品，通過增加或減少故障注入單元，實現故障注入平臺的靈活配置，具有很強的通用性和擴展性。故障注入管理軟件功能豐富，界面友好，操作簡單，極大的降低了測試的難度。

本平臺已經參加了對航空航天某些產品的測試，考核效果良好，有效的支持了型號產品的開發。

參考文獻

[1]李志宇，黃考利，連光耀.基于半實物仿真的故障注入系統設計.計算機測量與控制，2013，21（3）：570-572.

[2]陳燁海，戎蒙恬.基于單片機89C51的CAN總線系統設計.電子元器件應用，2008，10（9）：42-46.endprint