基于IMA架構的電氣系統測試性設計研究

仇公望，詹景坤，王小輝，呂殿君

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京，100076）

0 引言

近年來，基于安全/關鍵性的IMA（Integrated Modular Avionics）架構的電氣系統在航空航天領域快速發展，綜合模塊化逐漸成為各研究所、高校研究的熱點，IMA平臺通過一組由標準格式處理模塊和標準格式連接器構成的系統結構，是一個由實時計算機網絡組成的電氣系統，支持不同用途不同安全關鍵等級的模塊，可以基于一種處理器駐留多個應用軟件，為多個分系統提供供電、計算、通信、存儲和I/O服務，最大限度地共享系統資源。

測試性（testabi l ity）是指“產品能及時、準確地確定其狀態（可工作、不可工作或性能下降程度），并隔離其內部故障的一種設計特性。”[1]但是，隨著電氣系統綜合模塊化程度的不斷提升，系統向著集成化和小型化的方向發展，系統復雜性不斷增加，測試點數量縮減且設置不便，導致系統測試變得越來越困難。這就需要在產品研制的全過程中引入測試性研究工作，具體包括測試性分析、測試性設計及測試性驗證。本文結合實際工程研制，對基于IMA架構的電氣系統測試性設計開展了一定的研究。

1 系統功能設計

針對某航天器電氣系統，基于IMA架構，采用Open VPX（VITA65.0）標準，研制了一體化信息處理平臺，系統組成主要包括：電源、VPX機箱、功能模塊、外部傳感器、執行機構等。VPX標準是在原有VME標準的基礎上發展起來，采用高速串行交換互聯結構，可提供更高的帶寬、更強的電磁抗干擾能力及環境適應能力，支持高速差分信號，增加系統I/O能力。VPX平臺具有更堅固的機械結構和更強的冷卻能力，能夠適應航天、軍事領域等對可靠性要求較高的應用環境。硬件組成如圖1所示。

圖1 一體化信息處理平臺硬件組成圖

機箱設計滿足6U尺寸規范，機械固定規范和導冷規范。整個機箱共8個槽位，6個功能槽，2個擴展槽，各功能模塊根據使用需求和背扳內部的布線定義選擇適當的插槽插入并固定。機箱內集成電源模塊，接收外部28V一次電源輸入，內部實現DC/DC轉換，輸出12V、5V和3.3V三組電壓至背板6個槽位的P0電連接器，其他模塊接收電壓后完成電路板上的元器件的供電。

網絡交換模塊采用千兆以太網（GbE）總線，網絡拓撲結構采用星型結構，各功能模塊通過網絡交換模塊實現數據交換，協議標準按照UDP協議，并引入錯誤重傳機制。數據業務流主要包括周期型和突發型。主控模塊通過指令/響應式的通信機制實現對各模塊的控制及管理。功能模塊1實現傳感器信號的采集，功能模塊2實現射頻信號處理，調制輸出，功能模塊3實現執行機構控制信號的輸出。

主控模塊主處理器選用66AK2H14，66AK2HXX系列為TI公司2013年最新推出的異構多核DSP+ARM SoC處理器，包含8個TMS320C66xx DSP的子核，4個基于Cor tex?-A15的ARM核。技術指標如下：每個DSP核：主頻1.2GHz，每個ARM核：主頻1.4GHz。外設包含4路10/100/1000 Mbps以太網接口；2路10GBE以太網接口；2路UART接口和3路I2C接口等。相比較于傳統ARM與DSP分開實現各自功能的方式，搭載該處理器的主控模塊可同時完成任務密集管理與數據密集計算，有效地提高系統集成度。

主控模塊運行基于ARINC653標準的嵌入式分區操作系統，對多任務應用進行分區管理，通過時間和空間隔離，不同的應用軟件運行于不同的分區，通過分區內通信與分區間通信，實現不同應用軟件的互相訪問，通過分區調度表，實現軟件的獨立、可靠運行。

2 測試性設計

2.1 測試性建模

由于系統設計采用了綜合模塊化（IMA）的電氣系統架構，系統集成化、信息化水平得到提升，但原有單機的測試性設計在模塊化后需重新考慮，并且一體化信息處理平臺在集成各功能模塊后，測試性要素之間出現大量交聯關系，使得平臺的測試性設計也變得更加復雜。

本系統測試性設計采用基于多信號模型理論的測試性建模方法[2]。它是在系統結構和功能分析基礎上，以分層有向圖的形式表示信號流向及各個組成單元的連接關系，并通過定義組成單元與信號、信號與測試之間的關聯性，來表征系統組成、功能、故障及測試之間相關性的一種模型表示方法[3]。

多信號流模型由下列要素組成：

系統的FMEA報告是測試性模型的主要數據來源，提供測試性建模所需要的關鍵數據和信息，對功能框圖中的每一個輸出信號考慮其故障模式，如果該輸出信號具有一個以上的參數的表征，需定義該功能下對應的參數故障。本系統設備故障信息統計如表1所示。

表1 一體化信息處理平臺的故障模式

根據一體化信息處理平臺及各功能模塊的技術方案、可靠性估計、FMEA分析報告等，列出核心處理器機箱對外接口關系，各功能模塊對外接口關系，各功能模塊間交聯關系，功能信號流輸入輸出關系，功能模塊的故障模式及功能對應的BIT信息等，利用測試性建模軟件建立圖形化模型，描述信號流、故障模式及BIT信息，模型建立如圖2所示。

圖2 測試性建模示意圖

根據每個模塊影響的信號集，每個模塊阻斷的信號集，每個測試檢測的信號集調用功能相關性矩陣算法生成功能故障相關矩陣D（G），如表2所示，其中行代表功能故障，列代表測試節點。

表2 功能故障相關矩陣

測試性分析結果如表3所示。

表3 系統測試性指標

2.2 自測試設計

圖3 I2C總線拓撲結構圖

一體化信息處理平臺實現各功能模塊的高度集成，但也帶來了外部測試點少，測試激勵難以施加的問題，因此需采用機內測試（BIT）技術來滿足系統測試性要求。在各功能模塊內設置健康管理單元，主要負責對各功能模塊運行狀態的實時監控，控制器選用TI公司的超低功耗MSP430單片機，通過采集電路對測試點的電壓、電流、溫度等進行狀態采集，通過A/D轉換電路讀取被測量，并發送至控制器編幀，采用VITA46.0標準定義信號線SM[3：0]作為系統控制管理總線，通過2路I2C總線實現對所有功能模塊的電壓、電流、溫度的雙冗余監測、管理以及控制[4]，保證設備的正常工作以及故障的及時提示，I2C總線拓撲圖如圖3所示。

圖4 I2C采集控制流程圖

主控模塊作為總線的主節點，其他模塊作為總線的從節點，各節點控制器按照通信協議，周期性采集本模塊的健康狀態信息，同時，主節點按照輪詢方式，周期性讀取從節點數據，進行數據組幀輸出。數據通過接口芯片一路輸出至外部測試接口，用于地面測試設備的測試分析，另一路輸出至主控模塊上的主處理器，主處理器內運行健康管理算法。實現自主的故障檢測與診斷。

主控模塊健康管理單元的I2C采集控制算法如下：

（1）主程序啟動，進入初始化操作，包括中斷、接口、數據緩沖區、外設初始化等操作；

（2）設置采集通道0，從通道0開始采集數據；

（3）等待ADC轉換完成；

（4）將自測試數據放入通道對應的數據緩沖區；

（5）判斷是否是第N路采集通道（總計N通道），若是第N路，重新從通道0開始采集，否則通道數加1，進入下一個通道進行采集，然后轉到步驟（3）。

3 總結

本文針對IMA架構的VPX一體化信息處理平臺開展測試性設計，由系統集成度和模塊化帶來的測試性問題，采用基于多信號模型的測試性建模分析，對各類模塊的關鍵性故障開展FMEA分析，建立內部的測試點，采用機內測試（BIT）技術，將自測試數據通過I2C總線進行采集和處理，從而完成了整個系統的自主測試，在實際工程應用中取得良好效果。

[1]GJB 2547A-2012裝備測試性工作通用要求[S].中國人民解放軍總裝備部,2012.

[2]邵思杰,曹勇,李愛民.基于多信號模型的火控系統測試性分析與仿真驗證[J].計算機測量與控制. 2012.20(7)： 1907-1909.

[3]雷華軍,電子系統測試方案優化設計理論與關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學,2015：74-79.

[4]胡泊,常少莉.基于TEAMS的測試性仿真技術與應用研究[J].計算機測量與控制.2013.21(6)： 1434-1436.

[5]徐林杰,楊三勝.TMS320VC5509A的I2C總線應用研究[J].艦船電子工程.2011：101-104.