通訊鏈路物理層故障注入系統開發與實現

武修文

（上海創景信息科技有限公司，上海 201203）

引言

故障注入測試系統是一套對通訊鏈路進行系統級故障注入的設備。針對部分應用場景下，通信總線出現故障時無法定位的情況，研發了此套系統。該系統適用于航天航空、國防科工、艦船、車輛電子等領域，同時可獨立運行于目標系統之外，以精準、便捷的方式，驗證目標系統的容錯性、穩定性和健壯性。

1 物理層故障注入整體方案設計

整個物理層故障注入系統是以串行方式接入到正常通訊的傳輸線路中，根據用戶定制的故障類型和故障觸發策略注入各種故障[1]。系統能夠對通信總線進行單一方向的物理層故障注入以及故障注入前后總線數據的采集和上傳。

1.1 系統硬件框圖

系統主要由3 個部分組成（見圖1），指令板負責通過網口與上位機通信以及故障注入指令的下發；物理層故障注入底板用于執行物理層故障注入，同時通信總線的輸入輸出接口和PHY 板也在該板上；物理層故障注入繼電器板是物理層故障注入的具體實施單元。

圖1 系統硬件框圖

1.2 指令板設計

指令板是整個系統的控制單元，必須具有能夠進行分析判斷的控制核心，以及大量且靈活的IO。故采用了XILINX 公司的ZYNQ 系列SoC XC7Z045。

其中，PL 側主要實現以下兩個方面：

（1） 對物理層故障注入配置信息的下發。

（2） 接收總線經過PHY 芯片轉換后的總線信息，利用該信息對總線進行幀解析且按照幀解析的內容實現物理層故障注入的觸發及總線通信方向的控制。對于PS 側，通過網口與上位機通信，接收上位機的配置信息，上傳總線數據。

1.3 底板設計

底板在整個系統具有承上啟下的關鍵作用，見圖2，主要實現以下5 個功能：

圖2 物理層故障注入底板硬件框圖

1.3.1 物理層故障注入的執行單元

執行單元采用多個低成本的FPGA 按照配置指令和觸發線狀態，對用于具體實現故障注入的繼電器和模擬開關進行控制。

1.3.2 通信總線的對外接口

總線對外接口為圖2 中的“PORT-IN”和“PORT-OUT”。線1 和線2 為差分線對，是全雙工總線的前向信號線或半雙工總線的信號線；線3 為總線信號地線，通過磁珠與系統地相連；線4 和線5 是全雙工總線的反向信號線，在板上進行了短路連接，使得全雙工總線反向信號對于主從機可直接通信。

1.3.3 半雙工總線通信方向控制單元

對于半雙工總線的通信方向控制是系統設計的一個技術難點。采用圖2 中高速模擬開關S1、S2 和S3 構成的半雙工總線的通信方向控制單元來實現此功能，開關動作由指令板進行控制[2]。對于模擬開關的選型主要考慮其帶寬、開關時間和輸入電壓范圍（由電源電壓決定）。

1.3.4 PHY 信號傳輸單元

該部分主要為兩個板對板連接器用于連接PHY 板，將PHY 板的信號線連接至目標處。

1.3.5 外部信號及噪音信號產生單元

單元主要為由FPGA 控制的DA 及DA信號處理電路組成的信號發生器，作為噪音信號用于故障注入。

1.4 繼電器板設計

實現全部物理層故障注入功能指標共需要繼電器和高速模擬開關近500 個，占用大量面積，需單獨設計電路板。該板面積較大，可承載大量元器件，通過連接器及固定孔架空于底板于指令板之上。

1.5 PHY 板設計

PHY 板與底板相連，可按照用戶所使用的總線類型，更換其上面的PHY 芯片。

2 物理層故障注入的具體實現

物理層故障注入類型設計主要模擬通信總線上常見的線路故障，設計了“信號線開路”“信號線短路”“串聯阻抗”“并聯阻抗”“噪音耦合”“外部信號疊加與替換”6 種故障模式，6 種故障模式間可自由組合。

2.1 物理層故障類型的實現

2.1.1 信號線開路與信號線短路故障注入的實現

如圖3 所示，這兩種故障類型屬于動態故障注入，是模擬通信總線突然出現的信號線開路或短路情況。故障執行模塊檢測到來自于指令板的故障觸發線為高時，便按照故障注入的配置信息將相應的模擬開關在設定的時間范圍內進行打開或閉合操作。

圖3 信號線開路（左）、信號線短路（右）

2.1.2 信號線串行阻抗和信號線并行阻抗故障注入的實現

如圖4 所示，串行阻抗和并行阻抗故障注入用于模擬通信總線的物理線路上不同阻抗大小對信號產生的影響，其屬于靜態故障注入，即無故障觸發機制，電阻值在故障注入配置信息下發后就設置完成，通信總線在整個通信過程中均處于該故障模式下。

圖4 信號線串行阻抗（左）、信號線并行阻抗（右）

2.1.3 外部信號替換疊加及噪音耦合故障注入設計

該故障注入模塊為動態故障注入方式，可模擬通信總線在外部信號干擾下的通信。其作為一個整體只能供一路總線使用，圖5(a)為外部信號疊加或替換的示意圖；圖5(b)為噪音串聯或并聯耦合的示意圖，在實際電路中，這4 種故障注入模式集成在一起，只能選擇一種模式。

圖5

2.2 物理層故障自由組合的實現

物理層故障注入各模塊可任意順序組合是此系統的一個功能特色，此處以兩種故障注入模塊為例，實現方式見圖6。

圖6 故障自由組合實現方式示意

圖6 中的模塊1 和模塊2 表示不同的兩種故障注入單元、+信號線、-信號線、GND 線的輸入、輸出口均如圖7 所示形成一個三選一的開關。模塊1 和模塊2 輸入端中“LINE IN +”短路作為兩個模塊“+ 信號線”第一級的信號輸入，兩個模塊輸出端中“LINE OUT +”短路作為兩個模塊“+信號線”最后一級的信號輸出，對于“-信號線”和“GND 線”相同。NET“1 FROM 2 +”表示模塊1 的“+信號”的輸入線來自于模塊2 的“+信號”的輸出線，此線與模塊2 的“2 TO 1 +”在電路中短路。

若模塊2 的輸入線切換至“LINE IN +”“LINE IN-”和“LINE IN GND”，而輸出線均切換至與模塊1 短路的信號線，模塊1 的輸出線均切換至“LINE OUT+”“LINE OUT -”和“LINE OUT GND”，實現了通信總線先經過故障2、再經過故障1 的組合。

3 系統整體測試

圖7 為樣機展示，在樣機組裝完成后進行功能測試。由于每個樣機共有四路總線，每一路總線均有6種能夠自由組合的故障模塊，所以測試項目眾多，故此處挑選其中具有代表性的內容加以表述[3]。本研究選擇了全雙工總線RS422 和半雙工總線RS485 進行“線路開路”“差分信號線間線路短路”及“串聯阻抗”3種故障注入模式。

圖7 物理層故障注入樣機

首先驗證半雙工總線的信號方向控制模塊，在確定波特率115 200 kbps、8 位數據位位寬、無奇偶校驗和1 位停止位位寬等串口幀參數后，測試發現RS485 對于主發從收和從發主收機均可正常通信。

（1） “信號線開路”，RS422 和RS485 的前向信號均接收不到數據，而反向信號能正確接收數據。

（2）“信號線短路”，測試了毫秒級的故障注入。故障注入時RS422 和RS485 前向信號收到數據為0，驗證了短路測試功能的正常。

（3）“串聯阻抗”，用萬用表測試了信號線輸入和輸出口之間的阻抗，與設置阻抗基本相同，測試誤差來自于大量串聯繼電器的導通電阻之和以及萬用表在通電線路上進行電阻測量的誤差。

4 結論

本研究詳細敘述了物理層故障注入系統設計，包括系統架構、指令板功能邏輯、底板、繼電器板硬件設計以及物理層故障注入模塊類型和具體實現方式。在解決了半雙工總線通信方向控制與故障模塊自由組合等設計技術難點后，通過實驗驗證了該系統的整體工作性能。