綜合化航空電子系統中信號處理模塊的健康管理方法

吳海燕

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036）

航空機載電子設備[1-4]日益增多，飛機負擔不斷增加，各項設備之間的電磁干擾也日益嚴重，系統綜合化集成增加了航空電子設備多用途需求，執行任務時在線加載[5-7]不同的功能程序，完成諸如雷達、通信、導航、識別系統特有的電子對抗[8]、數字化語音、實時數據、精確測距[9-11]、可靠識別等服務，這些功能程序大部分在系統內的信號處理模塊內完成，采用相同硬件結構的信號處理模塊更新和加載不同的功能程序就能簡化系統架構、減少模塊數目、飛機負擔及電磁干擾。因此，信號處理模塊作為綜合化系統中的主要計算單元，是綜合化航空電子系統中的重要模塊，該模塊的健康和程序狀態管理在航空電子系統中具有舉足輕重的作用。航電系統的信號處理模塊的健康管理[12-16]和維修保障方式決定了該航電系統是否能快速定位故障、快速修復故障。

對于早期獨立設備的航電系統，離位檢查是維修保障工作多采用的方式，它具有直接、針對性強的特點，有些特殊的、相對獨立的機載成品的故障檢測現在仍然采用這種方式，但是這種方式存在的缺點也是明顯的，即在拆卸和安裝過程中容易引起其他部件的損壞，且離位恢復到原裝機狀態可能有差別，從而影響系統整機的性能。隨著綜合化航電系統的不斷發展，出現了模塊的原位檢測方法，通過航電系統內各模塊的在線仿真、在線上報的方式報告各模塊故障及狀態，這種原位檢測方法克服了離位檢查的缺點，不用拆除模塊，當航電系統中參與信息交換的設備和模塊不太多時，采用這種方法比較可行，但是當綜合化航電系統中的模塊種類較多、上報接口總類各異，系統控制對模塊的上報和自檢狀態很難管理。為此，迫切需要滿足先進綜合化航空電子系統下的關鍵模塊——信號處理模塊的在線自檢、狀態跟蹤、日志記錄和故障上報的要求。該文提出了一種在高速串行交換網絡的基礎上，采用系統控制的CAN 總線集中管理各模塊的健康狀態，實現上報通道與業務數據通信通道分離，獨占帶寬，實現上報模塊狀態的實時與便捷，同時提供了一種信號處理模塊的標準接口模型，實現了此模型下的模塊初始化、自檢和狀態信息上報、門限設置及日志記錄等模塊健康管理的方法。

1 系統組成

如圖1 所示，綜合化航空電子系統以系統控制模塊[17]為管理核心，通過RapidIO 高速串行總線將系統內的信號處理模塊及其他處理模塊組成星型交換網絡。同時，信號處理模塊及其他模塊都具有主備備份的兩條CAN 總線與系統控制模塊的CAN 總線相連，實現健康管理數據傳輸與模塊間業務數據通信分離。

圖1 綜合化航空電子系統結構圖

如圖2 所示，信號處理模塊內部由一個MSU 單元、四個可編程邏輯器件FPGA、四個通用處理器DSP 和一個控制可編程CPLD 組成。MSU 單元是由DSP28235 及外圍電路構成，內部駐留健康管理軟件客戶端通過兩路CAN 總線與系統控制模塊的健康管理軟件主機端通信，控制可編程CPLD 提供信號處理模塊的復位時鐘，同時經LocalBus 總線與四個通道的通用處理器DSP 相連；四通道的FPGA 接收天線及射頻數據，同時有離散接口發送心跳信號給MSU單元；四個通道的DSP6455 完成復雜算法的信號處理并分別有一路RapidIO 高速總線接入高速交換網絡與系統控制模塊進行RapidIO 通信。MSU 單元通過訪問CPLD 獲取DSP6455 的狀態信息，通過離散接口實現看門狗功能，通過MSU 單元獲取當前模塊工作電壓、工作溫度和工作時間，MSU 單元外接NVRAM，可記錄模塊生產廠家、基本硬件指標等信息。MSU 單元也可獲取該模塊的物理MARK 地址。所有這些信息可通過MSU 單元的CAN 接口上報給系統控制模塊，系統控制模塊也可通過CAN 接口隨時查詢這些信息。

圖2 信號處理模塊接口模型圖

2 軟件設計策略

如圖3 所示，信號處理模塊的健康管理主要包含初始化、看門狗、模塊自檢、模塊狀態管理、模塊門限管理和模塊時間管理六大部分。

圖3 信號處理模塊健康管理軟件功能圖

信號處理模塊健康管理初始化主要是初始化MSU 單元。首先初始化MSU 單元的工作時鐘，將MSU 單元外部輸入時鐘25 MHz 倍頻到150 MHz 工作時鐘，并初始化GPIO 中斷，設置MSU 單元與控制CPLD 接收數據中斷。當有信息通過CPLD 的LocalBus 發送到MSU 單元時，可用此中斷通知MSU獲取信息。MSU 單元上拉系統中模塊的八位插槽編碼，編碼信號“開”狀態表示1，“地”狀態表示0，根據編碼識別信息獲得MARK 地址并設置MARK 地址寄存器，為填充上報系統控制的報文字段做準備。

信號處理模塊的MSU 單元監測四個通道的可編程邏輯器件FPGA 是否正常工作的方式是采用看門狗。四通道的FPGA 不斷產生周期脈沖通過離散接口輸入MSU 單元，MSU 單元的健康管理軟件客戶端開啟看門狗功能，500 ms 檢測一次心跳信號，如果連續兩次未檢測到心跳信號，就通過復位管腳對該通道FPGA 進行復位，復位后如果仍然不能恢復周期脈沖信號，則健康管理軟件客戶端組織報文通過CAN 總線向系統控制模塊報故障。

信號處理模塊自檢包括加電自檢、周期自檢、啟動自檢、自檢結果回傳處理和自檢結果上報控制。其中加電自檢是其他功能的基礎，信號處理模塊上電就開始對模塊內各器件進行自檢，MSU 單元與CPLD 和通用處理器DSP 都通過LocalBus 連接，自檢方法如下：MSU 單元通過LocalBus 經CPLD 分別給四個通用處理器DSP 發送BIT 請求指令，定時10 ms 從CPLD 的“信號處理通道自檢結果”寄存器組讀取自檢結果。自檢結果包括信號處理通道DSP1 至DSP4芯片、RapidIO 通信端口、DSP 外接的FLASH、DDR2等狀態參數，若讀取自檢結果失敗，則存儲故障日志；MSU 單元分別通過CAN 總線A 和B 接口收發數據一次，收發均正常則判定總線正常，否則故障；對DSP28235 存儲器NVRAM 自檢，寫入數據然后讀出數據進行比較，如果相等則說明存儲器正常，否則故障；對CPLD 接口自檢，寫入數據然后讀出進行比較，如果相等則接口正常否則故障；依次獲取MSU 監測電壓監測值，并分別判定電壓為正常或告警或故障；依次獲取四個通道的FPGA 和DSP 溫度值，并分別判定溫度值為正常或告警或故障。在加電自檢完成后，自動轉入周期自檢狀態，以10 s 為周期進行周期自檢，內容與加電自檢相同，周期自檢后更新本地內存存儲的自檢結果。而啟動自檢是指收到系統控制的自檢指令后，啟動自檢并上報自檢結果。在收到自檢指令時，校驗消息ID、長度和參數合法性，若判斷未通過時，僅回傳總線響應，若通過則組幀通過CAN 總線上報系統控制自檢內容。系統控制還可下發自檢結果上報控制開關打開或關閉周期自檢。

信號處理模塊狀態管理包括硬件信息設置、電子標簽信息查詢處理、故障日志信息查詢處理和故障日志信息刪除。在系統工作開始時，信號處理模塊上的MSU 單元健康管理軟件客戶端收到來自系統控制模塊健康管理軟件主機端的硬件信息設置指令，校驗消息ID、長度合法性，判斷未通過時，不存儲信息；通過則校驗生產廠家和標牌信息內容合法性，校驗失敗不存儲信息，校驗成功則將這兩項信息寫入FLASH 中。在系統工作過程中，信號處理模塊MSU 單元接收到系統控制模塊的電子標簽信息查詢指令，在指令合法的條件下，通過LocalBus 從四個DSP 處理通道發送軟件配置項查詢，定時10 ms 從CPLD 的“軟件配置項信息”寄存器讀取配置項信息。信息包括信號處理四個通道的配置項信息，即處理器編號、配置項編號、程序文件編號、軟件版本號、軟件固化時間和編譯時間。生產廠家和標牌信息、模塊上電次數、累計工作時間等信息都從NVRAM上獲取。所有電子標簽信息回傳結果組幀后通過CAN 總線上報給系統控制。

信號處理模塊的門限管理是航電系統工作時，對各模塊下發門限設置，作為模塊溫度、電壓自檢判決門限。信號處理模塊上MSU 單元收到來自系統控制模塊門限設置指令，校驗合法性后將門限信息存入本地，獲得門限信息存儲結果。門限信息包括設置門限數量，MSU 監測電壓值1 至電壓值11，FPGA1 至FPGA4 和DSP1 至DSP4 的溫度告警上下限以及故障上下限信息，組幀門限信息設置結果通過CAN 總線上報給系統控制。同時，系統控制可以通過查詢指令讀取這些門限值。

信號處理模塊時間管理包括模塊上電次數處理、模塊累計工作時間處理、模塊工作時間處理和系統時間下發處理。航電系統的可靠性跟系統中各模塊的上電次數、累計正常工作時間有關，某些特殊算法需要系統下發統一的當前時間，完成各模塊的時間同步。在系統上電時，MSU 單元從FLASH 中獲取模塊上電次數值，初始值為0，每上一次電，在初始值基礎上加1；模塊累計工作時間值增加600 s 生成新的累計工作時間，模塊每10 min 更新一次累計工作時間，單位為s，存儲模塊累計工作時間到NVRAM 中。系統控制可通過指令獲取模塊上電次數、模塊本次上電后工作時間和模塊出廠后累計工作總時間。系統控制模塊具有統一的系統當前時間。各信號處理模塊健康管理軟件客戶端通過CAN總線收到帶有當前時間的幀數據信息，進行系統時間合法性校驗合格后，本地存儲并通過四個通道的LocalBus 總線發送給DSP，實現時間分發的功能，每個DSP 收到時間信息后，進行系統時間合法性校驗，若合法，則更新本地時間為獲取到的系統時間。

3 健康管理信息內容

信號處理模塊的健康管理內容數值型監測內容如表1 所示。監測值超過告警門限值或故障門限值，MCU 將上報告警或故障內容消息給系統控制，以做出下一步措施。

表1 信號處理模塊數值型監測內容

4 結束語

該文通過模塊健康管理數據傳輸與功能應用業務數據分離，實現模塊管理和功能應用解耦，保證了故障上報和狀態收集的及時性，減少了任務系統定位故障時間；信號處理模塊的標準化結構，保證了健康管理方法的通用性，簡化系統架構；信號處理模塊的健康管理內容較全面，為系統監控提供詳盡參考。該方法從航電系統工作流程和系統管理的便捷性方面，提升了系統的狀態信息，全面反映了模塊的健康狀態和工作情況，為在線監測和故障隔離及定位提供了有效支撐，已在多個重大工程項目中成功應用。