基于SCADE的機載余度管理軟件開發(fā)

吳成富，侯曉梅，段曉軍

（西北工業(yè)大學(xué) 無人機特種技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710065）

機載計算機為提高可靠性和容錯能力，普遍采用余度技術(shù)，通過為系統(tǒng)增加多重資源，實現(xiàn)對多重資源的合理管理，從而提高產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性[1]。余度飛控計算機系統(tǒng)由多臺飛控計算機組成，可降低由于某一通道飛控計算機失效而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

目前余度管理軟件普遍采用手工編碼，可靠性和效率較低，開發(fā)周期長[2]，單元測試及代碼覆蓋率分析一般需要借助復(fù)雜的專業(yè)工具軟件，驗證工作量大，難度高，而且無法對驗證工作進行定量評價，軟件投入市場使用的周期長，成本高。

基于此，文中以三余度飛控計算機機載軟件為例，采用SCADE （Safety-Critical Application Development Environment）圖形化開發(fā)方法實現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)，同時采用SCADE代碼生成器KCG6.1自動生成滿足DO-178B國際標準的A級質(zhì)量認證的ANSI C語言的嵌入式產(chǎn)品代碼[3]，并采用專業(yè)的軟件測試工具LRDA Testbed對生成的代碼進行質(zhì)量評價，在某機載余度管理軟件開發(fā)項目中應(yīng)用，縮短了開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。

1 3×1架構(gòu)機載余度管理軟件設(shè)計

余度設(shè)計與余度管理是提高飛行控制系統(tǒng)容錯能力、可靠性和安全性的手段[5]。通過在線信號監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障模塊；通過故障的隔離、切換和重構(gòu)來實現(xiàn)故障的處理；通過監(jiān)控、表決輸入輸出信號來選擇信號[6]。這些都是實現(xiàn)容錯與高可靠性的手段。

余度管理主要研究的內(nèi)容包括以下幾個方面：

1）同步、交叉?zhèn)鬏敿夹g(shù)；

2）監(jiān)控、表決（信號選擇技術(shù)）；

3）故障監(jiān)控、隔離技術(shù)；

4）故障重構(gòu)技術(shù)。

文中以三余度數(shù)字量信號的監(jiān)控、表決為例介紹基于SCADE的余度管理軟件的開發(fā)。根據(jù)在線監(jiān)控檢查數(shù)據(jù)有效性，可能的有效數(shù)據(jù)分別為3個、2個、1個、0個，對應(yīng)的監(jiān)控算法也就分以下幾種情況來討論。

3個信號有效時將有效數(shù)字量輸入信號按照大小值進行排序處理，可得到最大值、次大值和最小值。設(shè)最大值為R3，中間值為R2，最小值為R1，并求取相鄰兩個值之間的差值，分別記為：ΔR12（R2減去 R1的差）、ΔR23（R3減去 R2的差）和 ΔR13（R3減去R1的差）。根據(jù)上述偏差的檢測結(jié)果與閾值ε做比較，確定各余度信號的狀態(tài)。由此，三余度數(shù)字量監(jiān)控、表決具體算法流程如圖1所示。

2 基于SCADE機載余度管理軟件設(shè)計

2.1 SCADE簡介

圖1 數(shù)字量監(jiān)控/表決算法Fig.1 Digital valuable monitor/vote algorithm

圖形化編程工具SCADE建立在嚴格的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，具有嚴格的數(shù)學(xué)語義，可以實現(xiàn)為不同項目組、制造商與供應(yīng)商之間提供可靠的通用的平臺實現(xiàn)系統(tǒng)需求的交流，且與硬件無關(guān)，可配合不同的硬件平臺使用。SCADE界面采用類Visual Studio風(fēng)格，直觀友好，易學(xué)易用，提供了建立在嚴格的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的數(shù)據(jù)流圖（block diagrams）和安全狀態(tài)機（safe state machines）兩套圖形化建模機制，其中數(shù)據(jù)流圖適用于連續(xù)系統(tǒng)的建模，安全狀態(tài)機適用于離散系統(tǒng)建模，兩套機制融合在一起，能夠滿足不同類型的系統(tǒng)尤其是混合系統(tǒng)的開發(fā)。SCADE提供的形式驗證彌補了測試中存在的不能保證系統(tǒng)安全性的局限，SCADE代碼生成器KCG通過了DO-178B國際標準的A級質(zhì)量認證，保證了代碼的正確性。

2.2 SCADE模型建立

基于上述算法流程，對三余度數(shù)字量信號監(jiān)控、表決算法進行SCADE建模，采用狀態(tài)機（State Machine）來搭建有效數(shù)據(jù)為3/2/1時的數(shù)據(jù)流圖，具體模型如圖2所示。

其中子模塊3個數(shù)據(jù)有效時監(jiān)控表決模塊DIGIMonitor3具體模型圖3所示。

圖3 3個信號有效時監(jiān)控/表決模型Fig.3 The monitor/vote model of 3 active signal

Order為對3個數(shù)據(jù)進行排序的子模塊，Abs為取絕對值子模塊。

開發(fā)過程中關(guān)鍵技術(shù)難點：1）對多個同類型的操作進行處理時，SCADE不支持循環(huán)操作，使搭建模型的工作量復(fù)雜。2）對內(nèi)存等底層進行操作時，需要進行手工代碼導(dǎo)入來協(xié)助完成軟件開發(fā)。

3 代碼生成與運行測試

SCADE所生成的代碼是完全面向工程的產(chǎn)品代碼，可以直接嵌入到產(chǎn)品中去而不需做任何修改，且代碼的運行結(jié)果和仿真的結(jié)果完全一致。采用KCG6.1代碼生成器，數(shù)字量表決監(jiān)控3個輸入有效模型自動生成代碼部分截圖如圖4所示。

在LDRA Testbed測試環(huán)境下，依據(jù)Testbed收集的數(shù)據(jù)，使用一定的評價模型對被評價軟件進行評價。評價模型使用因數(shù)——特性——度量的三級結(jié)構(gòu)。根據(jù)公式評價軟件質(zhì)量特性：

對自動生成的代碼進行質(zhì)量分析評價，測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 KCG6.1.2生成代碼Fig.4 Code generated by KCG 6.1.2

其代碼生成器生成的嵌入式代碼子程序質(zhì)量及軟件的可測試性、可維護性及清晰性都嚴格遵照DO-178B國際標準達到 Excellent，手寫代碼分別為 Good，Middle，Middle.子程序質(zhì)量分類圖顯示手寫代碼子程序質(zhì)量為Middle，而自動生成代碼為Good，軟件質(zhì)量相對手寫代碼有很大程度的提高。

圖5 代碼測試結(jié)果Fig.5 Codes test rusult

4 在仿真三余度飛控計算機上實現(xiàn)

飛控計算機仿真機為3×1非相似硬件結(jié)構(gòu)（CPU不同），系統(tǒng)分為3個通道，每個通道含一臺飛控仿真計算機，飛控計算機實時仿真機內(nèi)各板卡均基于VME背板總線，三臺飛控計算機采用非相似的處理器板卡 （處理器板支持JTAG接口和VxWorks6.8），并具有AFDX總線接口、ARINC429總線接口、CAN總線接口和DIO離散量接口，完成余度任務(wù)管理及在線監(jiān)控功能。該模塊另配備有飛控仿真機上位機一臺，用于余度故障模擬及調(diào)試管理。其實物圖如圖6所示。

圖6 三余度飛控計算機實物圖Fig.6 Triple-redundant flight control computer

5 結(jié) 論

將SCADE代碼生成器KCG自動生成的函數(shù)嵌入到VxWorks6.8開發(fā)環(huán)境中，大大降低了由手寫代碼造成的語法錯誤和邏輯錯誤，縮短了開發(fā)調(diào)試周期，節(jié)省了開發(fā)成本，很好的保證了三余度管理軟件的功能實現(xiàn)，且代碼的可讀性良好，大大提高了機載三余度管理軟件的開發(fā)效率并保證了軟件代碼質(zhì)量，有很好的工程應(yīng)用價值。

[1]劉小雄，章衛(wèi)國，李廣文.電傳飛行控制系統(tǒng)的余度設(shè)計技術(shù)[J].飛機設(shè)計，2006，1（1）:35-38.

LIU Xiao-xiong，ZHANG Wei-guo，LI Guang-wen.Redundancy techniques for fly-by-wire flight control systems[J].Aircraft Design，2006，1（1）:35-38.

[2]林成文.機載軟件圖形化設(shè)計與自動代碼生成研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]Esterel Technologies.SCADE Training Course[S].2009.

[4]吳成富，王睿，陳懷民，等.基于SCADE實現(xiàn)的三余度飛控計算機系統(tǒng)任務(wù)同步[J].航空計算技術(shù)，2009，1（1）:107-110.

WU Cheng-fu，WANG Rui，CHEN Huai-min，et al.Task synchronization oftriplex Hot-redundancy flightcontrol computerbased on SCADE[J].AeronauticalComputer Technioue，2009，1（1）:107-110.

[5]宋祥貴，張新國.電傳飛行控制系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2003.

[6]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社，2010.