航電系統機載軟件全數字仿真測試平臺技術研究

萬鵬，李利

(中航工業洪都,江西南昌330024)

0 引言

隨著計算機技術的發展，嵌入式系統在各個領域有著越來越廣泛的應用，嵌入式軟件在產品中所占的比重迅速增大，軟件質量保證也就顯得至關重要。因此，軟件質量評估與控制方法成為亟待研究的課題。行業內在運用硬件質量控制基礎上，積極推進軟件質量控制和軟件質量測評方面的手段與條件建設，以保證和提高產品的軟件質量。GJB 2786A、GJB5000A、GJB 9001B均對軟件測試工作提出了明確要求，可見軟件測試工作在型號軟件研制中被越來越重視了。

1 現有測試條件和不足

軟硬件綜合設計技術在第三代教練機上得到廣泛的應用，機載軟件實現了飛機的核心功能。目前機載軟件的研發模式，大多先進行系統設計，再開始進行硬件設計和硬件設備的調試和調試樣機的生產，當硬件設備達到交付狀態后，軟件研發人員再進行軟件的設計開發和調試，以及軟硬件集成測試和驗證，如圖1所示。由于嵌入式系統的軟件和硬件有很大的相關性，軟件功能驗證依賴于接口交聯的諸多產品，導致嵌入式軟件在開發及驗證中主要存在如下問題：

1)嵌入式軟件開發需要等待硬件設備的開發和調試，只有提交出可用的硬件設備后才可開展和硬件緊密相關的軟件的開發，導致整個項目的周期拖長；

2)在軟件開發調試階段，由于硬件設備資源有限，或者硬件設備成本較高，導致軟件項目團隊無法高效地進行相關調試工作；

3)由于硬件設備早期調試階段，可能會存在設計或者樣機生產方面的問題，導致在進行軟件調試時，無法有效區分軟件或硬件的故障，使得軟件的調試效率低下；

4)在測試驗證階段，基于真實硬件環境，很多軟件設計中的異常情況處理等情況，難以通過硬件環境進行測試和驗證。

由此，本文將提出一種基于軟件仿真技術的虛擬驗證平臺，通過采用軟件方法為嵌入式軟件開發提供一個全面的純數字的軟件驗證平臺，基于該平臺能夠解決現有嵌入式軟件開發及驗證過程中存在的問題。

圖1 當前機載軟件研發流程

2 全數字仿真測試平臺設計方案

2.1 航電系統概述

第三代飛機典型航空電子系統由GJB 289A（MIL-STD-1553B）、RS422、HB6096總線連接，構成以顯示與控制管理處理機為核心的計算機網絡系統。航空電子系統由以下子系統構成，它包括：

1)顯示控制管理系統

2)任務管理系統

3)機電管理系統

4)大氣數據系統

5)導航系統

6)飛行控制系統

7)發動機全權限數字式電子控制系統

8)雷達

本文討論的航電系統采用GJB289A（MIL-STD-1553B）多路數據總線實現綜合航空電子系統的信息傳輸與控制管理，以顯示與控制管理處理機為核心與各子系統交聯，如圖2所示。

圖2 典型航電系統框架

2.2 平臺總體要求

根據航電系統的特點及型號研制通用要求，仿真測試平臺須具備以下要求：

1)支持目標系統全數字仿真；

2)支持系統快速原型研制；

3)提供數字化虛擬目標機實現早期項目仿真與驗證；

4)平臺模塊化設計，仿真組件模塊化封裝，便于組件的重用。

2.3 平臺構架

航電系統仿真測試平臺采用分布式體系結構，其核心采用分布式數據總線集成待測試軟件，采用插件方式集成仿真平臺其他外圍設備功能模塊組件，并支持輔助測試、開發工具集成，對應于典型航電系統結構，其整體結構如圖3所示。

圖3 航電系統仿真測試平臺框架

2.3.1 虛擬目標機

全數字仿真是指不依賴于任何硬件系統，即虛擬目標機，所需的一切電信號和數據，采用數學平臺的方法，將嵌入式硬件特性從系統中剝離出來，通過開發CPU指令、常用芯片、I/O、中斷、時鐘等模擬器在HOST上實現嵌入式CPU的功能。

目標系統虛擬是整個仿真測試平臺的核心部分，測試人員在虛擬平臺上進行嵌入式軟件的測試，如BSP、固件、RTOS與應用程序，目標機代碼可以不加修改地在虛擬系統中直接運行，并可以得到與在真實系統中運行相同的結果。其原理是嵌入式系統中可以通過地址來操作實現各種功能，對于寄存器、內存和I/O都分配了地址，通過對分配地址的操作，就可以對目標對象進行模擬操作。

在實際應用中是將目標機的指令直接翻譯為能實現相應功能的宿主機上的指令/指令塊。指令仿真方法采用模擬處理器的執行，根據地址從仿真內存中取指令，根據目標機處理器指令集規范按字段分析指令，按照分析的結果，利用主機處理器來模擬執行相應的行為。解釋模擬器工作原理如圖4所示。

圖4 解釋模擬器工作原理

采用目標虛擬機模式，測試人員在軟件開發和調試階段即開展基于仿真平臺進行更加便捷和全面的開發以及驗證；當進入軟件系統測試階段后，測試人員可重用先期測試成果，提高測試效率，縮短測試時間，加快型號研制進度。

2.3.2 分布式總線

分布式仿真與驗證數據總線連接整個模型，通過總線，仿真組件可以動態地加入或退出仿真測試平臺。

2.3.3 仿真控制與顯示

仿真控制與顯示模塊是整個仿真測試平臺的仿真控制和顯示中心，可配置整個仿真和驗證系統；動態、可視化地顯示每一個仿真節點的數據，可選擇記錄每個節點的數據，并保存。

2.3.4 外圍設備仿真

建立外圍設備模型庫，模型庫包括任務管理系統、機電管理系統、大氣數據系統、導航系統、飛行控制系統、發動機全權限數字式電子控制系統、雷達等子系統模型。外圍設備仿真模塊通過仿真工具 （如Matlab等）模型仿真模塊實現對飛機子系統模型運行控制、參數在線修改和輸入輸出接口控制，并通過分布式數字總線集成到整個仿真測試平臺，從而實現系統的閉環仿真與驗證。

仿真平臺支持使用插件方式擴展用戶的功能模塊。插件是以動態鏈接庫（dll）的形式給出，虛擬平臺可以支持多個插件同時工作，也就是說，可以將數個實現不同功能的插件dll放置到同一個項目中，可實現同時多個外圍設備仿真。

2.3.5 輔助測試工具

仿真測試平臺可集成輔助測試工具，如覆蓋率測試工具、靜態分析工具、故障注入工具、調試器等，也可集成部分開發工具，如LabView等，通過上述工具的集成，在仿真測試平臺進行黑盒測試的同時，也能夠進行白盒測試，保證測試的充分性和完整性。

3 航電系統軟件典型仿真測試環境

通過仿真測試平臺，可以構建出航電系統軟件仿真測試的典型應用框架，如圖5所示。在此框架中，采用以太網模擬分布式數據總線，網絡協議采用TCP/IP協議，框架主體由虛擬目標機及外設和被測對象模型仿真與測試系統構成。

在此應用中目標系統采用虛擬目標機仿真工具構建，目標對象采用仿真工具進行數字化仿真，測試與試驗系統采用Labview或其他用戶專用測試軟件，提供用戶界面交互、測試序列管理、數據記錄與分析等功能，所有平臺中功能組件由分布式數據總線進行交互與調度，采用這種配置可實現基于虛擬目標系統的全數字化仿真驗證，適合于在系統研制初期對系統設計方案進行試驗與評估；軟件設計編碼工作完成后，可在此應用框架中進行部分系統測試工作；另外在系統交付使用后適用于系統維護與培訓。

圖5 仿真測試平臺應用場景

4 結論

本文討論的仿真測試平臺方案，既結合了黑盒與白盒測試工具優勢，又滿足了測試規范的目標和要求。現已完成原型設計與驗證工作，該仿真測試平臺既擴展升級了機載網絡、保證了接口的適配性，又提供了靈活易用的交聯環境建模功能，為航電系統軟件測試驗證工作提供便利的技術手段。

隨著新一代航電系統的深入研究與實踐以及型號任務的進一步發展，軟件占據著愈來愈大的比例，軟件測試的重要性也更趨明顯，而仿真測試環境又是軟件測試充分性的有力保障。本文所研究的航電系統軟件全數字仿真測試平臺具有良好的通用性，也可擴展至其他機載系統軟件仿真測試中應用。

[1]王金波.基于故障注入的嵌入式軟件安全性測試框架及實現.計算機應用研究,2012,29(8):2994-2295.

[2]周慶.綜合模塊化航電軟件仿真測試環境研究.航空學報，2012,33(4):722-724.

[3]李筱雅.1553總線測試仿真系統設計與實現.現代電子技術，2012，35（10）：60.