一種通用串行總線的故障注入系統設計

岳曉東

【關鍵詞】串行總線 故障注入 測試 分析

1 引言

目前，串行總線在工業控制及導彈武器系統中應用極為廣泛，針對系統級總線的掛接設備多，總線長度長，使用環境復雜、惡劣，故障檢測、定位復雜的特點，本文提出了一種通過故障注入的方法測試、分析總線上各種問題的系統設計思路。

故障注入是一種可靠性驗證技術，通過受控實驗向系統中刻意引入故障，并觀察系統中存在故障時的行為。故障類型分為三個層次：物理層故障、電氣層故障以及協議層故障。

物理層故障模式包括通斷控制、短路控制、串行阻抗控制、并行阻抗控制，用以模擬總線上會出現的各種線路問題；電氣層故障模式包括輸出幅度調節、占空比調節、上升下降沿調節、信號延遲等項來模擬測試設備輸出異常信號的情況；協議層故障模式根據不同的總線主要有校驗錯、數據長度錯等。

2 系統規劃

本文提出的測試系統采用模塊化設計思想，主要由軟件協議生成單元、輸出控制單元及總線接口匹配單元三個部分組成。

軟件協議生產單元完成所測試總線協議生產及故障注入需求，由軟件實現，系統使用更加靈活。主機通過軟件下發測試命令并下傳到輸出控制單元，控制單元解析命令，執行故障注入或數據采集。

輸出控制單元用于故障注入數據的輸出控制及數據的回采工作，輸出控制單元采用FPGA實現，確保實時完成數據輸出控制和采集，同時因采用FPGA設計使輸出控制也具備一定的靈活性。

總線接口匹配單元用于不同的總線接口匹配，使得系統可以靈活的匹配不同的串行總線及總線負載。

3 故障注入實現思路及實現實例

3.1 故障注入實現思路

故障注入系統使用高速DA轉換器輸出總線信號；同時使用高速AD對總線信號進行采樣；通過控制接口單元中繼電器通斷狀態，改變接口連接以匹配不同的阻容網絡，完成總線電氣測試。使用該模式可以通過軟件控制完成不同的繼電器動作，組成不同的測試結構，完成各項測試，總線接口單元中設計有電阻和電容網絡，可以完成總線負載測試。圖1是故障測試系統框圖。

本測試系統使用130M的高速AD轉換器實時采集總線的電平信息，并將采集的數據上傳至上位機。上位機通過數據恢復軟件恢復出總線波形，就可以測出總線電壓的峰峰值、總線占空比、過零點穩定度等信息。然后，根據故障注入需求，調整FPGA輸出給運放的放大系數，使輸出信號的幅度按需求比例放大或縮小，完成電壓幅度的調節；也可通過FPGA控制給DA轉換器輸出數據的時間，控制信號延時，或者也可按照需求在FPGA中控制信號高、低電平的信號寬度，調節輸出信號的占空比。比如在一個數據周期內輸出55%的高輸出，輸出45%的低輸出，即可控制占空比為55%。

3.2 故障注入實例

下面以1553B總線故障注入及測試來說明系統的設計。

例如正常總線上的特性阻抗為75歐姆左右（偏差10%），如果測得阻抗過大或者過小，則說明總線上的耦合器或者短截線存在故障。因此通過改變繼電器的連接關系來適配不同的阻容網絡，改變總線的特性阻抗，模擬總線上的線路故障。改變總線上特性阻抗后，在總線上波形的峰峰值Vpp就會有所改變，如果測試測得Vpp偏小并超過正常衰減時，說明總線上存在短路情況。

也可以通過改變輸出信號尾部的拖尾電壓，模擬注入命令字出錯的故障現象。如果尾部拖尾電壓過大，則會使BC發出的命令字波形不對稱，從而導致RT無法正確識別。

以上實例說明，串行總線上物理層、電氣層、協議層均可以通過故障注入的方式，快速分析、模擬總線上存在的故障。

4 結束語

本文針對通用串行總線提出了一種基于故障注入方式測試系統的實現方法。協議控制軟件通過FPGA控制輸出不同特征的信號，匹配相應的總線接口單元，就可完成不同串行總線的測試及故障注入，使用靈活方便，具有較好的實用價值。

參考文獻

[1]劉大川.基于故障注入的電路測試性仿真分析[J].河南科技，2015.

[2]曾憲煉，馬捷中，任向隆，何世強.基于VHDL的故障注入技術[J].計算機工程，2010.

[3]中國測控網[Z].1 553B總線控制器有效性測試中故障注入技術研究，2006.