嵌入式測試在航空電子設備中的設計與實現

何麗 陳波

摘要：隨著現代電子技術的快速發展和應用，航空電子設備的性能大大提高，但同時給電子設備帶來新的測試和故障診斷問題。為解決電子設備對自身故障的快速診斷和準確定位等問題，航空電子設備引入了嵌入式測試技術來完善機內測試（BIT）。本文從嵌入式測試系統的系統架構、硬件和軟件流程等方面，闡述了航空電子設備中嵌入式測試系統的設計和實現，并給出了典型的測試控制和信號采集設計。本文的設計方法已實現工程應用，對提升航空電子設備的自檢測及故障診斷能力具有一定的現實意義。

關鍵詞：嵌入式測試；CAN；分布-集中式架構；測試控制單元；MC9S12XF512

中圖分類號：V248.9文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.010

隨著新技術的不斷注入，現代航空電子設備的高集成化、高智能化，以及分析處理問題的高效化特征日益增強，隨之而來是系統故障診斷、故障隔離的難度也越來越大，因此，提升航空電子設備的故障診斷能力，實現快速診斷和故障準確定位成為了航空電子設備設計的新需求。

傳統的設計中，航空電子設備將內部的測試信號耦合輸出至專用的檢測接口，借助于外部測試設備來實現故障的檢測和隔離，但這樣導致航空電子設備的維護測試操作繁瑣，保障效率低下，嚴重影響了飛機的再次出動率。因此，新一代的航空電子設備在設計之初即重點考慮其機內自檢的設計，嵌入式系統以其強實時性、可裁剪性、良好的可移植性等突出特點[1]，成為了新一代航空電子設備機內測試方案的首選。

本文主要介紹基于嵌入式系統的典型航空電子設備測試系統的設計與實現，該設計在某航空電子設備中進行了應用，可有效地對設備進行狀態監測、故障檢測和隔離。

1嵌入式測試系統架構設計

電子設備根據組成的單元特點，其嵌入式測試系統可采用集中式、分布式或分布-集中式的架構來實現[2-4]。通常，復雜的電子設備優選分布-集中式的架構，圖1為某航空電子設備采用的分布-集中式測試架構。

在分布-集中式的架構中，除了系統具有嵌入式測試控制處理單元以外，系統各組成模塊內部也設計有嵌入式測試控制處理單元，系統層嵌入式測試控制處理單元和各組成模塊的嵌入式測試控制處理單元之間通過系統測試總線連接，各部分的主要功能如下。

（1）系統層嵌入式測試控制單元

系統層嵌入式測試控制單元包括測試控制單元和綜合診斷單元，主要完成全系統內部各組成單元的嵌入式測試控制、測試數據的綜合分析等功能。

（2）模塊層嵌入式測試控制處理單元

接收系統層測試控制單元的控制，完成模塊內部電路測試信號的調理、采集及數據上報等功能。

（3）系統測試總線

實現系統層嵌入式測試控制單元和各模塊嵌入式測試控制處理單元之間測試控制指令、測試數據的傳遞等功能。

這種分層集成的組織結構，可以綜合利用模塊層較強的信息獲取能力和系統層強大的信息處理能力，從而提高全系統的測試性能。而且，這種嵌入式系統測試結構，既有利于實現橫向各模塊的并行測試，又便于實現縱向各級測試的復用，從而既提高測試效率，又降低測試成本。

2嵌入式測試系統硬件設計

按照電子設備嵌入式測試系統的架構布局，對嵌入式測試系統開展硬件設計時，也主要從三個部分來進行。

2.1系統測試控制單元的設計

系統測試控制單元需要完成系統測試模式的切換控制，并對來自模塊層的大量測試數據進行綜合分析，給出最終的診斷結果，因此對控制的時效性、運算處理速度有一定要求，在工程應用中，通常采用嵌入式計算機來作為系統測試控制單元。

2.2系統測試總線的設計

在設計中，我們優選了CAN總線作為系統測試總線，系統的嵌入式測試控制和數據傳輸均采用CANaerospace協議。CANaerospace被美國國家航空航天局（NASA）標準化為“先進的通用航空運輸試驗數據總線”，它具有以下特點：（1）采用總線型拓撲結構（見圖2），支持多主發送，支持點對點通信和廣播數據傳輸，不需要系統啟動過程，避免了由于主站的失敗而導致的危險情況；（2）增加了對系統冗余的支持；（3）是一個動態的網絡，其總線調度可以在一定的限制之內變化，并支持節點的熱插拔；（4）完全開放，便于擴展，允許用戶實現自定義的報文類型和協議；（5）完全公開，免費發布全部技術資料，簡單易用，便于實現[5-6]。

2.3模塊測試控制處理單元的設計

模塊測試控制處理單元的架構設計如圖3所示，控制處理單元是一個單片機應用系統，其外圍模塊有電源、存儲器、通信協議轉換功能電路以及各種測試信號的調理功能電路。

2.3.1控制處理電路的設計

控制處理電路的設計是模塊測試控制處理單元的設計重點，在設計中，我們選用Freescale公司的MC9S12XF512單片機作為控制處理器。MC9S12XF512是一個16位器件，由512KB Flash、32KB RAM、4KB EEEPROM組成片內存儲器，同時還包括16路12位的ADC、4個通用16位定時器和兩個PWM定時器，另外還包含多種標準的通信接口：2路串行外設接口（SPI）、2路I2C、1路CAN和5路UART。MC9S12XF512有48個I/O引腳，每個I/O口分別對應輸入/輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O口復用，在對同一個I/O口進行操作前要選擇其要實現的功能，這樣大大增強了端口的功能和靈活性。除此之外，該單片機還具有超低功耗的優點，運行在1MHz時鐘條件下時，工作電流視工作模式不同為0.1～280μA。由于MC9S12XF512具有以上的特點，所以選用其作為模塊測試控制處理單元的控制處理器芯片[7-8]。

2.3.2 CAN接口電路的設計

CAN總線接口的收發器采用SM1050，在CANH和CANL與地之間并聯了兩個30pF的小電容，濾除總線上的高頻干擾，提高CAN總線的防電磁輻射的能力。收發器SM1050的輸出電平為5V，而單片機MC9S12XF512的輸入信號電平為3.3V，因此，在電路中利用雙通道數字隔離器進行了信號的轉換隔離，隔離器選用ADI公司的ADUM1201 ARZ，電路圖如圖4所示[9-10]。

2.3.3信號測試調理電路的設計

信號測試調理電路需要根據每個模塊具體的被測試信號來進行設計。由于控制處理電路的MC9S12XF512具有豐富的采集端口，可實現模擬信號的A/D采集和數字信號的I/O采集，因此，信號測試調理電路只需要針對模塊內部的每個被測試信號，將其轉換為符合MC9S12XF512端口電平的信號，并將信號輸送至MC9S12XF512的對應I/O口即可。

圖5為溫度傳感電路圖，利用溫度傳感器ADT7301 ARMZ對模塊內部溫度進行采集，并通過串行總線將溫度數據傳至MC9S12XF512。

圖6為射頻信號的調理檢測電路圖，對射頻通道上的信號進行耦合，利用檢測器件VJJ23M-655對信號進行檢波整形，然后將信號送至MC9S12XF512采集量化。

圖7為直流電壓信號的調理檢測電路圖，通過分壓電阻，將信號轉換成符合MC9S12XF512的A/D口輸入電壓范圍的信號后，由MC9S12XF512進行采集量化。

3嵌入式測試系統軟件流程設計

嵌入式測試系統的軟件開發包括系統層和模塊層兩個層面，模塊層主要實現信號的測量和數據的上報，每個模塊需要根據內部的硬件設計來開發對應的測試軟件，而系統層軟件需要實現全系統測試模式的切換控制、測試數據的查詢和匯總分析等，是嵌入式測試系統軟件開發的重點，因此，以下主要講述系統層測試軟件的開發。

嵌入式測試系統運行模式如圖8所示，測試包括上電測試模式、周期測試模式和維護測試模式。電子設備上電后，自動進入上電測試模式，完成對電子設備的初始測試；上電測試完畢后，自動切換進入周期測試模式，嵌入式測試系統以固定周期對電子設備進行測試，直到嵌入式測試系統接收到維護控制指令、待機控制指令或者停止命令，才終止周期測試；嵌入式測試系統接收到維護模式的指令后，進入維護模式，等待操作人員的選擇開展相應的測試，當它接收到切換至正常模式的指令時，將退出維護測試模式，進入周期測試模式；待機模式由操作人員在人機交互界面選擇，一旦選擇待機模式，嵌入式測試系統將停止測試，處于休眠狀態，等待操作人員操作喚醒。

與嵌入式測試系統運行模式對應，嵌入式測試系統軟件也分為上電測試軟件、周期測試軟件和維護測試軟件三大部分，各部分的主要流程如下。

（1）上電測試軟件流程

上電測試時，系統層測試控制單元首先下發全系統狀態查詢指令，各模塊層測試控制單元對內部狀態信號進行采集，并將數據打包上報至系統層測試控制單元，由系統層測試控制單元對所有數據進行匯總分析，綜合判斷系統內部各模塊是否存在故障，如有故障則上報人機交互界面輸出，如系統內部各模塊狀態均正常，則系統層測試控制單元將控制電子設備進入系統功能自檢測，此檢測需電子設備進入特定的模式，通過對內部各種模塊資源進行調度，實現電子設備主要功能，以及內部各模塊之間交互信號的測試，在電子設備完成這些交互測試過程中，嵌入式測試系統通過各模塊層測試控制單元不斷獲取電子設備的各種狀態參數，通過這些參數來最終判斷電子設備的功能是否存在故障，并對故障進行定位和上報。上電測試流程圖如圖9所示。

（2）周期測試軟件流程

周期測試時，系統層測試控制單元以固定周期下發全系統狀態查詢指令，各模塊層測試控制單元對內部狀態信號進行采集，并將數據打包上報至系統層測試控制單元，由系統層測試控制單元對所有數據進行匯總分析，綜合判斷系統內部各模塊是否存在故障，如有故障則上報人機交互界面輸出。周期測試流程圖如圖10所示。

（3）維護測試軟件流程

維護測試的流程與上電測試流程基本一致，只是由于電子設備上電啟動一般有時間限制，因此上電測試流程中只能對電子設備的主要功能進行檢測，相比較而言，維護測試的時間限制較寬松，可對電子設備的絕大多數功能進行測試，測試更細致、準確。

4結束語

本文從系統架構、硬件和軟件流程三個方面闡述了航空電子設備嵌入式測試系統的設計，該設計已成功應用于某機載電子設備中，與上一代機載電子設備相比，其故障自檢測能力明顯提升，故障檢測率可達85%以上。該嵌入式測試系統具有體積小、智能化程度高和測試效率高等特點，大大增強航空電子設備的自檢測診斷能力，對提升航空電子設備的使用保障能力有著重要的意義。另外，該設計思路作為通用設計思路，對其他設備的嵌入式測試系統開發設計也具有借鑒意義。

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作者簡介

何麗（1978-）女，學士，高級工程師。主要研究方向：電子裝備測試性設計研究、健康管理及故障預測技術研究。

Tel：028-62552829

E-mail：1351900526@qq.com

陳波（1976-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：電子裝備綜合保障研究、健康管理及故障預測技術研究。

Tel：028-62552844

E-mail：cb123lqh@aliyun.com

Design and Implementation of Embedded Testing in Avionics

He Li*，Chen Bo

Southwest Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China

Abstract： With the development and application of modern electronic technology， the performance of avionics equipment is greatly improved， but it brings the electronic equipment with new problems of fault diagnosis. In order to solve the problems of fault diagnosis and location， embedded test technology is introduced into avionics to improve the BIT. The paper introduces the process of designing and executing the equipment testing system at the view of system architecture，hardware and software. The methods discussed in the paper is helpful to improve the self-test and diagnosis ability of avionics.

Key Words： embedded test； CAN； decentralized-centralized structure； test control unit； MC9S12XF512