某型AFDX網絡交換機測試性分析

白楊 賈世偉 何向棟

摘 ? 要：AFDX交換機是整個AFDX網絡的核心所在，AFDX交換機的產生的故障會導致整個網絡的癱瘓、失效。文章針對某型AFDX交換機的測試性設計進行測試性建模，并根據測試性模型形成了該AFDX交換機的測試性設計的基礎數據。

關鍵詞：機載網絡;測試性;AFDX交換機

航空電子系統誕生于20世紀70年代，隨著航空電子系統的快速發展，機載網絡逐漸成了航空電子系統各設備之間數據交換的核心和樞紐。AFDX網絡基于以太網，以其低成本、高可靠性、高速率、技術成熟等優勢，逐漸發展成熟。

AFDX網絡的誕生加快了航電系統的綜合化發展，基于AFDX網絡的機載電子設備組成越來越復雜，導致其測試性設計難度加大，故障診斷過程更加困難，同時，綜合保障的費用也會大大提高。因此，測試性設計越來越受到重視。

1 ? ?AFDX網絡交換機測試性設計

AFDX交換機采用虛擬鏈路的概念保證了網絡的確定性，是AFDX網絡的通信神經中樞[1]，接收來自端系統的數據分組，按照預先配置的虛擬鏈路將該數據分組轉發到相應的輸出端口，實現了航空電子子系統之間的數據交換。AFDX交換機包含5個相互作用的功能模塊。其中，交換功能為核心功能，內置端系統、配置功能、過濾警管功能和監控功能分別為AFDX交換機的數據交換提供符合A664規范的數據交換規則[2]。

文章討論的AFDX交換機采用FPGA芯片為核心進行搭建，通過邏輯實現數據幀的存儲、過濾、管制、調度和轉發等功能。模塊可以分為控制模塊和交換模塊。控制模塊基于嵌入式PowerPC處理器，搭載存儲、調試等外圍電路，協同控制和管理整個系統，并為用戶提供操作接口。交換模塊則采用一片FPGA實現MAC層協議并采用物理層PHY芯片，設計24個交換端口共同實現10/100 Mbps全雙工、無阻塞的數據分組交換功能。AFDX交換機設計架構如圖1所示。

根據AFDX交換機的功能和設計架構，其測試性設計按照機內測試設計和外部測試設計兩部分實現，內部測試性設計包括周期BIT、上電BIT和維護BIT;外部測試性設計則采用專用外部測試點進行完整網絡拓撲狀態的數據監控和檢測;另外，從AFDX交換機轉發原理及硬件設計框架可以看出，交換機24個端口共用數據轉發的緩存，因此，數據轉發緩存將是AFDX交換機的一個關鍵節點，若將數據轉發緩存的檢測采用機內測試的方式實現，將導致AFDX交換機的交換轉發功能失效，因此，需采用外包測試設計對數據轉發緩存進行檢測，將數據轉發緩存作為一個外部測試點進行測試。

2 ? ?AFDX交換機測試性建模

測試性不僅對維修性產生影響，而且對系統效能及全壽命周期費用也有相當大的決定性作用[3]，根據AFDX網絡交換機功能模塊交互原理、設計架構以及測試性設計，采用北京聯合信標測試技術有限公司獨立開發的依據IEEE 1232，IEEE 1522標準設計的可測試性分析軟件TADS對AFDX交換機進行測試性建模，測試性建模過程包括：FMECA分析、測試性模型建立。

2.1 ?AFDX網絡交換機FMECA分析

對AFDX交換機實施FMECA分析的目的是找出產品在硬件設計中可能的故障模式、原因及影響，針對原因和影響提出設計更改建議及維修對策，為測試性建模與分析提供必要的輸入信息。文章的分析是在對器件級、功能級、LRM級分析的基礎上進行，將產品的故障模式及對模塊的影響及危害性進行提煉總結。FMECA分析主要從5個方面開展工作：

（1）依據AFDX交換機硬件設計框圖劃分功能層次與結構層次的對應關系，如圖2所示。

（2）根據AFDX交換機模塊功能電路，繪制任務可靠性框圖，任務可靠性框圖中交換電路、電源電路、時鐘電路、處理器電路、離散量電路、通信電路和連接器形成串聯關系，并同時與印制板及焊點形成并聯關系。

（3）根據功能層次與結構層次的對應關系以及可靠性框圖，約定AFDX交換機FMECA分析的層次關系，從上到下層次關系如下所示。

初始約定層次：AFDX交換機。

約定層次2：SRM。

約定層次3：交換電路、電源電路、時鐘電路、處理器電路、離散量電路、通信電路、連接器形。

最低的約定層次：各功能電路中使用的元器件。

（4）確定故障的嚴酷度類別，如下所示。

等級Ⅰ：模塊嚴重損壞，完全不能進行任務數據轉發，并可能引起主機系統安全的現象。

等級Ⅱ：模塊嚴重損壞，不能進行部分任務數據的轉發，嚴重拖延任務的完成。

等級Ⅲ：模塊中等程度損壞，拖延任務的完成或不能完成部分功能，增加計劃外的維修成本。

等級Ⅳ：模塊輕微損壞，輕度拖延任務的完成或增加計劃外的維修成本。

（5）按照AFDX交換機模塊FMECA分析的約定層次，分別從元器件級、功能電路級和功能級，經過硬件法FMECA分析，歸納出本產品的故障模式清單，如表1所示。

2.2 ?AFDX網絡交換機測試性建模

AFDX交換機測試性建模過程如下：首先，收集設計資料，包括AFDX交換機的詳細設計文檔、工作原理、電路圖、連接插頭定義與可靠性數據;然后準備測試性框圖，根據以上收集的設計資料，標識AFDX交換機的輸入/輸出端口。其次，輸入AFDX交換機的屬性和信息，包括所有端口、可靠性數據、故障模式、功能，并根據設計文檔與FMECA分析結論，輸入每個模塊的故障模式并且建立故障模式之間的關系。再次，增加連線關系，使用連線表達功能電路之間的相互關系，連線的關系表達了AFDX交換機數據流的流向，以及故障流的流向。最后，為每個端口增加可行的測試點與測試，并且指定測試與功能之間的關系，測試與故障模式之間的關系并執行可測試性分析。

3 ? ?AFDX交換機測試性建模結論分析

根據上述過程建立測試性模型后，進行AFDX交換機的測試性分析，結論如下：

（1）周期BIT故障檢測率為0.73%。（2）上電BIT故障檢測率為23.82%。（3）維護BIT故障檢測率為33.93%。（4）采用內場測試設備測試故障檢測率為97.24%。（5）采用內場人工檢查故障檢測率為98.57%。

4 ? ?結語

文章針對某型AFDX交換機的測試性設計進行了測試性建模，形成了該AFDX交換機的測試性數據，為該AFDX交換機的測試性設計改進提供了理論依據。

[參考文獻]

[1]趙永庫，李貞，唐來勝.AFDX網絡協議研究[J].計算機測量與控制，2011（12）：3137-3139.

[2]NONAME.Aircraft data networkpart 7，avionics full duplex switched ethernet（afdx）network[EB/OL].（2009-12-20）[2020-03-25].http：//www.freestd.us/soft3/936884.htm.

[3]邱靜.裝備測試性建模與設計技術[M].北京：科學出版社，2012.

Research on test design technology of AFDX switch

Bai Yang， Jia Shiwei， He Xiangdong

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian ?710065， China）

Abstract：AFDX switch is the core of the whole AFDX network， and the failure caused by AFDX switch can cause the whole network to be paralyzed and invalid. In this paper， the testability model is built for the testability design of a certain AFDX switch， according to the testability model， forming the basic data of AFDX switch testability design.

Key words：airborne network; testability; AFDX switch