综合化航空电子系统中信号处理模块的健康管理方法

吴海燕

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

航空机载电子设备[1-4]日益增多，飞机负担不断增加，各项设备之间的电磁干扰也日益严重，系统综合化集成增加了航空电子设备多用途需求，执行任务时在线加载[5-7]不同的功能程序，完成诸如雷达、通信、导航、识别系统特有的电子对抗[8]、数字化语音、实时数据、精确测距[9-11]、可靠识别等服务，这些功能程序大部分在系统内的信号处理模块内完成，采用相同硬件结构的信号处理模块更新和加载不同的功能程序就能简化系统架构、减少模块数目、飞机负担及电磁干扰。因此，信号处理模块作为综合化系统中的主要计算单元，是综合化航空电子系统中的重要模块，该模块的健康和程序状态管理在航空电子系统中具有举足轻重的作用。航电系统的信号处理模块的健康管理[12-16]和维修保障方式决定了该航电系统是否能快速定位故障、快速修复故障。

对于早期独立设备的航电系统，离位检查是维修保障工作多采用的方式，它具有直接、针对性强的特点，有些特殊的、相对独立的机载成品的故障检测现在仍然采用这种方式，但是这种方式存在的缺点也是明显的，即在拆卸和安装过程中容易引起其他部件的损坏，且离位恢复到原装机状态可能有差别，从而影响系统整机的性能。随着综合化航电系统的不断发展，出现了模块的原位检测方法，通过航电系统内各模块的在线仿真、在线上报的方式报告各模块故障及状态，这种原位检测方法克服了离位检查的缺点，不用拆除模块，当航电系统中参与信息交换的设备和模块不太多时，采用这种方法比较可行，但是当综合化航电系统中的模块种类较多、上报接口总类各异，系统控制对模块的上报和自检状态很难管理。为此，迫切需要满足先进综合化航空电子系统下的关键模块——信号处理模块的在线自检、状态跟踪、日志记录和故障上报的要求。该文提出了一种在高速串行交换网络的基础上，采用系统控制的CAN 总线集中管理各模块的健康状态，实现上报通道与业务数据通信通道分离，独占带宽，实现上报模块状态的实时与便捷，同时提供了一种信号处理模块的标准接口模型，实现了此模型下的模块初始化、自检和状态信息上报、门限设置及日志记录等模块健康管理的方法。

1 系统组成

如图1 所示，综合化航空电子系统以系统控制模块[17]为管理核心，通过RapidIO 高速串行总线将系统内的信号处理模块及其他处理模块组成星型交换网络。同时，信号处理模块及其他模块都具有主备备份的两条CAN 总线与系统控制模块的CAN 总线相连，实现健康管理数据传输与模块间业务数据通信分离。

图1 综合化航空电子系统结构图

如图2 所示，信号处理模块内部由一个MSU 单元、四个可编程逻辑器件FPGA、四个通用处理器DSP 和一个控制可编程CPLD 组成。MSU 单元是由DSP28235 及外围电路构成，内部驻留健康管理软件客户端通过两路CAN 总线与系统控制模块的健康管理软件主机端通信，控制可编程CPLD 提供信号处理模块的复位时钟，同时经LocalBus 总线与四个通道的通用处理器DSP 相连；四通道的FPGA 接收天线及射频数据，同时有离散接口发送心跳信号给MSU单元；四个通道的DSP6455 完成复杂算法的信号处理并分别有一路RapidIO 高速总线接入高速交换网络与系统控制模块进行RapidIO 通信。MSU 单元通过访问CPLD 获取DSP6455 的状态信息，通过离散接口实现看门狗功能，通过MSU 单元获取当前模块工作电压、工作温度和工作时间，MSU 单元外接NVRAM，可记录模块生产厂家、基本硬件指标等信息。MSU 单元也可获取该模块的物理MARK 地址。所有这些信息可通过MSU 单元的CAN 接口上报给系统控制模块，系统控制模块也可通过CAN 接口随时查询这些信息。

图2 信号处理模块接口模型图

2 软件设计策略

如图3 所示，信号处理模块的健康管理主要包含初始化、看门狗、模块自检、模块状态管理、模块门限管理和模块时间管理六大部分。

图3 信号处理模块健康管理软件功能图

信号处理模块健康管理初始化主要是初始化MSU 单元。首先初始化MSU 单元的工作时钟，将MSU 单元外部输入时钟25 MHz 倍频到150 MHz 工作时钟，并初始化GPIO 中断，设置MSU 单元与控制CPLD 接收数据中断。当有信息通过CPLD 的LocalBus 发送到MSU 单元时，可用此中断通知MSU获取信息。MSU 单元上拉系统中模块的八位插槽编码，编码信号“开”状态表示1，“地”状态表示0，根据编码识别信息获得MARK 地址并设置MARK 地址寄存器，为填充上报系统控制的报文字段做准备。

信号处理模块的MSU 单元监测四个通道的可编程逻辑器件FPGA 是否正常工作的方式是采用看门狗。四通道的FPGA 不断产生周期脉冲通过离散接口输入MSU 单元，MSU 单元的健康管理软件客户端开启看门狗功能，500 ms 检测一次心跳信号，如果连续两次未检测到心跳信号，就通过复位管脚对该通道FPGA 进行复位，复位后如果仍然不能恢复周期脉冲信号，则健康管理软件客户端组织报文通过CAN 总线向系统控制模块报故障。

信号处理模块自检包括加电自检、周期自检、启动自检、自检结果回传处理和自检结果上报控制。其中加电自检是其他功能的基础，信号处理模块上电就开始对模块内各器件进行自检，MSU 单元与CPLD 和通用处理器DSP 都通过LocalBus 连接，自检方法如下：MSU 单元通过LocalBus 经CPLD 分别给四个通用处理器DSP 发送BIT 请求指令，定时10 ms 从CPLD 的“信号处理通道自检结果”寄存器组读取自检结果。自检结果包括信号处理通道DSP1 至DSP4芯片、RapidIO 通信端口、DSP 外接的FLASH、DDR2等状态参数，若读取自检结果失败，则存储故障日志；MSU 单元分别通过CAN 总线A 和B 接口收发数据一次，收发均正常则判定总线正常，否则故障；对DSP28235 存储器NVRAM 自检，写入数据然后读出数据进行比较，如果相等则说明存储器正常，否则故障；对CPLD 接口自检，写入数据然后读出进行比较，如果相等则接口正常否则故障；依次获取MSU 监测电压监测值，并分别判定电压为正常或告警或故障；依次获取四个通道的FPGA 和DSP 温度值，并分别判定温度值为正常或告警或故障。在加电自检完成后，自动转入周期自检状态，以10 s 为周期进行周期自检，内容与加电自检相同，周期自检后更新本地内存存储的自检结果。而启动自检是指收到系统控制的自检指令后，启动自检并上报自检结果。在收到自检指令时，校验消息ID、长度和参数合法性，若判断未通过时，仅回传总线响应，若通过则组帧通过CAN 总线上报系统控制自检内容。系统控制还可下发自检结果上报控制开关打开或关闭周期自检。

信号处理模块状态管理包括硬件信息设置、电子标签信息查询处理、故障日志信息查询处理和故障日志信息删除。在系统工作开始时，信号处理模块上的MSU 单元健康管理软件客户端收到来自系统控制模块健康管理软件主机端的硬件信息设置指令，校验消息ID、长度合法性，判断未通过时，不存储信息；通过则校验生产厂家和标牌信息内容合法性，校验失败不存储信息，校验成功则将这两项信息写入FLASH 中。在系统工作过程中，信号处理模块MSU 单元接收到系统控制模块的电子标签信息查询指令，在指令合法的条件下，通过LocalBus 从四个DSP 处理通道发送软件配置项查询，定时10 ms 从CPLD 的“软件配置项信息”寄存器读取配置项信息。信息包括信号处理四个通道的配置项信息，即处理器编号、配置项编号、程序文件编号、软件版本号、软件固化时间和编译时间。生产厂家和标牌信息、模块上电次数、累计工作时间等信息都从NVRAM上获取。所有电子标签信息回传结果组帧后通过CAN 总线上报给系统控制。

信号处理模块的门限管理是航电系统工作时，对各模块下发门限设置，作为模块温度、电压自检判决门限。信号处理模块上MSU 单元收到来自系统控制模块门限设置指令，校验合法性后将门限信息存入本地，获得门限信息存储结果。门限信息包括设置门限数量，MSU 监测电压值1 至电压值11，FPGA1 至FPGA4 和DSP1 至DSP4 的温度告警上下限以及故障上下限信息，组帧门限信息设置结果通过CAN 总线上报给系统控制。同时，系统控制可以通过查询指令读取这些门限值。

信号处理模块时间管理包括模块上电次数处理、模块累计工作时间处理、模块工作时间处理和系统时间下发处理。航电系统的可靠性跟系统中各模块的上电次数、累计正常工作时间有关，某些特殊算法需要系统下发统一的当前时间，完成各模块的时间同步。在系统上电时，MSU 单元从FLASH 中获取模块上电次数值，初始值为0，每上一次电，在初始值基础上加1；模块累计工作时间值增加600 s 生成新的累计工作时间，模块每10 min 更新一次累计工作时间，单位为s，存储模块累计工作时间到NVRAM 中。系统控制可通过指令获取模块上电次数、模块本次上电后工作时间和模块出厂后累计工作总时间。系统控制模块具有统一的系统当前时间。各信号处理模块健康管理软件客户端通过CAN总线收到带有当前时间的帧数据信息，进行系统时间合法性校验合格后，本地存储并通过四个通道的LocalBus 总线发送给DSP，实现时间分发的功能，每个DSP 收到时间信息后，进行系统时间合法性校验，若合法，则更新本地时间为获取到的系统时间。

3 健康管理信息内容

信号处理模块的健康管理内容数值型监测内容如表1 所示。监测值超过告警门限值或故障门限值，MCU 将上报告警或故障内容消息给系统控制，以做出下一步措施。

表1 信号处理模块数值型监测内容

4 结束语

该文通过模块健康管理数据传输与功能应用业务数据分离，实现模块管理和功能应用解耦，保证了故障上报和状态收集的及时性，减少了任务系统定位故障时间；信号处理模块的标准化结构，保证了健康管理方法的通用性，简化系统架构；信号处理模块的健康管理内容较全面，为系统监控提供详尽参考。该方法从航电系统工作流程和系统管理的便捷性方面，提升了系统的状态信息，全面反映了模块的健康状态和工作情况，为在线监测和故障隔离及定位提供了有效支撑，已在多个重大工程项目中成功应用。