2018基于CAN总线的故障注入平台设计

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　　摘要：为满足汽车、航空、航天等行业电子产品严格的可靠性设计需要，设计了一种基于CAN总线的故障注入平台。该平台以FPGA为控制核心，通过CAN总线接收上位机软件指令，控制故障注入模块实施各种故障注入动作。利用该平台进行的故障注入测试验证表明，该平台故障模拟功能全面、操作简单、扩展性强，满足不同行业大规模故障注入测试需要。
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　　关键词：故障注入；CAN总线；FPGA
　　中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0183-02
　　在汽车、航空、航天等行业，可靠性设计一直是重点考虑对象，因此在电子产品的设计阶段，需要提前对产品在工作过程中可能遇到的故障进行分析处理。电子产品工作过程中会出现某段时间不可用故障，导致整个系统出现不稳定情况。为了产品可靠稳定的工作，在产品测试时，人为设置故障环节，考核产品在故障状态下的自我诊断、隔离和控制能力，为产品可靠性设计提供依据。目前，在已有的方案中以RS422和RS232等串口通信控制方式居多，通信节点少，不适合大规模故障注入测试。
　　本文以CAN总线和FPGA配合，加上上位机管理软件，设计了一套故障注入平台。本平台具备手动和自动故障注入功能，依据CAN节点的扩展功能，能实现大规模故障注入测试。
　　1 系统设计
　　故障注入按功能分为基于硬件的故障注入和基于软件的故障注入，基于硬件的故障注入在电气环节实施故障注入，包括对电源短路、对地短路、线间短路、断路和带阻性故障；基于软件的故障注入包括数字信号故障注入、总线信号故障注入等。本平台针对基于硬件的故障注入展开设计。
　　硬件故障注入平台由故障注入单元和故障注入管理软件组成。故障注入单元以FPGA为控制核心，通过CAN总线通信模块接收上位机故障注入指令，控制故障注入模块执行各种故障注入模式。故障注入管理软件提供图形交互界面，实现故障模式选择、通道管理、故障状态显示，并具备手动注入和自动注入模式选择，系统组成见图1。
　　2 故障注入单元设计
　　2.1 FPGA控制模块
　　控制模块采用FPGA为主控芯片，加上配置存储器、数据存储器、总线控制电路、IO口扩展电路等外围电路共同构成。控制芯片为整个系统核心芯片，内部运行系统程序；系统程序存储在程序控制器中，防止掉电时程序丢失，上电时调用程序运行；数据存?ζ饔糜诖娲⒅噶钍?据；IO口扩展电路用于增加系统IO口，完成控制芯片与外部信号间的电平匹配。
　　控制模块工作过程中，CAN控制器接收上位机数据，比对其中地址信息后建立通信。控制芯片对接收数据进行解码，产生通路指令和当前通路指令，其中通路指令经接口电路后送故障注入模块执行；当前通路指令存储在数据存储器中，同时送故障状态显示模块显示当前工作状态。控制模块工作原理图见图2。
　　2.2 故障注入模块
　　故障注入模块为故障执行模块，采用继电器矩阵组合来完成故障注入功能，接收到指令后，组合继电器执行通断动作，完成故障注入。故障注入模块对内提供与控制模块的接口，接收控制指令；对外提供与被测电子产品的信号通路接口，实现各种故障模式，故障注入原理图见图3。
　　以信号S1对电源短路故障注入为例来进行说明，当不需要故障注入时，S101接通，信号回路正常；当需要将S1短路到电源V1，将S101断开以断开信号回路，将S001、S109、S103闭合，则实现了S1对电源短路故障。为便于设备自我诊断，在故障注入模块中增加了自检功能，即V1作为供电电源，将S001、S109、S103、S102、S107闭合，经R1和R2分压后送检测口，采集检测口电压确定继电器组工作状态。
　　上图的故障注入可实现断路、对电源短路、对地短路、信号间短路、以及上述情况的带阻短路等故障模式。故障回路中增加了熔断器，保证电流过载时能快速熔断，保护被测电子产品。针对带阻故障测试需要，专门设计了程控电阻，通过软件配置使用。
　　2.3 CAN通信模块
　　故障注入单元间通过CAN总线级联，经过CAN转以太网转换器与上位机进行通信。CAN通信模块采用SJA1000作为CAN控制芯片，82C250作为CAN收发芯片。CAN 控制芯片与CAN收发芯片之间的信号进行了隔离处理。CAN控制器接收到上位机数据后产生中断，FPGA控制模块对中断信号响应来进行数据传输。CAN通信模块原理图见图4。
　　3 故障注入管理软件
　　故障注入管理软件是故障注入平台的硬件监控和管理软件。故障注入软件具备图形交互界面，可选择手动或自动测试模式，根据使用者的操作指令控制故障注入单元进行故障注入。故障注入的工作流程如下：
　　（1）根据实际故障注入的通道和进出信号硬件连接关系，编制信号与通道配置文件；
　　（2）故障注入上位机软件根据信号与通道配置文件，完成故障通道与实际信号的匹配关系；
　　（3）根据软件提供的友好界面，可以人工注入所需要的故障信号和类型；
　　（4）如果需要进行自动故障注入，用户可创建自动测试序列文件，预先定义故障信号和类型、执行顺序等信息；故障注入软件读取该文件后，将自动注入一系列的故障内容。
　　故障注入软件的工作流程见图5。
　　故障注入软件功能丰富，具有硬件自动扫描功能、故障通道自检功能、故障状态浏览功能，能根据使用环境选择手动模式或自动模式。故障注入软件主界面见图6。
　　4 结语
　　本文采用软硬件结合的方式设计了一套功能丰富的故障注入平台，该平台通过CAN总线控制，实现了电气回路断路、短路等故障模式。针对不同的被测产品，通过增加或减少故障注入单元，实现故障注入平台的灵活配置，具有很强的通用性和扩展性。故障注入管理软件功能丰富，界面友好，操作简单，极大的降低了测试的难度。
　　本平台已经参加了对航空航天某些产品的测试，考核效果良好，有效的支持了型号产品的开发。
　　参考文献
　　[1]李志宇，黄考利，连光耀.基于半实物仿真的故障注入系统设计.计算机测量与控制，2013，21（3）：570-572.
　　[2]陈烨海，戎蒙恬.基于单片机89C51的CAN总线系统设计.电子元器件应用，2008，10（9）：42-46.