專(zhuān)利名稱：基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，屬于航天 器冗余系統(tǒng)可靠性測(cè)試和驗(yàn)證領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高可靠性是對(duì)航天器運(yùn)行的基本要求，冗余容錯(cuò)技術(shù)是保證系統(tǒng)高可靠性的有效 設(shè)計(jì)措施。對(duì)于航天器冗余系統(tǒng)，需要有效的測(cè)試手段，通過(guò)向被測(cè)冗余系統(tǒng)注入故障來(lái)測(cè) 試系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，驗(yàn)證系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的基于故障模擬的航天器冗余系統(tǒng)測(cè)試方法主要分為兩種。一種方法通過(guò)在 數(shù)據(jù)傳輸通道中串接故障注入裝置，實(shí)時(shí)獲取冗余系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后基于故障仿真方法向原 數(shù)據(jù)中融入故障信息得到故障數(shù)據(jù)，最后將故障數(shù)據(jù)輸出至容錯(cuò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障注入。 該方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要使用冗余系統(tǒng)中所有真實(shí)物理設(shè)備，雖然在具有較高的真實(shí)性，但 卻大大降低了測(cè)試的靈活性。另一種方法通過(guò)實(shí)時(shí)仿真方式模擬冗余設(shè)備數(shù)據(jù)，然后基于 故障仿真方法生成故障數(shù)據(jù)，最后以與真實(shí)設(shè)備相同的通信接口實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。該方法采 用實(shí)時(shí)仿真方式模擬冗余設(shè)備，可在缺少真實(shí)物理設(shè)備的條件下完成測(cè)試，既保證了測(cè)試 的真實(shí)性，又提高了測(cè)試的靈活性。對(duì)于所述的第二種方法，現(xiàn)有技術(shù)通常采用基于設(shè)備數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算方式實(shí) 時(shí)模擬設(shè)備數(shù)據(jù)。一方面，由于實(shí)時(shí)仿真算法嚴(yán)重依賴設(shè)備數(shù)學(xué)模型，因此采用數(shù)值計(jì)算仿 真方式的故障模擬裝置通常專(zhuān)用于固定結(jié)構(gòu)的冗余系統(tǒng)測(cè)試。若要求對(duì)不同冗余系統(tǒng)進(jìn)行 測(cè)試，則需要修改底層數(shù)值仿真算法來(lái)適應(yīng)被測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備類(lèi)型的變化，通用性較差。 另一方面，航天器實(shí)際發(fā)射任務(wù)中積累了大量地面遙測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)仿真 與故障模擬的數(shù)據(jù)源將提高仿真數(shù)據(jù)流的真實(shí)性，而采用數(shù)值計(jì)算仿真方式的故障模擬裝 置無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的利用。另外，基于冗余設(shè)計(jì)的先進(jìn)航天器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量眾多(如32路以上)， 數(shù)據(jù)交換頻繁(如1ms傳輸周期)。對(duì)于這類(lèi)航天器冗余系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，需要故障模擬裝 置能夠模擬多個(gè)設(shè)備同時(shí)輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程，這就要求故障模擬裝置具備實(shí)時(shí)控制多路數(shù)據(jù) 總線并行輸出故障仿真數(shù)據(jù)的能力?，F(xiàn)有的故障模擬技術(shù)通常采用“工業(yè)控制計(jì)算機(jī)+多 路同步總線接口卡”的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一功能。采用這種硬件結(jié)構(gòu)的故障模擬系統(tǒng)存在如 下傳輸不同步問(wèn)題①各路同步總線接口卡采用各自時(shí)鐘獨(dú)立定時(shí)，多路定時(shí)器存在時(shí)鐘 偏差，該偏差將隨仿真時(shí)間增長(zhǎng)而變得顯著。②工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制各路數(shù)據(jù)總線啟動(dòng)數(shù) 據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)刻不同步，這將導(dǎo)致各路總線定時(shí)起點(diǎn)偏差，該偏差將隨總線路數(shù)增加而變得 顯者ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種適用于航天器冗余系統(tǒng)測(cè)試的基于 多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)。
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本發(fā)明的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，包括上位機(jī)仿真 管理軟件與嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器。上位機(jī)仿真管理軟件運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)，通過(guò)友好的人機(jī)界面引導(dǎo)用戶針對(duì)被測(cè) 容錯(cuò)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真配置與故障設(shè)置，生成多路冗余設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)。嵌入式實(shí)時(shí) 仿真與故障模擬器通過(guò)多路數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)同步輸出故障仿真數(shù)據(jù)，模擬多路冗余設(shè)備發(fā)生 故障并輸出故障數(shù)據(jù)流的過(guò)程。上下位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，完成上位機(jī)配置信息、 故障仿真數(shù)據(jù)、仿真控制指令的下載與下位機(jī)工作狀態(tài)的上傳。已完成文件下載的嵌入式 實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器可工作于兩種模式下，分別為聯(lián)機(jī)模式和獨(dú)立模式。聯(lián)機(jī)模式下嵌 入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，用戶通過(guò)上位機(jī)仿真管理軟件發(fā)送 控制指令遙控仿真進(jìn)程。獨(dú)立模式下嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器脫機(jī)工作，用戶通過(guò)按 鍵手動(dòng)控制其仿真進(jìn)程。嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器采用讀文件方式實(shí)時(shí)模擬設(shè)備故障數(shù)據(jù)。故障仿真 數(shù)據(jù)由上位機(jī)仿真管理軟件分兩步離線生成首先由特定數(shù)據(jù)源按特定插值算法生成仿真 數(shù)據(jù)；然后按照特定故障模擬算法將預(yù)設(shè)故障注入仿真數(shù)據(jù)生成故障仿真數(shù)據(jù)。用于生成 仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源既可以是基于數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果(數(shù)值計(jì)算結(jié)果指的是根據(jù)航 天器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真得到的仿真數(shù)據(jù)，而不是真實(shí)數(shù)據(jù))，也可以是實(shí)際航天任務(wù)中 所記錄的真實(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)。所提供的插值算法包括臨近點(diǎn)插值、線性插值、三次樣條插值以 及三次插值。插值計(jì)算的目的是利用少量數(shù)據(jù)得到足量數(shù)據(jù)，插值計(jì)算針對(duì)的數(shù)據(jù)源既可 以是數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，也可以是真實(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，所提供的故障模型及其模擬算法如下(1)偏差故障在原信號(hào)上加一恒定或隨機(jī)信號(hào)，該信號(hào)幅值不超過(guò)原信號(hào)幅值；(2)沖擊故障在原信號(hào)上加一脈沖信號(hào)；(3)短路故障信號(hào)接近于零，歸一化時(shí)用0. 1表示；(4)開(kāi)路故障信號(hào)接近最大值，歸一化時(shí)用0. 9表示；(5)漂移故障信號(hào)以某一速率偏離原信號(hào)；(6)周期性干擾故障在原信號(hào)上疊加某一頻率的信號(hào)；上位機(jī)仿真管理軟件包括系統(tǒng)配置模塊、文件生成模塊、通信模塊以及工程管理 模塊。系統(tǒng)配置模塊提供清晰完整的人機(jī)界面，引導(dǎo)用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真參數(shù)以及故障信 息進(jìn)行配置。系統(tǒng)配置模塊包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模塊、仿真參數(shù)配置子模塊以及故障信息 配置子模塊；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模塊提供若干設(shè)備類(lèi)型供用戶選擇，用戶從中選擇多個(gè)設(shè)備 進(jìn)行模擬，每個(gè)設(shè)備類(lèi)型對(duì)應(yīng)一個(gè)由主、備機(jī)構(gòu)成的冗余設(shè)備組，針對(duì)選定的設(shè)備類(lèi)型，用 戶配置其冗余方式以及該冗余方式下主、備機(jī)所對(duì)應(yīng)的總線端口，冗余方式包括單機(jī)、雙機(jī) 以及三機(jī)冗余；仿真參數(shù)配置子模塊引導(dǎo)用戶加載用于生成故障仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，提供 插值算法供用戶選擇，并允許用戶配置各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸周期以及總線接口傳輸參數(shù)， 從而適應(yīng)不同數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的冗余系統(tǒng)的測(cè)試要求；故障信息配置子模塊提供多種故障類(lèi) 型供用戶選擇，并允許配置每個(gè)故障的發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)段、故障類(lèi)型以及與選定故障類(lèi)型 對(duì)應(yīng)的故障模型參數(shù)。文件生成模塊利用系統(tǒng)配置模塊得到的用戶配置信息生成配置文件 和多個(gè)設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)文件，其中配置文件用于下位機(jī)各路數(shù)據(jù)總線接口的配置，故 障仿真數(shù)據(jù)文件用于下位機(jī)對(duì)多個(gè)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的模擬。文件生成模塊還提供配置信息導(dǎo) 出功能，將用戶配置信息以Word文檔形式導(dǎo)出，供用戶打印查看。通信模塊用于實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信，主要負(fù)責(zé)將文件生成模塊生成的配置文件和故障仿真數(shù)據(jù)文件下 載至下位機(jī)，在下位機(jī)工作于聯(lián)機(jī)模式時(shí)還負(fù)責(zé)發(fā)送仿真控制指令。工程管理模塊對(duì)系統(tǒng) 配置過(guò)程進(jìn)行工程化管理，與系統(tǒng)配置模塊交互實(shí)現(xiàn)用戶配置信息的保存和導(dǎo)入操作，方 便用戶重復(fù)配置。嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器下位機(jī)主要包括一級(jí)CPU、人機(jī)接口模塊、以太網(wǎng) 控制器以及多路數(shù)據(jù)總線通信模塊。一級(jí)CPU與所有其它模塊連接，控制或協(xié)同其它模塊 運(yùn)行。人機(jī)接口模塊包括行列式按鍵與LCD顯示屏，分別用于仿真進(jìn)程手動(dòng)控制與系統(tǒng)工 作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。以太網(wǎng)控制器由一級(jí)CPU控制完成與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信任務(wù)。多路數(shù) 據(jù)總線通信模塊包含多路FIFO存儲(chǔ)器、多路二級(jí)CPU、多路總線驅(qū)動(dòng)芯片以及中斷管理單 元，一路FIFO存儲(chǔ)器、一路二級(jí)CPU和一路總線驅(qū)動(dòng)芯片組成的一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸信道，每一路 負(fù)責(zé)模擬一個(gè)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)流，多路數(shù)據(jù)傳輸信道由一級(jí)CPU定時(shí)器統(tǒng)一控制，按各自 周期將不同設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)通過(guò)多路總線驅(qū)動(dòng)芯片所提供的總線通信接口同步輸出 至被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)；中斷管理單元用于管理多路FIFO存儲(chǔ)器“半空”中斷，避免多個(gè)中斷 沖突導(dǎo)致中斷丟失現(xiàn)象，并按先入先出順序?qū)χ袛噙M(jìn)行優(yōu)先級(jí)管理，協(xié)調(diào)一級(jí)CPU對(duì)多個(gè) 中斷的響應(yīng)過(guò)程；一級(jí)CPU連接人機(jī)接口模塊的行列式按鍵與LCD控制器，接收用戶輸入的 按鍵控制指令，通過(guò)IXD顯示屏輸出仿真狀態(tài)信息；一級(jí)CPU連接以太網(wǎng)控制器，接收上位 機(jī)發(fā)送的文件和仿真控制指令并回傳下位機(jī)狀態(tài)；一級(jí)CPU連接多路數(shù)據(jù)總線通信模塊的 多路FIFO存儲(chǔ)器和中斷管理單元，響應(yīng)中斷管理單元的“半空”中斷，將相應(yīng)故障仿真數(shù)據(jù) 文件中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO存儲(chǔ)器；一級(jí)CPU還連接多路數(shù)據(jù)總線通信模塊中多路二級(jí)CPU的 外部中斷管腳，周期性的產(chǎn)生定時(shí)器中斷信號(hào)觸發(fā)多路二級(jí)CPU同步讀取并輸出故障仿真 數(shù)據(jù)。多路數(shù)據(jù)總線通信模塊中多路FIFO存儲(chǔ)器、多路二級(jí)CPU、多路總線驅(qū)動(dòng)芯片的 各一路組成一路通信子模塊，二級(jí)CPU收到一級(jí)CPU的定時(shí)器中斷信號(hào)后進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)，按 其所模擬設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸周期定時(shí)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并控制與其相連的總線驅(qū)動(dòng)芯片 通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)芯片所支持的總線通信接口將故障仿真數(shù)據(jù)輸出至外部的被測(cè)容錯(cuò)控制系 統(tǒng)。二級(jí)CPU通過(guò)對(duì)FIFO存儲(chǔ)器進(jìn)行“乒乓”讀取實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)CPU數(shù)據(jù)的連續(xù)訪問(wèn)，“乒乓” 讀取過(guò)程如下二級(jí)CPU周期性連續(xù)讀取FIFO存儲(chǔ)器；當(dāng)二級(jí)CPU讀完FIFO存儲(chǔ)器一半存 儲(chǔ)區(qū)時(shí)，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器將產(chǎn)生“半空”中斷；一級(jí)CPU向應(yīng)中斷，向FIFO存儲(chǔ)器補(bǔ)充新的故障 仿真數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)實(shí)時(shí)仿真采用實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)文件的方式。與傳統(tǒng)的基于設(shè)備數(shù)學(xué)模型的仿真 方式相比，本發(fā)明所采用的仿真方式既克服了嵌入式測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)冗余系統(tǒng)對(duì)設(shè)備數(shù)學(xué) 模型的依賴，提高了測(cè)試系統(tǒng)的通用性，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)的充分利用，提高了實(shí)時(shí) 仿真與故障模擬的真實(shí)性；(2) 一級(jí)CPU為各路二級(jí)CPU提供統(tǒng)一定時(shí)時(shí)鐘，二級(jí)CPU同步控制各路數(shù)據(jù)總線 按設(shè)定周期并行輸出數(shù)據(jù)。與使用多路總線同步接口卡的方式相比，本發(fā)明克服了多路總 線的時(shí)鐘偏差問(wèn)題，提高了同步精度；(3)仿真管理功能與實(shí)時(shí)仿真和故障模擬功能分開(kāi)。上位機(jī)軟件提供友好人機(jī)界 面，實(shí)現(xiàn)配置的靈活性與易操作性；下位機(jī)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證了仿真與故障模擬過(guò)程的實(shí)時(shí)性；(4)采用基于多路數(shù)據(jù)總線的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，與基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與多路同 步總線接口卡的系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)成本更低，設(shè)備體積重量更小，便攜性更好。


圖1是本發(fā)明基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明多路RS-485數(shù)據(jù)通信總線模塊組成示意圖；圖3是本發(fā)明FIFO存儲(chǔ)器中斷管理單元工作流程圖；圖4是本發(fā)明FIFO存儲(chǔ)器的“乒乓”讀寫(xiě)流程圖；圖5是本發(fā)明二級(jí)CPU定時(shí)中斷服務(wù)子程序流程圖；圖6是本發(fā)明嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；圖中1000-上位機(jī)仿真管理軟件 1100-工程管理模塊 1200-系統(tǒng)配置模塊1300-文件生成模塊1400-通信模塊1210-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模 塊1220-仿真參數(shù)配置子模塊 1230-故障信息配置子模塊2000-嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器2100-—級(jí)CPU2200-人機(jī)接口模塊2300-以太網(wǎng)控制器 2400-多路數(shù)據(jù)總線通信 2430-多路二級(jí)CPU 2440-多路總線驅(qū)動(dòng)芯片 2410-中斷管理單元
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，如圖1所 示，包括上位機(jī)仿真管理軟件1000和嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器2000。所述數(shù)據(jù)總線可以是多種類(lèi)型的串行數(shù)據(jù)總線，如航天電氣系統(tǒng)較為常用RS-485 總線、CAN總線、1553B總線等，下面以基于32路RS-485總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬 系統(tǒng)為例本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說(shuō)明，所述實(shí)施方式同樣適用于不同總線種類(lèi)、不同 接口數(shù)量的同類(lèi)系統(tǒng)。上位機(jī)仿真管理軟件1000運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)，是基于可視化操作系統(tǒng)的圖形用 戶界面軟件，上位機(jī)仿真管理軟件1000包括工程管理模塊1100、系統(tǒng)配置模塊1200、文件 生成模塊1300和通信模塊1400。工程管理模塊1100采用軟件工程管理的概念，以工程為單 位對(duì)每個(gè)冗余測(cè)試?yán)踢M(jìn)行管理，將所有與工程相關(guān)的文件在工程文件夾內(nèi)部加以組織， 支持工程的新建、導(dǎo)入、保存等操作，方便用戶對(duì)不同仿真測(cè)試過(guò)程的管理和重復(fù)使用。系 統(tǒng)配置模塊1200提供清晰完整的人機(jī)界面，引導(dǎo)用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真參數(shù)以及故障信息
模塊 2210-行列式按鍵 2220-LCD顯示屏
2420-多路FIFO存儲(chǔ)器2421-FIF0 存儲(chǔ)器 2431- 二級(jí) CPU2411-中斷管理 CPU 2412-5-32 譯碼器3000-以太網(wǎng)4000-被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)
2441-總線驅(qū)動(dòng)芯片 2451-RS-485通信子模塊進(jìn)行配置。系統(tǒng)配置模塊1200包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模塊1210、仿真參數(shù)配置子模塊1220 和故障信息配置子模塊1230，其中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模塊1210提供若干設(shè)備類(lèi)型供用戶選 擇，用戶可從中選擇多個(gè)設(shè)備進(jìn)行模擬。針對(duì)選定的設(shè)備類(lèi)型，用戶可靈活配置其冗余方式 (包括單機(jī)、雙機(jī)以及三機(jī)冗余)以及該冗余方式下主、備機(jī)所對(duì)應(yīng)的總線端口，從而適應(yīng) 不同設(shè)備構(gòu)成、不同冗余方式的冗余系統(tǒng)的測(cè)試要求。仿真參數(shù)配置子模塊1220引導(dǎo)用戶 加載用于生成故障仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，提供多種插值算法供用戶選擇，并允許用戶在一定 范圍內(nèi)任意配置各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸周期以及總線接口傳輸參數(shù)(如RS_485總線的波特 率)，從而適應(yīng)不同數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的冗余系統(tǒng)的測(cè)試要求。故障信息配置子模塊1230提供 多種故障類(lèi)型供用戶選擇，并允許靈活配置每個(gè)故障的發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)段、故障類(lèi)型以及 與選定故障類(lèi)型對(duì)應(yīng)的故障模型參數(shù)，從而保證故障模擬的真實(shí)性和全面性。文件生成模 塊1300將用戶在系統(tǒng)配置模塊1200中輸入的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)統(tǒng)一封裝為配 置文件，按照指定的數(shù)據(jù)源、插值算法、傳輸周期和故障配置信息生成故障仿真數(shù)據(jù)文件， 還可以將系統(tǒng)配置信息生成Word文檔供打印輸出。通信模塊1400通過(guò)以太網(wǎng)3000將配 置文件和多個(gè)設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)文件下載至下位機(jī)，同時(shí)負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送仿真控制指 令。嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器2000硬件包括一級(jí)CPU 2100、人機(jī)接口模塊2200、 以太網(wǎng)控制器2300以及多路數(shù)據(jù)總線通信模塊2400。一級(jí)CPU 2100與嵌入式實(shí)時(shí)仿真與 故障模擬器2000中所有其它模塊連接，控制或協(xié)同其它模塊運(yùn)行。人機(jī)接口模塊2200包 括行列式按鍵2210與LCD顯示屏2220，分別用于仿真進(jìn)程手動(dòng)控制與系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯 示。以太網(wǎng)控制器2300由一級(jí)CPU 2100控制完成與上位機(jī)的以太網(wǎng)3000通信任務(wù)。多 路數(shù)據(jù)總線通信模塊2400包含多路FIFO存儲(chǔ)器2420、多路二級(jí)CPU 2430、多路總線驅(qū)動(dòng) 芯片2440和中斷管理單元2410，多路FIFO存儲(chǔ)器2420、多路二級(jí)CPU 2430以及多路總線 驅(qū)動(dòng)芯片2440組成的多路數(shù)據(jù)傳輸信道，中斷管理單元2410用于管理多路FIFO存儲(chǔ)器的 “半空”中斷，多路數(shù)據(jù)傳輸信道由一級(jí)CPU定時(shí)器統(tǒng)一控制，按各自周期將不同設(shè)備的故 障仿真數(shù)據(jù)同步輸出至被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)4000，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路冗余設(shè)備故障數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)模 擬。如圖1所示，一級(jí)CPU 2100連接人機(jī)接口模塊2200的行列式按鍵2210與IXD顯 示屏2220，接收用戶輸入的按鍵控制指令，通過(guò)LCD顯示屏輸出仿真狀態(tài)信息；連接以太網(wǎng) 控制器2300，接收上位機(jī)發(fā)送的文件和仿真控制指令并回傳下位機(jī)狀態(tài)；連接多路數(shù)據(jù)總 線通信模塊2400的FIFO存儲(chǔ)器中斷管理單元2410和FIFO存儲(chǔ)器2420，響應(yīng)中斷管理單 元的“半空”中斷，將相應(yīng)故障仿真數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO存儲(chǔ)器；還連接多路數(shù)據(jù)總 線通信模塊中所有二級(jí)CPU 2430的外部中斷管腳，周期性的產(chǎn)生定時(shí)器中斷信號(hào)觸發(fā)各 路數(shù)據(jù)總線同步輸出故障仿真數(shù)據(jù)。一級(jí)CPU 2100采用三星公司的ARM9系列微處理器ARM920T。ARM920T具有較大的 存儲(chǔ)空間，能夠一次性存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送的配置文件與多個(gè)故障仿真數(shù)據(jù)文件；具備一定數(shù) 量的1/0端口，能夠滿足32路FIFO存儲(chǔ)器2420的尋址要求；內(nèi)部集成LCD控制器，能夠直 接控制IXD顯示屏2220輸出工作狀態(tài)信息。ARM920T上運(yùn)行實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks， 具備強(qiáng)實(shí)時(shí)性和多任務(wù)處理能力，能夠在向FIFO存儲(chǔ)器輸出數(shù)據(jù)的同時(shí)與上位機(jī)或用戶 進(jìn)行交互。
圖1中I表示仿真控制指令；II表示下位機(jī)工作狀態(tài)信息；III表示上下位機(jī)交互 信息；IV表示多路FIFO存儲(chǔ)器“半空”信號(hào)；V表示多路FIFO存儲(chǔ)器寫(xiě)操作使能信號(hào)；VI表 示“半空”中斷信號(hào)；ΥΠ表示半空FIFO存儲(chǔ)器所對(duì)應(yīng)的故障仿真數(shù)據(jù)；VDI表示多路故障仿真 數(shù)據(jù)(并行)；IX表示多路故障仿真數(shù)據(jù)(串行)；X表示“配置”中斷信號(hào)；XI表示定時(shí)器信號(hào)。如圖2所示，多路數(shù)據(jù)總線通信模塊2400包括一個(gè)FIFO存儲(chǔ)器中斷管理單元 2410和32路結(jié)構(gòu)完全相同的RS-485通信子模塊2451。FIFO存儲(chǔ)器中斷管理單元2410對(duì) 多個(gè)FIFO存儲(chǔ)器2420的“半空”中斷進(jìn)行捕獲，避免多個(gè)中斷沖突導(dǎo)致的中斷丟失現(xiàn)象， 并對(duì)各個(gè)中斷進(jìn)行優(yōu)先級(jí)管理，優(yōu)先響應(yīng)先發(fā)生的中斷。每一路RS-485通信子模塊2451 連續(xù)讀取該路RS-485通信子模塊2451所模擬設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS-485總線接 口將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出至被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)4000。如圖2所示，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器中斷管理單元2410由一個(gè)中斷管理CPU 2411和一個(gè) 5-32譯碼器2412組成。中斷管理CPU 2411采用Atmel公司的ATmegal28單片機(jī)，ATmegal28 具備53路1/0端口，其中的32路(PA0-7、PB0-7、PC0-7、PD0-7)作為輸入端口分別連接32 路FIFO存儲(chǔ)器的“半空”信號(hào)輸出端，其中5路(PE0-4)作為輸出端口將中斷源FIFO存儲(chǔ) 器地址輸出至一級(jí)CPU和5-32譯碼器，其中1路(PE5)用作輸出端口輸出“半空”信號(hào)至 一級(jí)CPU外部中斷輸入端口，其中1路(PFO)用作輸入端口連接一級(jí)CPU的“寫(xiě)完”信號(hào)輸 出端。5-32譯碼器2412可通過(guò)級(jí)聯(lián)兩片4-16譯碼器(如74HC154)實(shí)現(xiàn)，其32個(gè)輸出端 分別與32個(gè)FIFO存儲(chǔ)器的“寫(xiě)入”使能管腳相連，通過(guò)片選方式實(shí)現(xiàn)32個(gè)FIFO存儲(chǔ)器對(duì) 一級(jí)CPU輸出數(shù)據(jù)總線的共享。圖3所示為FIFO存儲(chǔ)器中斷管理單元工作流程。FIFO存儲(chǔ)器中斷管理CPU首先 循環(huán)掃描與32路FIFO存儲(chǔ)器“半空”信號(hào)相連的32個(gè)1/0端口，直到檢測(cè)到“半空”信號(hào)； 然后循環(huán)掃描與一級(jí)CPU “寫(xiě)完”信號(hào)相連的1/0端口，直到檢測(cè)到“寫(xiě)完”信號(hào)，以保證各 個(gè)FIFO存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸入端所共享的一級(jí)CPU數(shù)據(jù)總線處于空閑狀態(tài)；中斷管理CPU維護(hù)一 個(gè)先入先出的半空FIFO存儲(chǔ)器地址隊(duì)列，從中取出最先產(chǎn)生“半空”信號(hào)的FIFO存儲(chǔ)器地 址，并將該地址輸出至一級(jí)CPU與5-32譯碼器，譯碼器輸出端使能相應(yīng)FIFO存儲(chǔ)器的寫(xiě)操 作；最后中斷管理CPU向一級(jí)CPU輸出“半空”中斷信號(hào)。中斷管理單元重復(fù)上述步驟，處 理其它FIFO的“半空”中斷。一級(jí)CPU響應(yīng)中斷，獲取半空FIFO存儲(chǔ)器地址，然后將對(duì)應(yīng) 設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO存儲(chǔ)器；寫(xiě)完固定周期的數(shù)據(jù)后一級(jí)CPU輸出“寫(xiě)完”信號(hào) 至中斷管理CPU。如圖2所示，各路RS-485通信子模塊結(jié)構(gòu)相同，每路RS-485通信子模塊2451包 括FIFO存儲(chǔ)器2421、二級(jí)CPU 2431以及RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片2441。FIFO存儲(chǔ)器2421 采用Cypress公司的CY7C4271，所有CY7C4271的數(shù)據(jù)輸入端口連接一級(jí)CPU的同一路數(shù)據(jù) 輸出端口，各個(gè)CY7C4271的數(shù)據(jù)輸出端口分別連接各個(gè)二級(jí)CPU的數(shù)據(jù)輸入端口，“半空” 信號(hào)輸出端連接中斷管理CPU 2411的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端，“寫(xiě)入”使能管腳連接中斷管理單 元中5-32譯碼器2412的輸出管腳。二級(jí)CPU 2431采用Atmel公司的ATmega8單片機(jī)，每 個(gè)ATmegaS均有兩個(gè)外部中斷輸入分別連接至一級(jí)CPU的“配置”信號(hào)與定時(shí)器信號(hào)輸出 端，由一級(jí)CPU觸發(fā)其配置操作與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出操作。ATmegaS的數(shù)據(jù)輸入端口連接相應(yīng)的 FIFO存儲(chǔ)器2421的數(shù)據(jù)輸出端口，用于讀取FIFO存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)；UART異步串口與RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片2441相連，用于串行輸出讀取的故障仿真數(shù)據(jù)?？偩€驅(qū)動(dòng)芯片2441采用Maxim 公司的MAX-485，用于將ATmega8單片機(jī)UART異步串口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平。如圖4所示，RS-485通信子模塊通過(guò)對(duì)FIFO存儲(chǔ)器的“乒乓”讀寫(xiě)方式保證輸出 數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，各個(gè)FIFO存儲(chǔ)器的“乒乓”讀寫(xiě)過(guò)程如下仿真開(kāi)始前，一級(jí)CPU預(yù)先向 FIFO存儲(chǔ)器寫(xiě)入2N周期故障仿真數(shù)據(jù)，幾乎將FIFO存儲(chǔ)器寫(xiě)滿。圖中N為固定整數(shù)。N 個(gè)周期的數(shù)據(jù)量接近FIFO存儲(chǔ)器容量的一半。仿真開(kāi)始后，二級(jí)CPU周期性讀取FIFO存 儲(chǔ)器中的故障仿真數(shù)據(jù)；當(dāng)讀完FIFO存儲(chǔ)器中的一半數(shù)據(jù)后，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器輸出“半空”中 斷信號(hào)；FIFO存儲(chǔ)器中斷管理單元捕獲該中斷，進(jìn)行中斷處理并最終將中斷信號(hào)輸出至一 級(jí)CPU ；—級(jí)CPU響應(yīng)中斷，向FIFO存儲(chǔ)器的空半?yún)^(qū)補(bǔ)充N(xiāo)周期故障仿真數(shù)據(jù)，幾乎將空半 區(qū)寫(xiě)滿。上述“乒乓”讀寫(xiě)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是將整個(gè)FIFO存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分為讀、寫(xiě)兩個(gè)半?yún)^(qū)，然 后通過(guò)對(duì)兩個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行同步讀寫(xiě)操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)二級(jí)CPU對(duì)一級(jí)CPU數(shù)據(jù)的連續(xù)訪問(wèn)。各路RS-485通信子模塊由一級(jí)CPU提供統(tǒng)一定時(shí)器，各個(gè)二級(jí)CPU以軟件方式對(duì) 定時(shí)器信號(hào)進(jìn)行分頻獲得所需要的定時(shí)周期，然后按照各自周期讀取和輸出相應(yīng)的故障仿 真數(shù)據(jù)，真實(shí)模擬多路冗余設(shè)備以不同傳輸周期通過(guò)RS-485總線并行輸出故障數(shù)據(jù)的過(guò) 程。二級(jí)CPU定時(shí)中斷服務(wù)子程序流程圖如圖5所示，二級(jí)CPU響應(yīng)中斷后首先進(jìn)行中斷 計(jì)數(shù)，然后對(duì)中斷計(jì)數(shù)加以判斷若中斷計(jì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間達(dá)到該路RS-485通信子模塊所 模擬設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸周期，則復(fù)位中斷計(jì)數(shù)、輸出本周期故障仿真數(shù)據(jù)并預(yù)先讀取下一周 期故障仿真數(shù)據(jù)；否則不執(zhí)行上述操作。如圖6所示，嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器包含五種工作狀態(tài)“復(fù)位”、“準(zhǔn)備就 緒”、“運(yùn)行”、“暫?！币约啊敖Y(jié)束”。各狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移過(guò)程描述如下(1)“復(fù)位”:該狀態(tài)下一級(jí)CPU未解析文件和分配數(shù)據(jù)，一級(jí)CPU定時(shí)器、各路FIFO 存儲(chǔ)器以及二級(jí)CPU均處于復(fù)位狀態(tài)。該狀態(tài)為系統(tǒng)初始狀態(tài)，也可通過(guò)執(zhí)行“仿真復(fù)位” 控制指令轉(zhuǎn)入該狀態(tài)。(2) “準(zhǔn)備就緒”該狀態(tài)下一級(jí)CPU已完成配置文件解析與首次數(shù)據(jù)分配，已完成 定時(shí)器初始化，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器已寫(xiě)入首批數(shù)據(jù)，各路二級(jí)CPU已讀取配置信息并完成串口初 始化。系統(tǒng)執(zhí)行“仿真配置”控制指令后轉(zhuǎn)入該狀態(tài)。(3) “運(yùn)行”該狀態(tài)下一級(jí)CPU定時(shí)器運(yùn)行，一級(jí)CPU及時(shí)補(bǔ)充各路FIFO存儲(chǔ)器 中的數(shù)據(jù)，各路二級(jí)CPU實(shí)時(shí)讀取和輸出故障仿真數(shù)據(jù)。系統(tǒng)執(zhí)行“仿真開(kāi)始”控制指令后 轉(zhuǎn)入該狀態(tài)。(4) “暫停”:該狀態(tài)下一級(jí)CPU定時(shí)器暫停運(yùn)行，各路FIFO存儲(chǔ)器無(wú)存取操作，各 路二級(jí)CPU處于空閑狀態(tài)。系統(tǒng)執(zhí)行“仿真暫?！笨刂浦噶詈筠D(zhuǎn)入該狀態(tài)。(5) “結(jié)束”:該狀態(tài)下一級(jí)CPU定時(shí)器停止運(yùn)行，各路FIFO存儲(chǔ)器無(wú)存取操作，各 路二級(jí)CPU處于空閑狀態(tài)。該狀態(tài)為系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)，仿真結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入該狀態(tài)。
各個(gè)仿真控制指令執(zhí)行情況如下(1) “仿真配置”若當(dāng)前處于“復(fù)位”狀態(tài)，一級(jí)CPU初始化定時(shí)器，解析配置文件， 為二級(jí)CPU分配仿真參數(shù)和首批故障仿真數(shù)據(jù)，并輸出中斷信號(hào)觸發(fā)二級(jí)CPU執(zhí)行初始化 操作。二級(jí)MCU初始化完成之后，仿真進(jìn)入“準(zhǔn)備就緒”狀態(tài)。(2) “仿真開(kāi)始”若當(dāng)前處于“準(zhǔn)備就緒”或“暫?！睜顟B(tài)，一級(jí)CPU啟動(dòng)定時(shí)器，
11周期性輸出定時(shí)信號(hào)，觸發(fā)二級(jí)CPU通過(guò)RS-485串口實(shí)時(shí)輸出故障仿真數(shù)據(jù)，仿真即進(jìn)入 “運(yùn)行”狀態(tài)。(3) “仿真暫?！比舢?dāng)前處于“運(yùn)行”狀態(tài)，一級(jí)CPU將暫停定時(shí)器計(jì)數(shù)，仿真即進(jìn) 入“暫?！睜顟B(tài)。(4) “仿真復(fù)位”若當(dāng)前未處于“復(fù)位”狀態(tài)，一級(jí)CPU將復(fù)位定時(shí)器以及各路FIFO 存儲(chǔ)器，仿真即進(jìn)入“復(fù)位”狀態(tài)。
權(quán)利要求
基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特征在于包括上位機(jī)仿真管理軟件和嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器；上位機(jī)仿真管理軟件運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)，通用計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，通過(guò)人機(jī)界面引導(dǎo)用戶針對(duì)被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真配置與故障設(shè)置，生成多路冗余設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)；嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器為下位機(jī)，通過(guò)多路數(shù)據(jù)總線通信模塊實(shí)時(shí)同步輸出故障仿真數(shù)據(jù)，模擬多路冗余設(shè)備發(fā)生故障并輸出故障數(shù)據(jù)流的過(guò)程；上下位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，完成上位機(jī)配置信息、故障仿真數(shù)據(jù)、仿真控制指令的下載與下位機(jī)工作狀態(tài)的上傳；所述的上位機(jī)仿真管理軟件包括系統(tǒng)配置模塊、文件生成模塊、通信模塊以及工程管理模塊；系統(tǒng)配置模塊提供人機(jī)界面，引導(dǎo)用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真參數(shù)以及故障信息進(jìn)行配置；文件生成模塊利用系統(tǒng)配置模塊得到的用戶配置信息生成配置文件和多個(gè)設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)文件；通信模塊負(fù)責(zé)將文件生成模塊生成的配置文件和故障仿真數(shù)據(jù)文件下載至下位機(jī)，在下位機(jī)工作于聯(lián)機(jī)模式時(shí)，負(fù)責(zé)發(fā)送仿真控制指令；工程管理模塊對(duì)系統(tǒng)配置過(guò)程進(jìn)行工程化管理，與系統(tǒng)配置模塊交互實(shí)現(xiàn)用戶配置信息的保存和導(dǎo)入操作，方便用戶重復(fù)配置；所述的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器包括一級(jí)CPU、人機(jī)接口模塊、以太網(wǎng)控制器以及多路數(shù)據(jù)總線通信模塊；一級(jí)CPU與人機(jī)接口模塊、以太網(wǎng)控制器以及多路數(shù)據(jù)總線通信模塊連接，控制或協(xié)同這些模塊運(yùn)行；人機(jī)接口模塊包括行列式按鍵與LCD顯示屏，分別用于仿真進(jìn)程手動(dòng)控制與系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示；以太網(wǎng)控制器由一級(jí)CPU控制完成與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信任務(wù)；多路數(shù)據(jù)總線通信模塊包含多路FIFO存儲(chǔ)器、多路二級(jí)CPU、多路總線驅(qū)動(dòng)芯片以及中斷管理單元；多路FIFO存儲(chǔ)器、多路二級(jí)CPU、多路總線驅(qū)動(dòng)芯片組成多路數(shù)據(jù)傳輸信道，其中的一路FIFO存儲(chǔ)器、一路二級(jí)CPU、一路總線驅(qū)動(dòng)芯片組成一路數(shù)據(jù)傳輸信道，每一路負(fù)責(zé)模擬一個(gè)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)流，多路數(shù)據(jù)傳輸信道由一級(jí)CPU定時(shí)器統(tǒng)一控制，按各自周期將不同設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)通過(guò)多路總線驅(qū)動(dòng)芯片所提供的總線通信接口同步輸出至被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)；中斷管理單元用于管理多路FIFO存儲(chǔ)器“半空”中斷，避免多個(gè)中斷沖突導(dǎo)致中斷丟失現(xiàn)象，并按先入先出順序?qū)χ袛噙M(jìn)行優(yōu)先級(jí)管理，協(xié)調(diào)一級(jí)CPU對(duì)多個(gè)中斷的響應(yīng)過(guò)程；一級(jí)CPU連接人機(jī)接口模塊的行列式按鍵與LCD控制器，接收用戶輸入的按鍵控制指令，通過(guò)LCD顯示屏輸出仿真狀態(tài)信息；一級(jí)CPU連接以太網(wǎng)控制器，接收上位機(jī)發(fā)送的文件和仿真控制指令并回傳下位機(jī)狀態(tài)；一級(jí)CPU連接多路數(shù)據(jù)總線通信模塊的中斷管理單元和多路FIFO存儲(chǔ)器，響應(yīng)中斷管理單元的“半空”中斷，將相應(yīng)故障仿真數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入多路FIFO存儲(chǔ)器；一級(jí)CPU還連接多路數(shù)據(jù)總線通信模塊中多路二級(jí)CPU的外部中斷管腳，周期性的產(chǎn)生定時(shí)器中斷信號(hào)觸發(fā)多路二級(jí)CPU同步讀取并輸出故障仿真數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的系統(tǒng)配置模塊包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模塊、仿真參數(shù)配置子模塊以及故障信 息配置子模塊；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置子模塊提供若干設(shè)備類(lèi)型供用戶選擇，用戶從中選擇多個(gè)設(shè) 備進(jìn)行模擬，每個(gè)設(shè)備類(lèi)型對(duì)應(yīng)一個(gè)由主、備機(jī)構(gòu)成的冗余設(shè)備組，針對(duì)選定的設(shè)備類(lèi)型， 用戶配置其冗余方式以及該冗余方式下主、備機(jī)所對(duì)應(yīng)的總線端口，冗余方式包括單機(jī)、雙 機(jī)以及三機(jī)冗余；仿真參數(shù)配置子模塊引導(dǎo)用戶加載用于生成故障仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，提 供插值算法供用戶選擇，并允許用戶配置各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸周期以及總線接口傳輸參數(shù)，從而適應(yīng)不同數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的冗余系統(tǒng)的測(cè)試要求；故障信息配置子模塊提供多種故 障類(lèi)型供用戶選擇，并允許配置每個(gè)故障的發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)段、故障類(lèi)型以及與選定故障 類(lèi)型對(duì)應(yīng)的故障模型參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的生成故障仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源為基于數(shù)學(xué)模型的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果或者實(shí)際 航天任務(wù)中所記錄的真實(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的仿真參數(shù)配置子模塊中的插值算法包括臨近點(diǎn)插值、線性插值、三次樣條 插值以及三次插值，用于生成所述故障仿真數(shù)據(jù)的故障類(lèi)型及相應(yīng)的故障模擬算法如下偏差故障在原信號(hào)上加一恒定或隨機(jī)信號(hào)，該信號(hào)幅值不超過(guò)原信號(hào)幅值；沖擊故障在原信號(hào)上加一脈沖信號(hào)；短路故障信號(hào)接近于零，歸一化時(shí)用0. 1表示；開(kāi)路故障信號(hào)接近最大值，歸一化時(shí)用0. 9表示；漂移故障信號(hào)以某一速率偏離原信號(hào)；周期性干擾故障在原信號(hào)上疊加某一頻率的信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的中斷管理單元包括中斷管理CPU和譯碼器，中斷管理CPU通過(guò)多路I/O端口 同時(shí)捕捉多路FIFO存儲(chǔ)器產(chǎn)生的“半空”中斷，維護(hù)一個(gè)先入先出的中斷源FIFO存儲(chǔ)器地 址隊(duì)列，按中斷發(fā)生先后順序依次處理每個(gè)中斷；中斷管理CPU對(duì)每個(gè)中斷進(jìn)行處理，將中 斷源FIFO存儲(chǔ)器地址輸出至一級(jí)CPU與譯碼器，譯碼器輸出信號(hào)使能中斷源FIFO存儲(chǔ)器 的寫(xiě)操作并禁止其它FIFO存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作，然后將“半空”中斷信號(hào)輸出至一級(jí)CPU ；—級(jí) CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行完數(shù)據(jù)輸出操作后向中斷管理CPU回傳“寫(xiě)完”信號(hào)，中斷管理CPU檢測(cè) 到“寫(xiě)完”信號(hào)后繼續(xù)處理其它FIFO存儲(chǔ)器的“半空”中斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的多路數(shù)據(jù)總線通信模塊中多路FIFO存儲(chǔ)器、多路二級(jí)CPU、多路總線驅(qū)動(dòng)芯 片的各一路組成一路通信子模塊，二級(jí)CPU收到一級(jí)CPU的定時(shí)器中斷信號(hào)后進(jìn)行中斷計(jì) 數(shù)，按其所模擬設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸周期定時(shí)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并控制與其相連的總線驅(qū)動(dòng) 芯片通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)芯片所支持的總線通信接口將故障仿真數(shù)據(jù)輸出至外部的被測(cè)容錯(cuò)控 制系統(tǒng)；二級(jí)CPU通過(guò)對(duì)FIFO存儲(chǔ)器進(jìn)行“乒乓”讀取實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)CPU數(shù)據(jù)的連續(xù)訪問(wèn)，“乒 乓”讀取為二級(jí)CPU周期性連續(xù)讀取FIFO存儲(chǔ)器；當(dāng)二級(jí)CPU讀完FIFO存儲(chǔ)器一半存儲(chǔ) 區(qū)時(shí)，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器將產(chǎn)生“半空”中斷；一級(jí)CPU響應(yīng)中斷，向FIFO存儲(chǔ)器補(bǔ)充新的故障仿 真數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器由上位機(jī)配置完成后工作于兩種模式下，分 別為聯(lián)機(jī)模式和獨(dú)立模式；聯(lián)機(jī)模式下嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī) 連接，用戶通過(guò)上位機(jī)仿真管理軟件發(fā)送控制指令遙控仿真進(jìn)程；獨(dú)立模式下嵌入式實(shí)時(shí) 仿真與故障模擬器脫機(jī)工作，用戶通過(guò)按鍵手動(dòng)控制其仿真進(jìn)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述數(shù)據(jù)總線為RS-485總線、CAN總線或者1553B總線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其特 征在于所述的文件生成模塊由數(shù)據(jù)源利用插值算法生成無(wú)故障仿真數(shù)據(jù)，然后利用故障 模擬算法將預(yù)設(shè)故障注入無(wú)故障仿真數(shù)據(jù)生成故障仿真數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，其 特征在于文件生成模塊還支持配置信息Word文檔導(dǎo)出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多路數(shù)據(jù)總線的嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬系統(tǒng)，包括上位機(jī)仿真管理軟件與嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器，上位機(jī)仿真管理軟件通過(guò)人機(jī)界面引導(dǎo)用戶針對(duì)被測(cè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真配置與故障設(shè)置，生成多路冗余設(shè)備的故障仿真數(shù)據(jù)。嵌入式實(shí)時(shí)仿真與故障模擬器通過(guò)多路數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)同步輸出故障仿真數(shù)據(jù)，模擬多路冗余設(shè)備發(fā)生故障并輸出故障數(shù)據(jù)流。上下位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，完成上位機(jī)配置信息、故障仿真數(shù)據(jù)、仿真控制指令的下載與下位機(jī)工作狀態(tài)的上傳。本發(fā)明克服傳統(tǒng)基于仿真的多設(shè)備故障模擬裝置通用性較差、同步精度較低的缺陷，適用于對(duì)設(shè)備數(shù)量眾多、數(shù)據(jù)交換頻繁的復(fù)雜航天器系統(tǒng)不同冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。
文檔編號(hào)G05B23/02GK101937232SQ20101027473
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者侯硯澤, 徐利杰, 李瑋, 王青, 董朝陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)