一种多协议总线故障注入系统及其控制方法

1.本发明涉及数据传输用总线测试系统及方法，具体涉及多协议总线故障注入系统及其控 制方法。


背景技术：

2.随着军队信息化水平越来越高，总线在现代武器中的应用越来越多，现阶段飞机坦克等 复杂军用武器均采用总线技术进行各功能单元数据传输。例如，飞机上的总控制单元，油门 控制单元，方向控制单元，火力控制单元均由1553b总线进行连接，飞行员将所需指令发送 至飞机的总控制单元后，指令会通过总线传输至相应的控制单元模块，完成相应的控制工作。 总线技术的使用大大提高了现代武器的稳定性，同时减轻了武器重量。现阶段，已发展出 can,1553b,rs485,mic等多款总线类型，满足不同场景下的需求。由于总线存在多种优点， 未来，总线技术在现代武器中应用将会越来越为普遍。总线的大量应用对总线技术的稳定性， 故障发生时的容错性提出了更高的要求。例如，相比于纯机械转向，采用总线控制的转向系 统，一旦总线通信出现故障，则会出现转向完全失灵的危险，后果严重。因此总线技术的可 靠性对于武器在实际作战过程中的可靠性具有十分重要的意义。
3.一款新型武器投入实际使用前，技术人员对总线进行故障注入方面的验证十分重要。开 发者对总线系统进行故障注入测试，以模拟总线在遇到各种故障时的状态，有利于提升武器 总线在实际作战中的可靠性与稳定性。军用总线故障注入技术发展迅速，当前已经研制出多 款基于某种特定总线的故障注入模块。例如，基于1553b的某导弹总线故障注入系统，基于 rs422的某自动装弹机总线故障注入系统。这些产品的基本工作原理如下：结合特定总线的 通信协议规范，利用硬件及软件的方法，模拟数据链路层及物理层的故障，使总线信号表现 出真实总线故障发生时的电平状态。
4.随着武器电气化水平不断提升，总线的复杂程度也越来越高，同一款武器中，有时需要 多种总线才能满足实际的需求，如现在的军车上常用的总线类型有1553b和can。1553b的 总线类型为主从式结构，总线传输速率为1mb/s,实时性较好。但是，当总线控制器出现故障 时，会造成整体系统的瘫痪，因此，可靠性较差。can总线无主从结构，采用仲裁位的方法 解决总线冲突，因此，当网络通信繁忙时，优先级低的节点可能长时间不能发送信息，使得 数据传输率降低，实时性变差。但是can总线多主站的工作模式使得一个节点有问题时，不 会导致整个系统的瘫痪。对于实时性要求较高的武器部件采用1553b总线进行连接，对于可 靠性要求较高的部件采用can总线进行连接，可以更好的提高武器的性能。因此，在实际的 在报文较多现有总线故障注入设备往往专注某一项特殊总线技术，针对当前多总线同时存在 的武器装备，实际使用时往往需要购买多个设备，无疑造成资源方面的浪费，同时无法满足 多场景下的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种可以实现对多种类型总线
(1553b、 rs422、rs485、can)进行物理层与数据链路层的故障模拟、可以模拟当前军方常用各种总 线及常见故障，使用此单元即满足大部分武器总线设计时故障单元的验证，同时在模拟多种 总线信号时可以实现软硬件的复用的多协议总线故障注入系统及其控制方法。本发明使用将 软件的人机交互方式与硬件故障注入系统设施相互配合实现的方法，用户从软件层面进行故 障注入方式和参数的设置，硬件层面的故障注入系统对软件层面传来的故障参数进行实现。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种多协议总线故障注入系统，其特征在于包括上位机模块、多协议总线信号发生模块 和故障注入模块；
8.其中，上位机模块包括总线类型选择模块、报文信息输入模块、故障类型选择模块和报 文监测模块；总线类型选择模块用来选择需要注入故障的报文类型；报文信息输入模块控制 输入的报文信息；故障类型选择模块用于不同故障类型的选择；报文监测模块用于对故障注 入后的总线状态进行实时查看，以分析总线在故障注入状态下的性能；
9.多协议总线信号发生模块包括数据链路层、数据存储器和物理层；数据链路层由报文生 成模块构成，用于根据用户选择的报文信息及总线类型使得输出符合总线要求及反映报文信 息的
‘0’‘1’
电平信号；数据存储器用于存储经数据链路层生成的报文信号与数据链路层 故障注入模块注入的故障信号耦合生产的数据，并按顺序将其注入到物理层；物理层包括数 据预处理模块、电平输出模块和电平调节模块，数据预处理模块用于将报文转换成需要的数 据格式；电平输出模块的作用是将经数据预处理模块处理过的报文信息以电平信号的形式进 行输出，电平调节模块的作用是将数字输出模块的01电平信号调节成满足相应报文需求大 小的电平信号；
10.故障注入模块包括数据链路层故障注入模块和物理层故障注入模块，数据链路层故障注 入模块用于根据故障类型选择模块选择的数据链路层故障生成具体的故障信号、并将其注入 多协议总线信号发生模块；物理层故障注入模块用于根据故障类型选择模块选择的物理层故 障生成故障控制信号、注入多协议总线信号发生模块，控制产生物理层故障。
11.本发明中所述的故障类型选择模块中的故障类型分为物理层故障及数据链路层故障，物 理层故障包括电平幅值变化、信号跳变时间延迟等，数据链路层故障包括格式错误、位错误、 应答错误等，通过故障类型选择模块可以对上述故障进行选择。
12.本发明中物理层故障注入模块包括时间模块与电平模块，时间模块用于控制产生与时间 有关的故障，电平模块用于产生与电平有关的故障。物理层故障注入模块包括物理层故障注 入控制器和耦合在电平调节模块内的可编程电位计。
13.本发明中故障注入模块和多协议总线信号发生模块之间的连接由以下两部分组成，一部 分是故障注入模块中的数据链路层故障注入模块产生的数字信号与多协议信号总线发生模 块中的数据链路层部分产生的数字信号通过二进制运算的方式耦合在一起；另一部分是故障 注入模块中的物理层故障注入模块与多协议总线信号发生模块相耦合，其是通过硬件耦合作 用实现的，具体为：时间模块与数据存储器硬件耦合，产生信号发送时间有关的故障；电平 模块与电平调节模块硬件耦合，产生电平信号有关的故障。
14.一种多协议总线故障注入系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
15.步骤一、上位机模块根据报文信息输入模块的要求和总线类型选择模块选择的总线类型 将报文信息中的报文内容、报文类型、发送地址、接收地址等信息和总线类型信息一同传至 报文生成模块；
16.同时上位机模块将故障类型选择模块选择的故障类型信息发送至故障注入模块；
17.步骤二、故障注入模块根据上位机模块传输的故障注入信息进行故障类型进行划分，获 得数据链路层故障和物理层故障，将数据链路层故障通过数据链路层故障注入模块产生数据 链路故障信号、并注入多协议信号总线发生模块；将物理层故障通过物理层故障注入模块生 成故障控制信号、注入多协议总线信号发生模块，产生物理层故障；
18.其中物理层故障控制信号包括时间故障控制信号和电平故障控制信号；
19.步骤三、报文生成模块将报文信息总线类型信息生成报文文件；报文文件与数据链路故 障信号耦合在一起，生成一次报文文件后输入至数据存储器；
20.同时，物理层故障注入模块将时间故障控制信号输入至数据存储器的寄存器；
21.步骤四、在数据存储器内一次报文文件与时间故障控制信号耦合，然后传输至数据预处 理模块进行数据预处理操作，生成二次报文文件，数据存储器中的数据按照先入先出的原则 工作；
22.步骤五、数据预处理模块将二次报文文件传递给电平输出模块；电平输出模块将二次报 文文件输出成电平信号，生成二次报文模拟信号，然后将二次报文模拟信号传输进入电平调 节模块；
23.同时，物理层故障注入模块将电平故障控制信号输入至与电平调节模块耦合的可编程电 位计；
24.步骤六、二次报文模拟信号经电平调节模块调整为符合所需总线通信协议的电平信号同 时，电平故障控制信号控制可编程电位计变化，产生包含电平故障的报文模拟信号。
25.本发明中所述的物理层故障注入模块包括故障注入控制器，电平模块为与电平调节模块 耦合的可编程电位计，时间模块为改变数据存储器中的寄存器数值的控制器。
26.电平调节模块将电平输出模块的01电平信号调节成满足相应报文需求大小的电平信号。 不同总线类型选用不同的电平调节模块实现电平调节，最后生成报文的模拟信号。
27.本发明中，报文模拟信号通过ad采集传输至上位机模块中的报文监测模块，实现对于 整个故障模拟过程的实时监测。
28.本发明中所述的1553b、mic总线的报文信号是通过双极性曼彻斯特码进行传输，即利 用电平的上升沿和下降沿来表征信号；而can，rs232的报文信息是直接通过高低电平信号 进行传输的。对于需要曼彻斯特转码的总线数据类型，需要首先进行数据预处理，而对于使 用高低电平信号进行数据进行传输不需要进行此过程。数据预处理的方法为将原数据中的1 变成01，原数据中的0变成10，此模块在单片机中可实现。
29.本发明中常见的总线类型根据传输的信号类型可分为差分电压型总线和电流型总线，电 平调节模块包括差分电压型总线电平调节模块和电流型总线电平调节模块。如 can,rs485,rs422,mic总线传输的差分电压信号，如1553b总线传输的电流型电压信号。
30.本发明中所述的电平调节模块包括差分电压型总线电平调节模块和电流型总线
电平调 节模块，所述的差分电压型总线电平调节模块包括减法器模块p1和加法器模块p2，减法器模 块p1包括运算放大器u2、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r
17
和可编程电位计r8， 电阻r1的第二端和电阻r2的第一端与运算放大器u2的反相输入端相连，电阻r 3
的第二端和 电阻r4的第一端与运算放大器u2的同相输入端相连，电阻r1的第一端与电平输出模块的输出 端相连，电阻r2的第二端与运算放大器u2的输出端相连，电阻r3的第一端与可编程电位计 r8相连，电阻r4的第二端接地，可编程电位计r8固定端的第一端与电阻r
17
的第一端相连， 电阻r
17
的第二端与电源相连；可编程电位计r8固定端的第二端接地；运算放大器u2的正电 源端接电源、负电源端接地；运算放大器u2的输出端为差分信号中的高电平信号输出端；加 法器模块p2包括运算放大器u1、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r
18
和可编程电位计r9，电 阻r5的第二端、电阻r6的第一端和电阻r7的第二端与运算放大器u1的反相输入端相连，电 阻r5的第一端与电平输出模块的输出端相连，电阻r6的第二端与运算放大器u1的输出端相连， 电阻r7的第一端与可编程电位计r9相连，电阻r
18
的第一端与可编程电位计r9的固定端的第 一端相连，电阻r
18
的第二端接地，可编程电位计r9的固定端第二端接电源；运算放大器u1的同相输入端接地，运算放大器u1的正电源端接电源、负电源端接地；运算放大器u1的输出 端为差分信号中的低电平信号输出端。
31.本发明中所述的电流型总线电平调节模块包括积分模块p1及电流电压转换模块p2构成； 积分模块p1包括运算放大器u1、电阻r10、电阻r11和电容c1；电阻r10的第一端与电平 输出模块连接，电阻r10的第二端和运算放大器u1的反相输入端相连，电阻r11的第一端 与运算放大器u1的同相输入端相连，电阻r11的第二端接地，电容c1的第一端和运算放大 器u1的反相输入端相连、第二端和运算放大器u1的输出端相连；
32.电流电压转换模块p2包括运算放大器u2、电阻r13、电阻r14、电阻r16、可编程电位 计r15、三极管q1；电阻r13的第一端和电阻r14第一端与运算放大器u2的同相输入端相 连，电阻r13的第二端和可编程电位计r15的固定端的第一端与三极管q1的发射极相连， 电阻r14第二端接地，可编程电位计r15的固定端的第二端与r16第一端及互感线圈第一端 相连，互感线圈第二端接地，可编程电位计r15(可变端)与三极管q1的发射极相连，电阻 r16的第二端与运算放大器u2的反相输入端相连；三极管q1的集电极与电源相连，三极管q1的基极与运算放大器u2的输出端相连；运算放大器u1的输出端经电阻r12与运算放大器 u2的反相输入端相连。
33.本发明使用将软件的人机交互方式与硬件故障注入系统设施相互配合实现的方法，实现 了对多种类型总线(1553b、rs422、rs485、can)进行物理层与数据链路层的故障模拟，用 户从操作界面的软件上进行故障注入方式和参数的设置，硬件层面的故障注入系统对软件层 面传来的故障参数进行实现。该单元可以模拟当前军方常用各种总线及常见故障，使用此单 元即满足大部分武器总线设计时故障单元的验证，同时在模拟多种总线信号时可以实现软硬 件的复用。无需购买多种设备，使用方便且节约资源。
附图说明
34.图1是本发明中多协议总线故障注入系统的功能模块结构示意图。
35.图2是本发明中差分电压型总线的电平调节模块的电路结构示意图。
36.图3是本发明中电流型总线电平调节模块的电路结构示意图。
37.图4是本发明中数据链路层故障示意图。
38.图5是本发明中为差分电压型总线注入故障的电路结构示意图。
39.图6是本发明中电流型总线注入故障的电路结构示意图。
具体实施方式
40.如图1所示的多协议总线故障注入系统，包括上位机模块1、多协议总线信号发生模块 2和故障注入模块3；
41.其中，上位机模块1包括总线类型选择模块4、报文信息输入模块5、故障类型选择模 块6和报文监测模块7；总线类型选择模块4用来选择需要注入故障的报文类型，报文类型 具体包括1553b,can,rs485,rs422等；报文信息输入模块5控制输入的报文信息，其包括报 文内容、报文类型、发送地址、接收地址等；故障类型选择模块6用于不同故障类型的选择； 报文监测模块7用于对故障注入后的总线状态进行实时查看，以分析总线在故障注入状态下 的性能；
42.多协议总线信号发生模块2包括数据链路层、数据存储器9和物理层；上位机模块与数 据链路层相连，数据链路层由报文生成模块8构成，用于根据用户选择(上位机输入)的报 文信息及总线类型使得输出符合总线要求及反映报文信息的
‘0’‘1’
电平信号；数据存储 器9用于存储经数据链路层生成的报文信号与数据链路层故障注入模块13注入的故障信号 耦合生产的数据，并按顺序将其注入到物理层；物理层包括数据预处理模块10、电平输出模 块11和电平调节模块12，数据预处理模块10用于将报文转换成需要的数据格式；电平输出 模块11的作用是将经数据预处理模块10处理过的报文信息以电平信号的形式进行输出，电 平调节模块12的作用是将数字输出模块的01电平信号调节成满足相应报文需求大小的电平 信号；报文监测模块与电平调节模块输出端相连；
43.故障注入模块3包括数据链路层故障注入模块13和物理层故障注入模块14，数据链路 层故障注入模块13用于根据故障类型选择模块选择的数据链路层故障生成具体的故障信号、 并将其注入多协议总线信号发生模块2；物理层故障注入模块14用于根据故障类型选择模块 6选择的物理层故障生成故障控制信号、注入多协议总线信号发生模块的数据存储器以及与 物理层耦合控制的电路原件中，控制产生物理层故障。
44.本发明中所述的故障类型选择模块6中的故障类型分为物理层故障及数据链路层故障， 物理层故障包括电平幅值变化、信号跳变时间延迟等，数据链路层故障包括格式错误、位错 误、应答错误等，通过故障类型选择模块可以对上述故障进行选择、并发送给故障注入模块。
45.本发明中物理层故障注入模块包括时间模块15与电平模块16，时间模块15用于控制产 生与时间有关的故障，电平模块16用于产生与电平有关的故障。物理层故障注入模块14包 括物理层故障注入控制器(单片机)和耦合在电平调节模块内的可编程电位计。
46.本发明中故障注入模块3和多协议总线信号发生模块2之间的连接由以下两部分组成， 一部分是故障注入模块中的数据链路层故障注入模块产生的数字信号与多协议信号总线发 生模块中的数据链路层部分产生的数字信号通过二进制运算的方式耦合在一起；另一部分是 故障注入模块中的物理层故障注入模块与多协议总线信号发生模块相耦合，其是通过硬件耦 合作用实现的，具体为：时间模块与数据存储器硬件耦合，产生信号发
送时间有关的故障； 电平模块与电平调节模块硬件耦合，产生电平信号有关的故障。
47.一种多协议总线故障注入系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
48.步骤一、上位机模块根据报文信息输入模块的要求和总线类型选择模块选择的总线类型 将报文信息中的报文内容、报文类型、发送地址、接收地址等信息和总线类型信息一同传至 报文生成模块；
49.同时上位机模块将故障类型选择模块选择的故障类型信息发送至故障注入模块；
50.步骤二、故障注入模块根据上位机模块传输的故障注入信息进行故障类型进行划分，获 得数据链路层故障和物理层故障，将数据链路层故障通过数据链路层故障注入模块产生数据 链路故障信号、并注入多协议信号总线发生模块；将物理层故障通过物理层故障注入模块生 成故障控制信号、注入多协议总线信号发生模块，产生物理层故障。
51.其中物理层故障控制信号包括时间故障控制信号和电平故障控制信号；
52.步骤三、报文生成模块将报文信息总线类型信息生成报文文件；报文文件与数据链路故 障信号通过二进制运算的方式耦合在一起，生成一次报文文件后输入至数据存储器；
53.同时，物理层故障注入模块将时间故障控制信号输入至数据存储器的寄存器；对一次报 文文件进行延时或改变周期的控制，产生时间故障。
54.步骤四、在数据存储器内一次报文文件与时间故障控制信号耦合，基于时间故障信号对 一次报文文件进行延时或改变周期，然后传输至数据预处理模块进行数据预处理操作，根据 一次报文文件中的总线类型信息将报文信息转换成适合该总线类型的数据格式的报文信号， 生成二次报文文件，数据存储器中的数据按照先入先出的原则工作；
55.步骤五、数据预处理模块将二次报文文件传递给电平输出模块；电平输出模块将二次报 文文件输出成电平信号，生成二次报文模拟信号，然后将二次报文模拟信号传输进入电平调 节模块；
56.同时，物理层故障注入模块将电平故障控制信号输入至与电平调节模块耦合的可编程电 位计；
57.步骤六、二次报文模拟信号经电平调节模块调整为符合所需总线通信协议的电平信号同 时，电平故障控制信号控制可编程电位计变化，产生包含电平故障的报文模拟信号。
58.本发明中所述的物理层故障注入模块包括故障注入控制器，电平模块为与电平调节模块 耦合(连接)的可编程电位计，时间模块为改变数据存储器中的寄存器数值的控制器。障注 入控制器和控制器为单片机。
59.电平调节模块将电平输出模块的01电平信号调节成满足相应报文需求大小的电平信号。 不同总线类型选用不同的电平调节模块实现电平调节，最后生成报文的模拟信号。
60.本发明中，报文模拟信号通过ad采集传输至上位机模块中的报文监测模块，实现对于 整个故障模拟过程的实时监测。
61.本发明中所述的1553b、mic总线的报文信号是通过双极性曼彻斯特码进行传输，即利 用电平的上升沿和下降沿来表征信号；而can，rs232的报文信息是直接通过高低电平信号 进行传输的。对于需要曼彻斯特转码的总线数据类型，需要首先进行数据预处理，而
对于使 用高低电平信号进行数据进行传输不需要进行此过程。数据预处理的方法为将原数据中的1 变成01，原数据中的0变成10，此模块在单片机中可实现。
62.本发明中常见的总线类型根据传输的信号类型可分为差分电压型总线和电流型总线，电 平调节模块包括差分电压型总线电平调节模块和电流型总线电平调节模块。如 can,rs485,rs422,mic总线传输的差分电压信号，如1553b总线传输的电流型电压信号。
63.本发明中所述的电平调节模块包括差分电压型总线电平调节模块和电流型总线电平调 节模块，所述的差分电压型总线电平调节模块如图2所示，包括减法器模块p1和加法器模块 p2，减法器模块p1包括运算放大器u2、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r
17
和可编程 电位计r8，电阻r1的第二端和电阻r2的第一端与运算放大器u2的反相输入端相连，电阻r 3
的第二端和电阻r4的第一端与运算放大器u2的同相输入端相连，电阻r1的第一端与电平输出 模块的输出端相连，电阻r2的第二端与运算放大器u2的输出端相连，电阻r3的第一端与可编 程电位计r8(可变端)相连，电阻r4的第二端接地，可编程电位计r8固定端的第一端与电阻 r
17
的第一端相连，电阻r
17
的第二端与电源相连；可编程电位计r8固定端的第二端接地；运 算放大器u2的正电源端接电源、负电源端接地；运算放大器u2的输出端为差分信号中的高电 平信号输出端；加法器模块p2包括运算放大器u1、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r
18
和可 编程电位计r9，电阻r5的第二端、电阻r6的第一端和电阻r7的第二端与运算放大器u1的反 相输入端相连，电阻r5的第一端与电平输出模块的输出端相连，电阻r6的第二端与运算放大 器u1的输出端相连，电阻r7的第一端与可编程电位计r9(可变端)相连，电阻r
18
的第一端 与可编程电位计r9的固定端的第一端相连，电阻r
18
的第二端接地，可编程电位计r9的固定 端第二端接电源；运算放大器u1的同相输入端接地，运算放大器u1的正电源端接电源、负电 源端接地；运算放大器u1的输出端为差分信号中的低电平信号输出端。
64.在减法器模块p1和加法器模块p2中，r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7为定值，r2、r3、r4阻值 相等，r5、r6、r7阻值相等r8、r9为可编程电位计，v_h与v_l分别表示差分信号中的高电平 信号线和低电平信号线。电平输出模块的作用为将0与1的数字信号转换生成0v与1v的电 压。关于差分信号中两根线中的v_h信号是利用减法器的基本原理实现的。如图2所示， r1,r2,r3,r4,r8与u2组成基本的减法器电路：运算放大器u2两输入端满足“虚短”及“虚断
”ꢀ
的运算放大器基本原理。“虚短”是指在理想情况下，运算放大器的两个输入端的电位相等，
ꢀ“
虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。
65.根据“虚短”的基本原理，
[0066]v6
＝v7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0067]
根据虚断的基本原理，
[0068]
i1＝i2＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0069]
根据(2)利用基尔霍夫定律可得：
[0070][0071]
因为r2＝r3＝r4时，
[0072]v4
＝v
2-v1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0073]
v2是供电电压经过电位计r9分压作用，将供电电压调节至需求高电平，v1为0v与1v变 换的电压信号，最终，经过减法器的作用，实现h电压高电平与低电平变换。
[0074]
关于差分信号中的v_l信号是利用r5,r6,r7,r9组成的加法器的基本原理实现的，如上图 所示
[0075]
根据“虚短”的基本原理，
[0076]v8
＝v9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0077]
根据“虚断”的基本原理
[0078]
i3＝i4＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0079]
根据(5)(6)式，结合基尔霍夫定律可得：
[0080][0081]
因为r5＝r6＝r7时，
[0082]v5
＝v1 v3。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0083]
公式中，v1为电平调节模块的输入端电压，v2为电阻r3的第一端电压，v3为电阻r7的第 一端电压，v4为运算放大器u2的输出端电压，v5为运算放大器u1的输出端电压，v6为运算放 大器u2的反相输入端电压，v7为运算放大器u2的同相输入端电压，v8为运算放大器u1的反相 输入端电压，v9为运算放大器u1的同相输入端电压，i1为运算放大器u2的反相输入端电流， i2为运算放大器u2的同相输入端电流，i3为运算放大器u1的反相输入端电流，i4为运算放 大器u1的同相输入端电流。r1、r2……
为电阻阻值。
[0084]v1
是供电电压经过可编程电位计分压作用，将供电电压调节至需求低电平，v1为0v与 1v变换的电压信号，最终，经过加法器的作用，实现电压高电平与低电平变换。
[0085]
综上所述，利用上述电子设计模块，可以实现差分电压型信号的电平调节。
[0086]
本发明中所述的电流型总线电平调节模块如图3所示，包括积分模块p1及电流电压转 换模块p2构成；积分模块p1包括运算放大器u1、电阻r10、电阻r11和电容c1；电阻r10 的第一端与电平输出模块连接，电阻r10的第二端和运算放大器u1的反相输入端相连，电 阻r11的第一端与运算放大器u1的同相输入端相连，电阻r11的第二端接地，电容c1的第 一端和运算放大器u1的反相输入端相连、第二端和运算放大器u1的输出端相连；
[0087]
电流电压转换模块p2包括运算放大器u2、电阻r13、电阻r14、电阻r16、可编程电位 计r15、三极管q1；电阻r13的第一端和电阻r14第一端与运算放大器u2的同相输入端相 连，电阻r13的第二端和可编程电位计r15的固定端的第一端与三极管q1的发射极相连， 电阻r14第二端接地，可编程电位计r15的固定端的第二端与r16第一端及互感线圈第一端 相连，互感线圈第二端接地，可编程电位计r15(可变端)与三极管q1的发射极相连，电阻 r16的第二端与运算放大器u2的反相输入端相连；三极管q1的集电极与电源相连，三极管 q1的基极与运算放大器u2的输出端相连；运算放大器u1的输出端经电阻r12与运算放大器 u2的反相输入端相连。
[0088]
p1模块的主要作用是将常数值的电平信号变成随时间变化呈一次函数关系的电压，例如 经过电平输出模块后的1v电压经过p1模块后变为：u(t)＝-t。
[0089]
积分模块中有如下关系：
[0090]
由“虚短”可知，
[0091]v9
＝v
10
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0092]
再根据“虚断”，得
[0093]
i1＝i2＝(v
0-v9)/r
10
＝-c*d(v1)/dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0094]
所以，
[0095][0096]
p2模块是电流电压转换模块，由电阻r
13
、r
14
、r
16
；可编程电位计r
15
；运算放大器u2； 三极管q1，线圈l1、l2组成。
[0097]
设定电阻值r
13
＝r
14
，r
12
＝r
16
[0098]
有如下关系：
[0099]
由“虚断”可知
[0100]
i3＝i4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0101]
即
[0102]
(v
1-v7)/r
12
＝(v
7-v3)/r
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0103]
(v
2-v8)/r
13
＝v8/r
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0104]
由运算放大器“虚短”原理可知：
[0105]v7
＝v8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0106]
所以可以得到
[0107]v2-v3＝v1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0108][0109]
设变压器匝数比为m：1，则
[0110][0111]
上述公式中，v0为电流型总线电平调节模块输入端电压，v1为运算放大器u1输出端电压， v2为电可编程电位计r15的固定端的第一端电压，v3为可编程电位计r15的固定端的第二端 电压，v4为互感线圈第一端电压，v5为互感线圈第三端电压(第一输出端)，v6为互感线圈第 四端电压(第二输出端)，v7为运算放大器u2的反相输入端电压，v8为运算放大器u2的同相 输入端电压，v9为运算放大器u1的反相输入端电压，v
10
为运算放大器u1的同相输入端电压， i1为运算放大器u2的反相输入端电流，i2为运算放大器u2的同相输入端电流，i3为运算放 大器u1的反相输入端电流，i4为运算放大器u1的同相输入端电流，c为电容c1电容值。
[0112]
常见的通信故障类型可以分为数据链路层故障和物理层故障两类，数据链路层故障的注 入发生在报文生成阶段，如图4所示。常见的数据链路层故障如图4所示，数据链路层故障 类型如下：分为位错误故障，格式错误故障，数据位长度错误故障，校验码错误故障，数据 连续错误故障。
[0113]
针对以上故障类型，分别采用如下方式实现故障注入。
[0114]
(1)位错误注入：
[0115]
位错误指的是报文中的某一位发生与原信号不同的电位信号，造成的故障，如原报文为
ꢀ“
1011”变成“1001”即为位错误故障。位错误故障通常发生于can，1553b,rs422,rs485 等各类总线类型中，是一种普遍存在的故障。首先依据拟发送报文原定内容，选择位
错误发 生的位置及位数，将选定的位数的报文信号的值进行“0”与“1”的数值替换；
[0116]
(2)格式错误注入
[0117]
每种报文都有既定的格式类型，在固定的格式类型中出现非法位即出现格式错误。此类 错误也发生于大多数的报文类型中，如can总线中本来应该是隐性位的crc界定符出现了显 性电平。该种错误注入方法如下所示：使用首先根据选定的报文类型的通信协议，对报文各 字段进行划分，确认报文每字段的数据格式，选择注入错误字段，将特定字段进行删位或补 位操作，造成数据格式错误；
[0118]
(3)数据长度错误注入
[0119]
报文中存在固定的数据长度要求，如can总线有标准帧和扩展帧之分，标准帧有11个 字节，扩展帧有13个字节，具体错误注入方法是根据报文类型，确定数据的具体位数，对 整条报文进行删位或补位操作；
[0120]
(4)校验错误注入
[0121]
报文为在传输过程中会对报文进行校验，1553b，rs422,rs485的校验方法是利用奇偶位 的校验方法(假设传输的二进制数据中1的个数为奇数，则奇校验位设置为0。比如7位二 进制数据1110000中1的个数为3个，是奇数，则奇校验位设置为0)，can总线采用crc检 验的方法(crc校验部分只要连续出现五个相同的位就需要额外插入一个相反的位)具体错 误注入方法如下：首先根据报文类型识别报文的校验位，对报文的校验位进行补位或者改位 操作，破坏检验位。
[0122]
数据链路层故障由单片机编程实现。
[0123]
常见的物理层故障包括电平信号幅值偏移、电平信号延迟及电平信号噪声扰动。物理层 故障采用故障注入控制器(单片机)配合硬件(可编程电位计)进行故障注入。具体电路结 构见图5、图6。
[0124]
上述三种物理层故障注入方式如下：
[0125]
据前公式(4)(8)可得：对于电平信号幅值偏移与电平信号的噪声扰动故障，改变v3与v2的值即改变可编程电位计r8与r9的值，从而使得v_l与v_h的电平信号发生改变。如图 5所示，此种故障可以通过故障注入控制器对可编程电位计r8、r9的电阻值进行，进而对于 电位进行控制。
[0126]
由公式
[0127]v2
＝v
cc
/r8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0128]v3
＝v
cc
/r9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0129]
可得通过改变r8、r9的电阻值，v2、v3的电压值是可以任意改变的。
[0130]
对于电流型总线电平调节模块，上述三种类型物理故障的制造方法如下所示：
[0131]
由公式(18)可得，对于电平信号幅值偏移与电平信号的噪声扰动故障，改变v5的值 即通过故障注入寄存器改变电位器r
15
,完成故障的实现。
[0132]
(2)电平信号延迟：
[0133]
对于此种故障，通过故障注入控制器(单片机)对fifo存储器(数据存储器)中的数 据进行输出速率上的控制，进而可以制造电平信号延迟的故障。
[0134]
为差分电压型总线电平调节模块注入故障的电平模块包括故障注入控制器和可编程电 位计r8、r9；故障注入控制器与可编程电位计r8、r9连接、控制其电阻值；故障注入控
制器 与数据存储器的寄存器相连，控制寄存器数值。
[0135]
为电流型总线电平调节模块注入故障的电平模块包括故障注入控制器和可编程电位计 r
15
，故障注入控制器与可编程电位计r
15
连接、控制其电阻值；故障注入控制器与数据存储器 的寄存器相连，控制寄存器数值。故障注入控制器使用单片机实现。
[0136]
故障注入控制器发送指令控制可编程电位计的电阻值，从而改变电位的大小。时间故障 注入：数据存储器发送往数据预处理模块的参数配置是通过寄存器实现的，单片机配置与数 据发送有关的寄存器，从而决定存储在数据存储器中的数据发送量以及数据发送的速度。故 障注入控制器通过控制与数据存储器数据发送有关的寄存器，改变数据发送的周期等信息。
[0137]
本发明使用过程中，上位机模块是用户对该系统进行各种信号及故障模拟的操作选择界 面以及对系统总线状态进行实时检测的界面，用户可以在上位机模块进行报文信息、总线类 型、故障类型的选择及查看故障注入后总线状态。其中，总线类型选择模块用来选择需要注 入故障的报文类型，具体包括1553b,can,rs485,rs422等；报文信息输入模块控制输入的报 文信息，其包括报文内容、报文类型、发送地址、接收地址等；故障类型选择模块进行不同 故障类型的选择，故障类型具体可分为物理层故障及数据链路层故障，物理层故障包括电平 幅值变化，信号跳变时间延迟等，数据链路层故障包括格式错误，位错误，应答错误等，通 过故障类型选择模块可以对上述故障进行选择；报文监测模块进行对故障注入后的总线状态 进行实时查看，以分析总线在故障注入状态下的性能。多协议总线信号发生模块：此模块的 作用是根据上位机的指令产生符合要求的实际报文电平信号。此模块主要分为数据链路层和 物理层两部分。数据链路层由报文生成模块构成，此模块主要作用是根据用户选择的报文信 息及总线类型使得输出符合总线要求及反映报文信息的
‘0’‘1’
电平信号。多协议总线信 号发生模块中的数据存储器的主要作用是将经过数据链路层生成的信号存在其中，并按顺序 将其注入到物理层。物理层中的模块主要包括数据预处理模块、电平输出模块、电平调节模 块。其中，数据预处理模块的作用是将报文转换成需要的数据格式，如1553b、mic的报文 信号是通过双极性曼彻斯特码进行传输，即利用电平的上升沿和下降沿来表征信号。而can， rs232的报文信息是直接通过高低电平信号进行传输的。对于需要曼彻斯特转码的总线数据 类型，需要首先进行数据预处理，而对于使用高低电平信号进行数据进行传输不需要进行此 过程。数据预处理的方法为将原数据中的1变成01，原数据中的0变成10，此模块在单片 机中可实现。电平输出模块的作用是将经数据预处理模块处理过的报文信息以电平信号的形 式进行输出，此模块利用单片机的数字输出功能可以实现；电平调节模块的作用是将数字输 出模块的01电平信号调节成满足相应报文需求大小的电平信号。故障注入模块：故障注入 模块的主要作用是根据上位机的故障注入信息，产生符合要求的故障类型；该单元由数据链 路层故障注入模块和物理层故障注入模块组成，数据链路层故障注入模块是产生有关数据链 路层方面的故障注入；物理层故障包括物理层故障注入控制器控制，分为时间模块与电平模 块。其中，时间模块控制产生与时间有关的故障。电平模块产生与电平有关的故障，故障注 入模块和多协议信号发生模块之间的连接由以下两部分组成，一部分是故障注入单元中数据 链路层故障注入模块产生的数字信号与多协议信号总线发生模块中的数据链路层部分产生 的数字信号通过二进制运算的方式耦合在一起；另一部分是故障注入模块中的物理层故障注 入模块多协议总线信号
发生模块相耦合，其是通过硬件耦合作用实现的：时间模块与数据存 储器硬件耦合，产生信号发送时间有关的故障；电平模块与电平调节模块硬件耦合，产生电 平信号有关的故障。
[0138]
本发明使用将软件的人机交互方式与硬件故障注入系统设施相互配合实现的方法，实现 了对多种类型总线(1553b、rs422、rs485、can)进行物理层与数据链路层的故障模拟，用 户从操作界面的软件上进行故障注入方式和参数的设置，硬件层面的故障注入系统对软件层 面传来的故障参数进行实现。该单元可以模拟当前军方常用各种总线及常见故障，使用此单 元即满足大部分武器总线设计时故障单元的验证，同时在模拟多种总线信号时可以实现软硬 件的复用。无需购买多种设备，使用方便且节约资源。
[0139]
总线：总线是计算机系统中各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组 成的传输线束，汽车飞机等复杂军工产品均以总线结构来连接各个功能部件的。经过多年的 发展，现阶段军方常用的总线技术有1553b，rs485,rs422,can等。
[0140]
上位机：指可以直接发出操控命令的计算机，通过电脑发出命令操纵整个系统，使得系 统物理层上产生变化，同时可以显示系统的各种状态。
[0141]
故障注入：故障注入是一种可靠性验证工作，人为向系统中引入故障，并观察系统在故 障注入后的状态，以检测系统的可靠性。
[0142]
曼彻斯特码：是一种用电平跳变来表示1或0的编码方法，其变化规则很简单，即每个码 元均用两个不同相位的电平信号表示，如利用从高电平到低电平的跳变表示0，低电平到高 电平的跳变表示1
[0143]
fifo(first input first output)存储器:一种先入先出的数据存储器，对连续的数 据流具有缓存功能，目前已应用于大量电子设备中作为数据存储单元。
[0144]
差分信号：差分信号是利用两根电压线来代替一根电压线进行信号传递的信号，利用两 根信号线的电压差来表示实际信号的高低电平。