技术领域
[0001] 本
发明涉及故障测试技术领域，尤其涉及一种面向中低频正弦信号的频率故障注入器。
背景技术
[0002] 测试性是指装备能够及时准确的确定其工作状态，并有效的隔离其内部故障的一种设计特性。故障注入作为一种检验系统设备容错能
力的测试方法，是保证装备验证阶段可靠性的重要手段。航空
电子系统测试性验证工作，主要是通过对研制的装备注入不同类型的故障，以验证系统在复杂恶劣工作环境下自保护能力和恢复能力。
[0003] 正弦信号作为航电系统中常见的典型信号，携带的内容复杂，能够指示重要的工作参数，在测试性试验故障注入工作中不可避免。但是目前，测试性故障注入技术主要分为插拔式、探针式、外总线式、转接板式和
软件式故障注入。这5类故障注入方法主要实现了常见
数字信号、
模拟信号在物理层、电气层、协议层的故障注入，其机理都是通过更改电平实现的。对于正弦信号，其故障形式包括“幅度异常”、“偏置异常”和“频率异常”三种，面向幅度和偏置的故障注入可以通过
放大器实现，但是面向频率的故障由于是非线性变化，无法通过放大器实现。目前，信号发生器可以实现正弦信号频率的控制，然而这种方式在改变频率的同时会改变幅度和偏置，无法实现精确注入，因此目前在该技术领域还缺乏单独面向频率参数的正弦信号注入手段。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是在不损坏航电系统的前提下，模拟故障频率形式，实现对正弦频率故障信号的精准注入。
[0005] 本发明提出一种面向中低频正弦信号的频率故障注入器，其包括故障注入
控制器和故障注入上位机；所述故障注入上位机用于发送故障注入指令，控制所述故障注入控制器生成故障正弦信号；所述故障注入控制器包括机箱、故障注入
主板和所述机箱内部的交联
电缆；所述机箱包括前面板和后面板，所述前面板包括电源
开关，BNC输入通道
接口和BNC输出接口；所述后面板包括电源接口和RS232
通信接口；所述故障注入主板包括
频谱分离单元、故障重构单元和主控单元；所述频谱分离单元用于对所述正弦信号的频率、幅度和偏置参数进行自动采集，并实现对输入正弦信号的特征及参数识别；所述频谱分离单元由
采样隔离
电路、低通
滤波器LFP电路、峰值检波电路、脉冲整形电路、通道控制电路和ADC电路组成；
输入信号ui经过
低通滤波器形成直流信号uL，即得到输入信号的偏置Vd；同时，所述输入信号ui与所述直流信号uL进行相减运算形成标准正弦信号uH，所述标准正弦信号uH经过所述峰值检波电路后得到信号的峰值Vp，所述峰值Vp和偏置Vd通过所述通道控制电路进行选择后输出送入所述ADC电路得到数字结果；此外，所述输入信号ui还经过所述脉冲整形电路，将
正弦波形变化为脉冲信号f，所述脉冲信号f进入所述主控单元的
定时器进行计数，得到所述输入信号ui的频率；所述故障重构单元基于所述故障注入上位机发送的故障指令生成模拟的故障正弦信号；所述故障重构单元包括DDS电路、幅度变换电路、增益调整电路、总线控制电路和DAC电路；所述DDS电路生成标准正弦信号，经过幅度变换后形成双极性信号，并进一步通过所述增益调整电路恢复到所述输入信号ui的峰值Vp，同时所述DAC产生一个与所述偏置Vd相同的直流信号，所述双极性信号与所述直流信号通过所述求和电路进行相加运算后形成故障信号；所述故障信号的频率由主控单元结合所述脉冲信号f与故障注入指令里的参数共同确定；所述主控单元用于接收所述故障注入上位机指令、调整所述频谱分离单元、故障重构单元的工作参数，并向所述故障注入上位机发送所述故障注入控制器当前的工作状态和工作参数；
[0006] 优选的，所述输入信号ui从被测试系统正常工作时获取的正弦信号。
[0007] 优选的，所述所述主控单元包括MCU。
[0008] 优选的，所述MCU包括用于测量输入信号频率的定时器单元。
[0009] 优选的，所述MCU包括用于与所述故障注入上位机进行RS232通信的UART单元。
[0010] 优选的，所述MCU包括SPI1单元、SPI2单元、SPI3单元、看
门狗单元和I/O端口；
[0011] 所述SPI1单元控制所述ADC电路采集所述输入信号ui的幅度和偏置参数；所述SPI2单元控制DDS电路形成故障正弦信号；所述SPI3单元同时控制DAC以及进行增益调整；所述看门狗单元
监控系统软件运行状态，防止程序跑飞；所述I/O端口用于对系统运行状态进行指示。
[0012] 优选的，所述SPI3单元包括总线
驱动器。
[0013] 优选的，所述RS232通信的通信协议如下：
[0014] 传输接口：RS232；
[0015] 传输协议：115200bps，8，N，1；
[0016] 包头：每一包数据的第1，2字节，固定为0x55，0xAA；响应包的包头第1，2字节，固定为0xAA，0x55；
[0017] 命令字：每一包
数据处理的指令字，表示此包要处理的指令，位于第3字节；
[0018] 长度字：每一包数据的第4，5字节为长度字，只是数据字节的长度，如果当前包中没有数据字时，长度字为0x0000，长度字采用小端字节序，低字节在前，高字节在后；
[0019] 数据字：每一包数据的第6字节开始到校验字前一字节；
[0020] 校验字：每一包数据的最后一个字节，是从开始到数据字结束的XOR结果；
[0021] 命令说明：命令分控制命令和响应命令，控制命令包和响应命令包的包格式结构相同。控制命令为偶数，响应命令为奇数，其值为相应控制命令加1；
[0022] 返回数据成功：当接收到可以正确解析的命令时，返回响应命令，响应命令的命令字为控制命令字加1；
[0023] 返回数据失败：当接收到错误或不可识别的命令时返回：0xAA，0x55，0x0F，0x00，0x00，0xX0R；
[0024] 命令解析：每一个数据包中的前2个字节内容是固定的，发送时为0x55，0xAA；响应时为0xAA，0x55。
[0026] 本发明提出的面向中低频正弦信号的频率故障注入器采用频谱分离—故障重构技术，频谱分离单元用于对所述正弦信号的频率、幅度和偏置参数进行自动采集，并实现对输入正弦信号的特征及参数识别，在此
基础上故障重构单元基于所述故障注入上位机发送的故障指令生成模拟的故障正弦信号，实现在不改变输入信号幅度和偏置的前提下，对输入信号的频率参数进行调整，调整范围为2Hz～600KHz，调整过程中能够自动识别并保持
输出信号的幅度和偏置与输入信号相同。
附图说明
[0027] 图1本发明
实施例中的频率故障注入器实际使用场景的示意图；以及
[0028] 图2本发明实施例中的频率故障注入主板功能原理的示意图。
具体实施方式
[0029] 以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0030] 如图1所示，本实施例提出的面向中低频正弦信号的频率故障注入器，该注入器包括故障注入控制器和故障注入上位机，可以在不改变幅度和偏置的前提下对2Hz～600KHz之内正弦信号进行频率调整。
[0031] 故障注入上位机用于发送故障注入指令，控制故障注入控制器生成故障正弦信号。
[0032] 故障注入控制器包括故障注入器机箱、故障注入主板和机箱内部的交联电缆。
[0033] 故障注入机箱包括前面板和后面板，前面板包括1个电源开关，4个BNC输入通道接口(IN1～In4)和4个BNC输出接口(OUT1～OUT4)。
[0034] 后面板包括1个220V电源接口，1个DB9封装的RS232通信接口。
[0035] 如图2所示，故障注入主板包括频谱分离单元、故障重构单元和主控单元；
[0036] 频谱分离单元用于对正弦信号的频率、幅度和偏置参数进行自动采集，并实现对输入正弦信号的特征及参数识别；频谱分离单元由采样隔离电路、低通滤波器LFP电路、峰值检波电路、脉冲整形电路、通道控制电路和ADC电路组成；从被测试系统正常工作时获取的正弦信号作为输入信号ui，输入信号ui经过低通滤波器形成直流信号uL，即得到输入信号的偏置Vd；同时，输入信号ui与直流信号uL进行相减运算形成标准正弦信号uH，标准正弦信号uH经过所述峰值检波电路后得到信号的峰值Vp，峰值Vp和偏置Vd通过通道控制电路进行选择后输出送入ADC电路得到数字结果；此外，输入信号ui还经过脉冲整形电路，将正弦
波形变化为脉冲信号f，脉冲信号f进入主控单元的MCU处理器中定时器进行计数，得到输入信号ui的频率，本实施例中的MCU处理器的型号为STM32F4。
[0037] 故障重构单元基于故障注入上位机发送的故障指令生成模拟的故障正弦信号；故障重构单元包括DDS电路、幅度变换电路、增益调整电路、总线控制电路和DAC电路；DDS电路生成标准正弦信号，经过幅度变换后形成双极性信号，并进一步通过增益调整电路恢复到输入信号ui的峰值Vp，同时DAC产生一个与所述偏置Vd相同的直流信号，双极性信号与直流信号通过求和电路进行相加运算后形成故障信号；故障信号的频率通过主控单元的MCU结合所述脉冲信号f与故障注入指令里的参数共同确定。
[0038] 主控单元用于接收故障注入上位机指令、调整频谱分离单元、故障重构单元的工作参数，并向故障注入上位机发送故障注入控制器当前的工作状态和工作参数。
[0039] 本实施例中的MCU还包括SPI1单元、SPI2单元、SPI3单元、看门狗单元和I/O端口；SPI1单元控制ADC电路采集所述输入信号ui的幅度和偏置参数；SPI2单元控制DDS电路形成故障正弦信号；SPI3单元同时控制DAC以及进行增益调整，同时为了增加驱
动能力还为所述SPI3单元增加了总线驱动器；看门狗单元监控
系统软件运行状态，防止程序跑飞；I/O端口用于对系统运行状态进行指示。
[0040] MCU还包括用于与故障注入上位机进行RS232通信的UART单元，本实施例中通信芯片采用MAX232芯片，RS232通信的通信协议如下：
[0041] 传输接口：RS232；
[0042] 传输协议：115200bps，8，N，1；
[0043] 包头：每一包数据的第1，2字节，固定为0x55，0xAA；响应包的包头第1，2字节，固定为0xAA，0x55；
[0044] 命令字：每一包数据处理的指令字，表示此包要处理的指令，位于第3字节；
[0045] 长度字：每一包数据的第4，5字节为长度字，只是数据字节的长度，如果当前包中没有数据字时，长度字为0x0000，长度字采用小端字节序，低字节在前，高字节在后；
[0046] 数据字：每一包数据的第6字节开始到校验字前一字节；
[0047] 校验字：每一包数据的最后一个字节，是从开始到数据字结束的XOR结果；
[0048] 命令说明：命令分控制命令和响应命令，控制命令包和响应命令包的包格式结构相同。控制命令为偶数，响应命令为奇数，其值为相应控制命令加1；
[0049] 返回数据成功：当接收到可以正确解析的命令时，返回响应命令，响应命令的命令字为控制命令字加1；
[0050] 返回数据失败：当接收到错误或不可识别的命令时返回：0xAA，0x55，0x0F，0x00，0x00，0xX0R；
[0051] 命令解析：每一个数据包中的前2个字节内容是固定的，发送时为0x55，0xAA；响应时为0xAA，0x55。
[0052] 主控单元采用RS232接口接收故障注入上位机指令，生成故障信号并回传故障运行状态和工作参数。通信协议如下：
[0053] 传输接口：RS232；
[0054] 传输协议：115200bps，8，N，1；
[0055] 包头：每一包数据的第1，2字节，固定为0x55，0xAA；响应包的包头第1，2字节，固定为0xAA，0x55；
[0056] 命令字：每一包数据处理的指令字，表示此包要处理的指令，位于第3字节；
[0057] 长度字：每一包数据的第4，5字节为长度字，只是数据字节的长度，如果当前包中没有数据字时，长度字为0x0000。长度字采用小端字节序，低字节在前，高字节在后；
[0058] 数据字：每一包数据的第6字节开始到校验字前一字节；
[0059] 校验字：每一包数据的最后一个字节，是从开始到数据字结束的XOR结果；
[0060] 命令说明：命令分控制命令和响应命令，控制命令包和响应命令包的包格式结构相同。控制命令为偶数，响应命令为奇数，其值为相应控制命令加1；
[0061] 返回数据成功：当接收到可以正确解析的命令时，返回响应命令。响应命令的命令字为控制命令字加1。
[0062] 返回数据失败：当接收到错误或不可识别的命令时返回：0xAA，0x55，0x0F，0x00，0x00，0xX0R。
[0063] 命令解析：每一个数据包中的前2个字节内容是固定的，发送时为0x55，0xAA；响应时为0xAA，0x55。
[0064] 本实施例的中低频正弦信号的频率故障注入器，其控制指令设计如表1和表2所示：
[0065] 表1峰值、均值、频率测量命令
[0066]
[0067]
[0068] 表2故障频率正弦信号生成命令
[0069]
[0070] 本实施例中的面向中低频正弦信号的频率故障注入器包括持续故障注入、间隔故障注入和扫描故障注入三种工作模式；
[0071] 持续故障注入：持续注入一种故障，直到故障注入上位机发送命令停止故障注入；
[0072] 间隔故障注入：按照
指定的间隔时间和持续时间注入固定参数的故障，完成注入次数后停止故障；
[0073] 步进故障注入：按照指定的起始、终止以及步进量和间隔时间进行故障注入，注入结束后保持最后的注入状态，直到上位机发送命令停止故障注入。
[0074] 本实施例中，选取某LRU1与LRU2之间的正弦信号进行故障注入，如1示，该正弦信号Vpp为1.5V，频率为10kHz，直流偏置为1V，采用频率故障注入器通道4进行故障时的详细操作过程如下：
[0075] 步骤1：断开LRU1与LRU2之间的原始连接(A→B→C→D)，使用故障注入电缆1、2将频率故障注入控制器
串联接入故障注入通路中形成新的连接回路(A→B→IN4→OUT4→D)；
[0076] 步骤2：运行上位机软件，建立故障注入控制器与上位机的通信连接；
[0077] 步骤3：选取故障注入类型，并配置故障注入参数，不同故障注入类型下需要详细配置参数如表3所示。
[0078] 表3参数配置
[0079]
[0080] 步骤4：发送故障注入指令，执行故障注入。
[0081] 步骤5：停止故障注入。
[0082] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种
变形和改进，均应落入本发明
权利要求书确定的保护范围内。
