某型AFDX网络交换机测试性分析

来源:用户上传      作者:白杨 贾世伟 何向栋

　　摘   要：AFDX交换机是整个AFDX网络的核心所在，AFDX交换机的产生的故障会导致整个网络的瘫痪、失效。文章针对某型AFDX交换机的测试性设计进行测试性建模，并根据测试性模型形成了该AFDX交换机的测试性设计的基础数据。
　　关键词：机载网络;测试性;AFDX交换机
　　航空电子系统诞生于20世纪70年代，随着航空电子系统的快速发展，机载网络逐渐成了航空电子系统各设备之间数据交换的核心和枢纽。AFDX网络基于以太网，以其低成本、高可靠性、高速率、技术成熟等优势，逐渐发展成熟。
　　AFDX网络的诞生加快了航电系统的综合化发展，基于AFDX网络的机载电子设备组成越来越复杂，导致其测试性设计难度加大，故障诊断过程更加困难，同时，综合保障的费用也会大大提高。因此，测试性设计越来越受到重视。
　　1    AFDX网络交换机测试性设计
　　AFDX交换机采用虚拟链路的概念保证了网络的确定性，是AFDX网络的通信神经中枢[1]，接收来自端系统的数据分组，按照预先配置的虚拟链路将该数据分组转发到相应的输出端口，实现了航空电子子系统之间的数据交换。AFDX交换机包含5个相互作用的功能模块。其中，交换功能为核心功能，内置端系统、配置功能、过滤警管功能和监控功能分别为AFDX交换机的数据交换提供符合A664规范的数据交换规则[2]。
　　文章讨论的AFDX交换机采用FPGA芯片为核心进行搭建，通过逻輯实现数据帧的存储、过滤、管制、调度和转发等功能。模块可以分为控制模块和交换模块。控制模块基于嵌入式PowerPC处理器，搭载存储、调试等外围电路，协同控制和管理整个系统，并为用户提供操作接口。交换模块则采用一片FPGA实现MAC层协议并采用物理层PHY芯片，设计24个交换端口共同实现10/100 Mbps全双工、无阻塞的数据分组交换功能。AFDX交换机设计架构如图1所示。
　　根据AFDX交换机的功能和设计架构，其测试性设计按照机内测试设计和外部测试设计两部分实现，内部测试性设计包括周期BIT、上电BIT和维护BIT;外部测试性设计则采用专用外部测试点进行完整网络拓扑状态的数据监控和检测;另外，从AFDX交换机转发原理及硬件设计框架可以看出，交换机24个端口共用数据转发的缓存，因此，数据转发缓存将是AFDX交换机的一个关键节点，若将数据转发缓存的检测采用机内测试的方式实现，将导致AFDX交换机的交换转发功能失效，因此，需采用外包测试设计对数据转发缓存进行检测，将数据转发缓存作为一个外部测试点进行测试。
　　2    AFDX交换机测试性建模
　　测试性不仅对维修性产生影响，而且对系统效能及全寿命周期费用也有相当大的决定性作用[3]，根据AFDX网络交换机功能模块交互原理、设计架构以及测试性设计，采用北京联合信标测试技术有限公司独立开发的依据IEEE 1232，IEEE 1522标准设计的可测试性分析软件TADS对AFDX交换机进行测试性建模，测试性建模过程包括：FMECA分析、测试性模型建立。
　　2.1  AFDX网络交换机FMECA分析
　　对AFDX交换机实施FMECA分析的目的是找出产品在硬件设计中可能的故障模式、原因及影响，针对原因和影响提出设计更改建议及维修对策，为测试性建模与分析提供必要的输入信息。文章的分析是在对器件级、功能级、LRM级分析的基础上进行，将产品的故障模式及对模块的影响及危害性进行提炼总结。FMECA分析主要从5个方面开展工作：
　　（1）依据AFDX交换机硬件设计框图划分功能层次与结构层次的对应关系，如图2所示。
　　（2）根据AFDX交换机模块功能电路，绘制任务可靠性框图，任务可靠性框图中交换电路、电源电路、时钟电路、处理器电路、离散量电路、通信电路和连接器形成串联关系，并同时与印制板及焊点形成并联关系。
　　（3）根据功能层次与结构层次的对应关系以及可靠性框图，约定AFDX交换机FMECA分析的层次关系，从上到下层次关系如下所示。
　　初始约定层次：AFDX交换机。
　　约定层次2：SRM。
　　约定层次3：交换电路、电源电路、时钟电路、处理器电路、离散量电路、通信电路、连接器形。
　　最低的约定层次：各功能电路中使用的元器件。
　　（4）确定故障的严酷度类别，如下所示。
　　等级Ⅰ：模块严重损坏，完全不能进行任务数据转发，并可能引起主机系统安全的现象。
　　等级Ⅱ：模块严重损坏，不能进行部分任务数据的转发，严重拖延任务的完成。
　　等级Ⅲ：模块中等程度损坏，拖延任务的完成或不能完成部分功能，增加计划外的维修成本。
　　等级Ⅳ：模块轻微损坏，轻度拖延任务的完成或增加计划外的维修成本。
　　（5）按照AFDX交换机模块FMECA分析的约定层次，分别从元器件级、功能电路级和功能级，经过硬件法FMECA分析，归纳出本产品的故障模式清单，如表1所示。
　　2.2  AFDX网络交换机测试性建模
　　AFDX交换机测试性建模过程如下：首先，收集设计资料，包括AFDX交换机的详细设计文档、工作原理、电路图、连接插头定义与可靠性数据;然后准备测试性框图，根据以上收集的设计资料，标识AFDX交换机的输入/输出端口。其次，输入AFDX交换机的属性和信息，包括所有端口、可靠性数据、故障模式、功能，并根据设计文档与FMECA分析结论，输入每个模块的故障模式并且建立故障模式之间的关系。再次，增加连线关系，使用连线表达功能电路之间的相互关系，连线的关系表达了AFDX交换机数据流的流向，以及故障流的流向。最后，为每个端口增加可行的测试点与测试，并且指定测试与功能之间的关系，测试与故障模式之间的关系并执行可测试性分析。 　　3    AFDX交换机测试性建模结论分析
　　根据上述过程建立测试性模型后，进行AFDX交换机的测试性分析，结论如下：
　　（1）周期BIT故障检测率为0.73%。（2）上电BIT故障檢测率为23.82%。（3）维护BIT故障检测率为33.93%。（4）采用内场测试设备测试故障检测率为97.24%。（5）采用内场人工检查故障检测率为98.57%。
　　4    结语
　　文章针对某型AFDX交换机的测试性设计进行了测试性建模，形成了该AFDX交换机的测试性数据，为该AFDX交换机的测试性设计改进提供了理论依据。
　　[参考文献]
　　[1]赵永库，李贞，唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制，2011（12）：3137-3139.
　　[2]NONAME.Aircraft data networkpart 7，avionics full duplex switched ethernet（afdx）network[EB/OL].（2009-12-20）[2020-03-25].http：//www.freestd.us/soft3/936884.htm.
　　[3]邱静.装备测试性建模与设计技术[M].北京：科学出版社，2012.
　　Research on test design technology of AFDX switch
　　Bai Yang， Jia Shiwei， He Xiangdong
　　（Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xi’an  710065， China）
　　Abstract：AFDX switch is the core of the whole AFDX network， and the failure caused by AFDX switch can cause the whole network to be paralyzed and invalid. In this paper， the testability model is built for the testability design of a certain AFDX switch， according to the testability model， forming the basic data of AFDX switch testability design.
　　Key words：airborne network; testability; AFDX switch
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