一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构的制作方法

1.本发明属于机载系统与设备技术领域，具体涉及一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构。


背景技术：

2.目前的航空电子架构已经从联合式航空电子系统向综合化模块化航空电子系统(ima)发展，ima架构打破了联合式子系统自主管理模式，实现了应用功能独立与平台无关。但是ima硬件资源配置多，功能复杂，故障隔离困难，外场维修难度大。越来越复杂的航电系统，对系统健康管理和故障隔离提出了越来越高的要求。同时，ima大量使用外场可更换单元(lru)，使得ima功能模块可以灵活安装，同时也实现了具体功能可随需求灵活变化。为了保障设备的可靠稳定工作，提高外场维护效率，降低外场维修成本，需要一种更为灵活和可靠的健康管理架构。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，通过复用已用功能总线，使用多路冗余总线解决了单can总线ima的故障上报可靠性不足的问题；通过设计弹性架构，解决了ima在使用lru时功能灵活变化时的健康管理需求；通过综合逻辑判故，解决了ima在外场故障时，故障定位和故障隔离困难的问题；为工程师排故和故障预测提供大量可分析数据，并提供故障隔离方法和建议，同时可明显减少维修人力和其他保障资源的投入，降低ima的全寿命周期费用，为新一代具有多个复杂模块的航电系统提供故障隔离及健康管理能力。
4.为了实现上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：
5.一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，所述健康管理架构设置有健康管理系统采集平台、可扩展的故障信息交换架构以及快速故障隔离逻辑；
6.所述健康管理系统采集平台至少包括以传感器为处理中心的传感器健康信息采集平台、以mcu为处理中心的mcu健康信息采集平台、以dsp为处理中心的dsp健康信息采集平台、以cpu为处理中心的cpu健康信息采集平台以及以fpga为处理中心的fpga健康信息采集平台，所述健康管理系统采集平台用于集中收集复杂航电系统的多种健康工作信息；
7.所述可扩展的故障信息交换架构包括由多种总线类型构建的二级故障信息交换网络；所述故障信息交换网络用于分级上报所述健康工作信息；
8.所述快速故障隔离逻辑设置有可直接隔离故障分析方法，还用于通过综合判故逻辑分析判断隔离故障。
9.进一步的，所述健康工作信息信息包括但不仅限于核心处理器状态、存储芯片功能状态、内部总线工作状态、整板二级电压状态以及关键部件健康参数。
10.进一步的，所述健康管理系统采集平台用于监控所述复杂航电系统中nvram读写状态信息、ddr3读写状态信息、flash读写状态信息、温度信息、pcie通信检测、spi通信检
测、复位信号检测以及以太网通信检测。
11.进一步的，所述mcu健康信息采集平台用于监控ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、处理器核电压、处理器io电压、can总线通信、spi总线通信、复位信号电平以及处理器心跳检测。
12.进一步的，所述ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、处理器核电压以及处理器io电压均为二级电压，
13.所述mcu健康信息采集平台对于采集到的二级电压，通过数据分析判断提供二级电压的二级电源工作的状态趋势，为二级电源健康进行估计。
14.为二级电源健康进行估计的方式具体为：对二级电压的电压范围内进行全边缘扫描测试，在输出网络中设计电压调理和交叉开关，再通过高速的a/d采样获得二次电源的幅值状态，通过统计量值，观察二次电源输出的变化情况。
15.进一步的，二级故障信息交换网络包括一级网络以及二级网络；
16.所述一级网络为由fc总线网络和can总线网络组成的模块间信息交换网络；
17.所述二级网络为由包括但不仅限于rs232、spi总线和emif总线构成的模块内信息交换网络；
18.其中：一个所述二级网络构成所述一级网络的单个节点。
19.进一步的，二级网络包括多个健康管理系统采集平台，各所述健康管理系统采集平台的连接方式为：mcu之间通过iic总线相互连接；mcu与dsp、fpga以及cpu通过spi总线连接；fpga通过pcie与cpu相连cpu通过fc总线网络与二级网络外相连；mcu通过can总线和二级网络外相连。
20.进一步的，fc总线网络与can总线网络互为备份网络。
21.所述模块间信息交换网络具备弹性可扩展性，可灵活变更节点数量，可任意更改所连接的硬件数量。
22.进一步的，快速故障隔离逻辑用于将复杂航电系统上多个硬件的故障信息进行综合判断，定位故障来源及故障原因。
23.进一步的，快速故障隔离逻辑将可以直接判定出的故障进行直接隔离；不能直接判定出的故障通过健康管理系统采集平台采集到的信息综合分析判断后进行隔离。
附图说明
24.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
25.图1是本发明实施例提供的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构的示意图；
26.图2是本发明实施例提供的健康信息处理器采集平台；
27.图3是本发明实施例提供的健康信息mcu采集平台；
28.图4是本发明实施例提供的健康信息fpga采集平台；
29.图5是本发明实施例提供的某型战斗机某模块内健康管理网络；
30.图6是本发明实施例提供的模块间健康管理架构示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
32.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
33.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
34.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
35.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
36.在本发明的一个实施例中，提出一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，健康管理架构设置有健康管理系统采集平台、可扩展的故障信息交换架构以及快速故障隔离逻辑；
37.健康管理系统采集平台至少包括以传感器为处理中心的传感器健康信息采集平台、以mcu为处理中心的mcu健康信息采集平台、以dsp为处理中心的dsp健康信息采集平台、以cpu为处理中心的cpu健康信息采集平台以及以fpga为处理中心的fpga健康信息采集平台，健康管理系统采集平台用于集中收集复杂航电系统的多种健康工作信息；
38.可扩展的故障信息交换架构包括由多种总线类型构建的二级故障信息交换网络；故障信息交换网络用于分级上报健康工作信息；
39.快速故障隔离逻辑设置有可直接隔离故障分析方法，还用于通过综合判故逻辑分析判断隔离故障。
40.在本实施例中，健康工作信息信息包括但不仅限于核心处理器状态、存储芯片功能状态、内部总线工作状态、整板二级电压状态以及关键部件健康参数。
41.在本实施例中，健康管理系统采集平台用于监控复杂航电系统中nvram读写状态信息、ddr3读写状态信息、flash读写状态信息、温度信息、pcie通信检测、spi通信检测、复位信号检测以及以太网通信检测。
42.在本实施例中，mcu健康信息采集平台用于监控ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、
处理器核电压、处理器io电压、can总线通信、spi总线通信、复位信号电平以及处理器心跳检测。
43.在本实施例中，ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、处理器核电压以及处理器io电压均为二级电压，
44.mcu健康信息采集平台对于采集到的二级电压，通过数据分析判断提供二级电压的二级电源工作的状态趋势，为二级电源健康进行估计。
45.为二级电源健康进行估计的方式具体为：对二级电压的电压范围内进行全边缘扫描测试，在输出网络中设计电压调理和交叉开关，再通过高速的a/d采样获得二次电源的幅值状态，通过统计量值，观察二次电源输出的变化情况。
46.在本实施例中，二级故障信息交换网络包括一级网络以及二级网络；
47.一级网络为由fc总线网络和can总线网络组成的模块间信息交换网络；
48.二级网络为由包括但不仅限于rs232、spi总线和emif总线构成的模块内信息交换网络；
49.其中：一个二级网络构成一级网络的单个节点。
50.在本实施例中，二级网络包括多个健康管理系统采集平台，各健康管理系统采集平台的连接方式为：mcu之间通过iic总线相互连接；mcu与dsp、fpga以及cpu通过spi总线连接；fpga通过pcie与cpu相连cpu通过fc总线网络与二级网络外相连；mcu通过can总线和二级网络外相连。
51.在本实施例中，fc总线网络与can总线网络互为备份网络。
52.模块间信息交换网络具备弹性可扩展性，可灵活变更节点数量，可任意更改所连接的硬件数量。
53.在本实施例中，快速故障隔离逻辑用于将复杂航电系统上多个硬件的故障信息进行综合判断，定位故障来源及故障原因。
54.在本实施例中，快速故障隔离逻辑将可以直接判定出的故障进行直接隔离；不能直接判定出的故障通过健康管理系统采集平台采集到的信息综合分析判断后进行隔离。
55.参照图1，示出了本实施例的二级健康信息交换系统架构的结构示意图，该健康管理系统包括健康管理系统采集平台、可扩展的故障信息交换架构以及快速故障隔离逻辑；可扩展的故障信息交换架构包括模块内信息上报框架、模块间信息上报框架。其中，一个模块间信息上报框架连接一个或多个模块内信息上报框架。一个模块内信息上报框架包括多个健康管理系统采集平台。具体的，健康管理系统采集平台可由多种不同类型的处理中心构建。如处理器、fpga、mcu、dsp等。
56.图2是本发明实施例提供的处理器健康信息采集平台信息采集示意图。在发明提供的实施例中，处理器健康信息采集平台监控了nvram读写状态信息、ddr3读写状态信息、flash读写状态信息、温度信息、pcie通信检测、spi通信检测、复位信号检测、以太网通信检测等。
57.具体的，其中对于nvram、ddr3、norflash等存储芯片的测试，采用单字节数据读写测试，比较写入和读出的数据是否一致，若不一致，则认为出现故障。
58.具体的，其中对于pcie、rapidio等总线功能的测试，通过读取对应训练状态寄存器中相应的值来判断是否发生故障。
59.具体的，检测信息可根据不同的场景需要，进行灵活选择。可根据需要增加或减少检测信息，或更改测试项目。
60.具体的，在发明本实施例中，不同功能模块根据自身的处理器型号和模块功能，会检测不同的健康信息。图2仅仅描述的是其中一个功能模块。
61.图3是实施例提供的mcu健康信息采集平台信息采集示意图。本发明提供的实施例中，mcu采用hwd32f103mlqfp64。本发明提供的实施例中，mcu健康信息采集平台监控了ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、处理器核电压、处理器io电压等各种二级电压的检测、can总线通信、spi总线通信、复位信号电平、处理器心跳检测等。
62.具体的，检测信息可根据不同的场景需要，进行灵活选择。可根据需要增加或减少检测信息，或更改测试项目。
63.具体的，对于处理器的心跳检测方式，mcu具有spi总线接口，spi总线通过spi转localbus利用fpga资源扩展出心跳寄存器，每个独立的内核在系统上电运行后对心跳寄存器进行维护，并将维护结果存储在对应的地址，由mcu对各核的心跳进行检测，当对应内核的心跳出现异常时，将对应的故障代码通过故障上报路径总线发送给系统控制单元，从而实现对多个多核处理器功能电路的故障监测。
64.具体的，对于复杂二次电源网络中二级电压的定量测试，通过数据采集和数据分析判断二级电源工作的状态趋势，从而为二级电源健康进行估计。具体为，对电压范围内全边缘扫描测试，在输出网络中设计电压调理和交叉开关，再通过高速的a/d采样获得二次电源的幅值状态，通过统计量值，观察二次电源输出的变化情况，由于二次电源的性能退化直至失效一般是渐变性的，通过长时间的数据采样和分析，对二次电源输出电压进行监控。
65.图4是本实施例提供的fpga健康信息采集平台采集示意图。本发明提供的实施例中，fpga健康信息采集平台监控了nvram读写状态信息、flash读写状态信息、时钟信号检测、温度信息、pcie通信检测、spi总线检测、fc通信检测、复位信号检测等。
66.具体的，检测信息可根据不同的场景需要，进行灵活选择。可根据需要增加或减少检测信息，或更改测试项目。
67.具体的，在发明本实施例中，不同功能模块根据自身的fpga型号和模块功能，会检测不同的健康信息。图4仅仅描述的是其中一个功能模块。
68.如图5所示，示出了本发明实施例提供的模块内健康管理架构示意图。功能模块内的mcu之间通过iic总线相互连接。模块内处理器健康信息采集平台通过spi总线与mcu相连。fpga健康信息采集平台通过spi总线与mcu相连。主处理器通过fc总线网络与模块外相连。mcu通过can总线和模块外相连。协议处理芯片通过pcie与处理器相连。
69.具体的，数据经过初步处理和整理后，一方面将信息通过iic总线汇总到基板mcu。另一方面，mcu将信息通过spi总线汇总到核心处理器。通过将数据汇总到多核处理器，一方面故障信息可有多核处理器进一步处理，另一方面是为了在故障发生时数据可以通过不同的通道上报。提高故障上报的可靠性。
70.具体的，在发明本实施例中，不同功能模块根据自身的模块功能，健康管理架构的细节会有不同，检测不同的健康信息。图5仅仅描述的是其中一个功能模块。
71.具体的，如图6所示，示出了本发明实施例提供的模块间健康管理架构示意图。综合核心处理机内，不同模块之间的mcu通过can总线相互连接。不同模块之间的cpu通过fc总
线网络互相连接。模块内mcu通过iic相互连接。
72.具体的，以can总线方式连接的控制单元中有一个发生故障，其他控制单元仍可发送各自的数据，互不影响。理论上，can总线可连接110个节点设备。在实际使用中，可配备2-20个节点。由于can总线的这些优势，基于mcu组成的can网络具有灵活的扩展性。
73.具体的，基板主mcu的健康管理信息和故障信息通过can网络上报系统管理节点mcu。另一方面，将mcu与cpu通过spi总线进行通信，健康管理信息和故障信息也可通过cpu的fc网络上报系统管理节点。增加了健康管理系统的鲁棒性和可靠性。
74.可选的，故障隔离和综合判故逻辑为健康管理数据处理层面。健康管理信息和故障信息的收集为故障隔离与综合判故逻辑提供输入。
75.具体的，一部分故障可根据采集到的信息直接隔离出故障功能模块。例如，flash、nvram、ddr等存储芯片的故障，可根据故障信息直接隔离出模块。一部分故障需要根据多个功能模块采集到的信息进行进一步的分析处理。例如，fc、rapidio、等通信类的故障，需要对采集到了多个功能模块的信息进行综合分析。
76.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，所述健康管理架构设置有健康管理系统采集平台、可扩展的故障信息交换架构以及快速故障隔离逻辑；所述健康管理系统采集平台至少包括以传感器为处理中心的传感器健康信息采集平台、以mcu为处理中心的mcu健康信息采集平台、以dsp为处理中心的dsp健康信息采集平台、以cpu为处理中心的cpu健康信息采集平台以及以fpga为处理中心的fpga健康信息采集平台，所述健康管理系统采集平台用于集中收集复杂航电系统的多种健康工作信息；所述可扩展的故障信息交换架构包括由多种总线类型构建的二级故障信息交换网络；所述故障信息交换网络用于分级上报所述健康工作信息；所述快速故障隔离逻辑设置有可直接隔离故障分析方法，还用于通过综合判故逻辑分析判断隔离故障。2.根据权利要求1所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，所述健康工作信息信息包括但不仅限于核心处理器状态、存储芯片功能状态、内部总线工作状态、整板二级电压状态以及关键部件健康参数。3.根据权利要求2所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，所述健康管理系统采集平台用于监控所述复杂航电系统中nvram读写状态信息、ddr3读写状态信息、flash读写状态信息、温度信息、pcie通信检测、spi通信检测、复位信号检测以及以太网通信检测。4.根据权利要求3所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，所述mcu健康信息采集平台用于监控ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、处理器核电压、处理器io电压、can总线通信、spi总线通信、复位信号电平以及处理器心跳检测。5.根据权利要求4所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，所述ddr_vddq的电压、ddr_vtt的电压、处理器核电压以及处理器io电压均为二级电压，所述mcu健康信息采集平台对于采集到的二级电压，通过数据分析判断提供二级电压的二级电源工作的状态趋势，为二级电源健康进行估计；为二级电源健康进行估计的方式具体为：对二级电压的电压范围内进行全边缘扫描测试，在输出网络中设计电压调理和交叉开关，再通过高速的a/d采样获得二次电源的幅值状态，通过统计量值，观察二次电源输出的变化情况。6.根据权利要求5所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，二级故障信息交换网络包括一级网络以及二级网络；所述一级网络为由fc总线网络和can总线网络组成的模块间信息交换网络；所述二级网络为由包括但不仅限于rs232、spi总线和emif总线构成的模块内信息交换网络；其中：一个所述二级网络构成所述一级网络的单个节点。7.根据权利要求6所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，二级网络包括多个健康管理系统采集平台，各所述健康管理系统采集平台的连接方式为：mcu之间通过iic总线相互连接；mcu与dsp、fpga以及cpu通过spi总线连接；fpga通过pcie与cpu相连cpu通过fc总线网络与二级网络外相连；mcu通过can总线和二级网络外相连。8.根据权利要求7所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，fc总线网络与can总线网络互为备份网络；
所述模块间信息交换网络具备弹性可扩展性，可灵活变更节点数量，可任意更改所连接的硬件数量。9.根据权利要求8所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，快速故障隔离逻辑用于将复杂航电系统上多个硬件的故障信息进行综合判断，定位故障来源及故障原因。10.根据权利要求9所述的面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构，其特征在于，快速故障隔离逻辑将可以直接判定出的故障进行直接隔离；不能直接判定出的故障通过健康管理系统采集平台采集到的信息综合分析判断后进行隔离。

技术总结
本发明属于机载系统与设备技术领域，具体涉及一种面向复杂航电系统的可扩展性健康管理架构。通过复用已用功能总线，使用多路冗余总线解决了单CAN总线IMA的故障上报可靠性不足的问题；通过设计弹性架构，解决了IMA在使用LRU时功能灵活变化时的健康管理需求；通过综合逻辑判故，解决了IMA在外场故障时，故障定位和故障隔离困难的问题；为工程师排故和故障预测提供大量可分析数据，并提供故障隔离方法和建议，同时可明显减少维修人力和其他保障资源的投入，降低IMA的全寿命周期费用，为新一代具有多个复杂模块的航电系统提供故障隔离及健康管理能力。康管理能力。康管理能力。


技术研发人员：张超峰 吴志川 景德胜 赵谦 张光辉 王宇
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所
技术研发日：2022.12.15
技术公布日：2023/9/22