CN105204450B - 一种故障注入系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及故障注入系统。本发明的故障注入系统用于对待测模块注入故障信号，它具备：上位机，用于定义故障信号，并且用于对下述的故障注入模块进行注册、设定和控制；以及一个或多个故障注入模块，与所述上位机通信连接，根据所述上位机对故障信息的定义生成故障信号并注入到待测模块，其中，该故障注入模块包括：信号采集模块，用于对来自车身传感器的信号进行采集后输入至下述的MCU；MCU，从所述信号采集模块和所述上位机获取信号，根据从上位机获取的故障信号的定义生成故障信号；高速DA模块，将来自所述MCU的故障信号进行数字模拟转换；以及信号运放模块，将来自所述高速DA模块的信号放大后输入至待测模块。

Description

一种故障注入系统

技术领域

本发明涉及车辆电子系统故障测试领域，更具体地是涉及模拟车辆电子系统故障注入的故障注入系统。

背景技术

目前，车辆所装备的电控系统的功能日益复杂，某些系统(如电子制动控制模块EBCM，电动助力转向系统EPS)的工作状态直接影响到行车的安全性，功能安全国际标准ISO26262应运而生。为了验证ISO26262要求的、车辆电控系统对输入信号的完整性要求，必须测试这些系统对输入信号各种故障的监控、探测和容错能力。

现有的故障注入测试形式多采用阵列继电器，通过继电器对硬线通道的切换将故障信号注入，存在下述缺点：

（1）由于采用继电器进行信号切换，切换过程信号会有短暂的中断，被测电控模块有可能因此而误报错；

（2）在进行数字信号故障注入时，继电器切换不能保证每一个脉冲信号的波形是完整的；

（3）现有方案故障信号是外部输入，信号一般是预先定义，不能在故障注入时实时修改故障特性；

（4）现有技术仅仅针对常见的几种故障模式，如短路和断路等，对于信号频率，幅值和占空比等故障还没有研究；

（5）现有技术可扩展性较差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在提供一种无需硬线切换、扩展性好并且能够模拟各种故障信号的故障注入系统。

本发明的故障注入系统，用于对待测模块注入故障信号，其特征在于，具备：

上位机，用于定义故障信号，并且用于对下述的故障注入模块进行注册、设定和控制；以及

一个或多个故障注入模块，与所述上位机通信连接，根据所述上位机对故障信息的定义生成故障信号并注入到待测模块。

优选地，所述故障注入模块包括：信号采集模块，用于对来自车身传感器的信号进行采集后输入至下述的MCU；MCU，从所述信号采集模块和所述上位机获取信号，根据从上位机获取的故障信号的定义生成故障信号；高速DA模块，将来自所述MCU的故障信号进行数字模拟转换；以及信号运放模块，将来自所述高速DA模块的信号放大后输入至待测模块。

优选地，所述信号采集模块包括：AD模块，用于对来自传感器的模拟信号和数字信号采集幅值；计数器模块，用于对经所述AD模块采集幅值后的数字信号进行计数以获取数字信号的频率以及占空比。

优选地，所述上位机与所述故障注入模块通过CAN总线进行连接。

优选地，所述MCU与所述高速DA模块之间通过SPI总线进行连接。

优选地，所述车身传感器与所述信号采集模块之间通过BNC接头连接，所述故障注入模块与所述待测电控模块之间通过BNC接头连接。

优选地，在进行数字信号故障注入时，所述信号运放模块输入到所述待测电控模块的每一个方波信号都是完整的。

优选地，所述MCU采用双核微处理器构成。

优选地，所述故障注入模块输出0～12V的信号。

优选地，所述故障注入模块通过对比原始输入到所述故障注入模块的原始输入信号与经过所述故障注入模块后的输出信号，仅两者的偏差在规定范围内才执行故障注入。

优选地，无论在有故障注入还是在无故障注入的情况下原始信号都输入至所述故障注入模块。

优选地，所述上位机能够实时控制所述故障注入模块中生成的故障信号的幅度和频率。

利用本发明的故障注入系统，无需外硬线切换，能够根据上位机的设定产生所希望获得的故障信号，能够实现多种故障的注入以及故障的组合注入，而且，能够通过一个上位机控制多个故障注入模块，具有良好的可扩展性。

附图说明

图1是本发明的故障注入系统的构造框图。

图2是本发明的故障注入系统中故障注入模块的外观示意图。

图3是表示多个故障注入模块组合使用时的示意图。

图4是表示本发明的故障注入系统的工作步序图。

图5是表示本发明的故障注入系统中故障注入模块与上位机之间的通信步序图。

11——上位机，

12——CAN通信设备，

13——MCU，

14——高速DA模块，

15——信号运放电路，

16——待测电控模块，

17——信号采集模块，

18——传感器输入信号，

21——信号输入BNC接头，

22——信号输出BNC接头，

23——状态指示灯，

24——CAN通信接口，

25——电源开关，

26——液晶显示屏

31——上位机，

32——故障注入模块0~n，

33——待测电控模块0~m。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

图1是本发明的故障注入系统的构造框图。

下面参照图1对于本发明的故障注入系统进行说明。

本发明的故障注入系统包括：上位机，用于故障信号进行定义，并且用于对下述的故障注入模块进行注册、设定和控制；以及一个或多个故障注入模块，与所述上位机通信连接，根据所述上位机对故障信息的定义生成故障信号并注入到待测模块。故障注入模块的供电电源为车载电源，通过OBD口或点烟器供电。

具体地，如图1所示本发明的故障注入系统包括：上位机11、信号采集模块17、MCU13、高速DA模块14、信号运放电路15，其中，信号采集模块17、MCU13、高速DA模块14、信号运放电路15构成故障注入模块。

具体地，信号采集模块17用于对来自车身传感器18的信号进行采集后输入至MCU13。在图1中作为车身传感器18示例了传感器0、传感器1……传感器n。在本发明中，车身传感器并不属于本发明的故障注入系统的构造部分，而指是车身上的各种传感器。信号采集模块17 具备：AD模块，用于对来自车身传感器的模拟信号和数字信号采集幅值；计数器模块，用于对经所述AD模块采集幅值后的数字信号进行计数以获取数字信号的频率以及占空比。

MCU 13根据从上位机11获取的故障信号的定义生成故障信号。MCU13与上位机11之间通过CAN总线12连接。MCU13优选地可以采用16位双核微处理器。MCU13通过信号采集模块17获取车身传感器的原始信号的特性，通过上位机11定义故障的类型和特性参数，然后向高速DA模块14发出控制指令，控制DA模块14输出故障信号，由于高速DA模块14的最大输出电压为5V，必须经过信号运放电路15放大后再输入至待测电控模块16。

MCU13与高速DA模块14之间通过SPI总线进行连接。车身传感器18与信号采集模块17之间通过BNC（British Naval Connector）接头连接，信号运放电路15与待测电控模块之间通过BNC接头连接。

在本发明中，无论有故障注入还是无故障注入，原始信号都是输入至故障注入模块，在无故障模式下，故障注入模块模拟出一个与原始信号幅值、频率和占空比等特性完全一致的信号输入至待测电控系统，保证待测电控系统在无故障注入情况下可以正常工作，在故障注入模式下，根据所选的故障类型输出相应的故障信号。

在本发明中，故障注入系统在进行故障注入时，不能因故障注入本身而引发新的故障，如由传感器输入信号切换为故障信号时，不能因为信号切换的原因导致被测电控系统报错。在进行数字信号故障注入时，由原始信号切换为故障信号或者由一种故障信号切换为另一种故障信号，输入至待测模块16的方波脉冲信号每一个周期都必须是完整的。在进行模拟量信号故障注入时，由原始信号切换为故障信号或者由一种故障信号切换为另一种故障信号，不可以因为切换造成信号中断。

而且，在本发明中，在利用故障注入模块进行故障注入的过程中，可通过上位机11实时对故障信号进行修改，如实时调节故障信号的幅值和频率等。另外，本发明中，故障注入模块可以模拟的信号故障类型包括在ISO26262道路车辆功能安全标准中定义的信号断路、短地、短电源、信号停滞、信号漂移、信号偏差（幅值、频率、占空比）等等，可用于对最高ASIL D系统的功能安全验证评估。另一方面，在本发明中，故障注入模块可以对比原始输入信号与经故障注入模块后的输出信号，确认偏差后才执行故障注入，以保证模块自身的功能安全水平。

图2是本发明的故障注入系统中故障注入模块的外观示意图。故障注入模块在外观上设置有：信号输入BNC接头21、信号输出BNC接头22、状态指示灯23、CAN通信接口24、电源开关25和液晶显示屏26组成。在正常工作时，故障注入模块通过CAN通信接口24与CAN总线12连接，并保证电源开关25处于ON状态，状态指示灯23常亮，液晶屏26显示故障注入模块的ID，数字信号的频率、占空比或者模拟信号的幅值等特性。

下面，在本发明中，一个上位机可以与多个故障模块连接进行组合使用。图3是表示多个故障注入模块组合使用时的示意图。如图3所示，一个上位机31与多个故障注入模块32分别连接，故障注入模块32与上位机31之间通过CAN总线通信。这样，一个上位机可以连接多个故障注入模块，对每个模块的设置可以通过硬件注册来完成（如下文所述），故障注入模块32的输出信号可以任意分配到待测电控模块的输入端口。

下面将结合具体的应用实例来说明本发明的故障注入系统的工作过程。

图4是表示本发明的故障注入系统的工作步序图。

如图4所示，首先进行故障注入模块注册步骤。故障注入模块在使用之前需要通过上位机进行注册，以方便对多个模块时进行管理。首先将故障注入模块，可以是一个也可以是多个(最多255个)，通过CAN总线连接到上位机，并保证该模块处于上电状态，然后在上位机的“模块注册”部分选择需要注册的模块类型和硬件号，如果选择“模拟量故障注入”类型表示该模块将用于模拟量信号的故障注入，相似地，“数字量故障注入”类型表示该模块将用于数字量信号的故障注入，硬件编号是给当前连接的故障注入模块分配一个ID，该ID可以是0-255之间的任意整数，其中ID注册为0的模块不接受任何故障注入；最后点击“模块注册”按钮，上位机即通过CAN总线将注册信息发向故障注入模块，故障注入模块接收到信号后，修改Flash中对应的注册信息值，同时将模块的模块类型和ID添加到上位机软件中的“故障注入树”中。模块的ID可以不同也可以相同，上位机通过ID识别各个模块并进行相关操作，如果多个模块的ID相同，意为着上位机操作对所有模块均有效。

接着，进行 故障注册步骤。在模块硬件注册之后，所有通道都默认不进行故障注入，所以还要对每个模块的每个通道的故障类型进行注册，首先，在上位机软件“故障注册部分”选择需要进行注册故障的硬件号，然后再选择故障注入通道，进一步选择该通道需要注入的故障类型，接下来，通过故障设置输入框对所选的故障特性进行设定，如幅值、频率、占空比，对于模拟量故障注入模块仅幅值项有效，对于数字量故障注入模块，还可以进一步设置信号的高/低电平幅值；另外，还可以通过自定义选项对故障类型进行自定义，如让信号的幅值以正弦波变化等，自定义后的波形显示在在“自定义波形图表”中；最后点击注册故障按钮，将设定好的故障添加到右边的故障注入树中，完成故障注册，也可以通过删除故障按钮删除已注册的故障，删除后的通道不进行任何故障注入。

接着，进行 故障下载步骤。将已注册的故障注入模块与上位机通过CAN总线连接，并保证故障注入模块处于上电状态，各传感器输入信号连接对应故障注入模块的信号输入BNC接头，模拟量信号接入注册为模拟量故障注入的模块，数字量信号接入注册为数字量故障注入的模块，各个模块的输出BNC接头与待测电控模块对应的输入端口连接，点击上位机中的“故障下载”按钮，上位机通过CAN总线将“故障注入树”中所注册的故障下载到对应的故障注入模块，再点击“故障注入”按钮向各模块发送开始故障注入命令，模块接收到命令后开始进行故障注入。在故障注入过程中，可以通过上位机“故障注入部分”选择模块ID、故障类型和通道，然后修改故障特性参数，故障注入模块会根据用户改动，实时修改故障特性。

此后，进行等待故障注入模块回应步骤。即在通过CAN总线将上述信息发送至故障注入模块后，等待回应，如果故障注入模块没有回应，则显示发送失败并结束，如果有回应，则将从故障注入模块接收的数据与之前发送的数据进行校验，如果两者不同，显示校验失败，发送不进行故障注入命令，如果校验成功，向故障注入模块发送故障注入命令。

图5是表示本发明的故障注入系统中故障注入模块与上位机之间的通信步序图。故障注入模块接收到上位机发送的数据，进行解码，并重新向上位机发送，然后等待回应，如果上位机无回应，不进行故障注入，状态指示灯闪烁，如果上位机回应的指令是不进行故障注入，则不进行故障注入，状态指示灯闪烁，如果回应的指令是进行故障注入，则开始故障注入，并保持状态指示灯常亮。

利用上述本发明的故障注入系统可实现多路故障注入，多路故障可以是分时分别注入，也可以在一定时间范围内全部注入。通过将多个故障注入模块组合使用，能够实现多路故障注入，每一路之间互不影响，每一路所注入的故障类型可以不同。

利用本发明的故障注入系统能够实现的故障模式有：

可实现模拟量信号保持在当前值不变。

可实现模拟量信号保持在设定值不变。

可实现模拟量信号按预先定好的规律变化，故障信号上限不大于12V，下限不小于0V。

可在故障注入过程中通过上位机连续调节模拟量信号幅值，故障信号上限不大于12V，下限不小于0V。

可实现信号(数字量和模拟量)的整体漂移，故障信号上限不大于12V，下限不低于0V，信号的其余特性与原始信号相同。

可实现数字量信号保持当前频率、幅值和占空比不变。

可实现数字量信号的单边漂移，保持方波信号的高电平或者低电平不动，对另一边进行调节，信号的频率、幅值和占空比与原始信号相同，故障信号上限不大于12V，下限不低于0V。

可实现数字量信号的频率调节，频率范围为0～2000Hz，信号的幅值与原始信号相同。

可实现数字量信号的占空比调节，占空比调节范围为0～100%，信号的幅值和频率与原始信号相同。

可通过上位机对故障信号进行预定义，如让模拟量故障信号的幅值和数字量信号的频率以正弦波变化。

可实现信号断路和短路等故障。

可实现对多路通道同时进行故障注入，并且保证多通道故障注入的同步性。

利用本发明的故障注入系统，无需硬线更改，只需通过上位机定义各种故障模式就能够向待测模块提供各种类型的故障注入，具有极好的可移植性和扩展性。

以上例子主要说明了本发明的故障注入系统。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种故障注入系统，用于对待测电控模块注入故障信号，其特征在于，具备：

上位机，用于定义故障信号，并且用于对下述的故障注入模块进行注册、设定和控制；以及

一个或多个故障注入模块，与所述上位机通信连接，根据所述上位机对故障信号的定义生成故障信号并注入到所述待测电控模块，

其中，所述故障注入模块通过对原始输入信号的特征采集、信号重生成、放大、再输出，实现针对数字或模拟信号多种故障模式的注入，对比原始输入到所述故障注入模块的原始输入信号与经过所述故障注入模块后的输出信号，仅两者的偏差在规定范围内才执行故障注入；

其中，无论在有故障注入还是在无故障注入的情况下原始输入信号都输入至所述故障注入模块。

2.如权利要求1所述的故障注入系统，其特征在于，

所述故障注入模块包括：

信号采集模块，用于对来自车身传感器的信号进行采集后输入至下述的MCU；

MCU，从所述信号采集模块和所述上位机获取信号，根据从上位机获取的故障信号的定义生成故障信号；

高速DA模块，将来自所述MCU的故障信号进行数字模拟转换；以及

信号运放模块，将来自所述高速DA模块的信号放大后输入至待测电控模块。

3.如权利要求2所述的故障注入系统，其特征在于，

所述信号采集模块包括：

AD模块，用于对来自传感器的模拟信号和数字信号采集幅值；

计数器模块，用于对经所述AD模块采集幅值后的数字信号进行计数以获取数字信号的频率以及占空比。

4.如权利要求2或3所述的故障注入系统，其特征在于，

所述上位机与所述故障注入模块通过CAN总线进行连接。

5.如权利要求2或3所述的故障注入系统，其特征在于，

所述MCU与所述高速DA模块之间通过SPI总线进行连接。

6.如权利要求2或3所述的故障注入系统，其特征在于，

所述车身传感器与所述信号采集模块之间通过BNC接头连接，

所述故障注入模块与所述待测电控模块之间通过BNC接头连接。

7.如权利要求3所述的故障注入系统，其特征在于，

在进行数字信号故障注入时，所述信号运放模块输入到所述待测电控模块的每一个方波信号都是完整的。

8.如权利要求2或3所述的故障注入系统，其特征在于，

所述MCU采用双核微处理器构成。

9.如权利要求2或3所述的故障注入系统，其特征在于，

所述故障注入模块输出0～12V的信号。

10.如权利要求2或3所述的故障注入系统，其特征在于，

所述上位机能够实时控制所述故障注入模块中生成的故障信号的幅度和频率。