CN107562969A - 航空发动机控制系统软件的集成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空发动机控制系统软件的集成方法和装置。该方法包括以下步骤：将待集成的控制系统软件运行在虚拟硬件平台上，构成控制器组件；通过接口适配组件将该控制器组件与模型仿真组件连接；在运行监视及注入组件提供软件测试的人机界面，读取测试用例并发送给运行控制组件，读取可调参数并发送给该控制器组件，并且接收该控制系统软件的运行数据；在该运行控制组件控制该控制系统软件的测试过程；在该模型仿真组件模拟被控对象行为特性，为该控制器组件测试提供闭环仿真环境。

Description

航空发动机控制系统软件的集成方法和装置

技术领域

本发明主要涉及航空发动机控制系统软件测试和集成，尤其涉及一种航空发动机控制系统软件的集成方法和装置。

背景技术

当前航空发动机主流控制技术采用数控系统，即全权限数字电子控制(FADEC)，其中控制软件是核心。发动机控制软件在完成控制逻辑模型设计后进行仿真验证，自动生成代码或手工实现控制逻辑代码后，进一步与其他相关代码进行集成，形成可运行的软件，如任务调度、通讯、采集、信号处理、信号输出等。现有技术的控制软件开发过程是：在模型层级进行仿真后，采用与电子控制器外设接口环境相同的硬件设备，构建交叉编译平台，编译连接形成目标码；然后下载到目标环境中运行，进行软件外部接口的调试，之后再到硬件在回路(HIL)闭环环境中进行验证。这种开发方式主要存在如下缺点：

1)模型仿真需要使用建模工具的许可证(license)，在多人协同工作时，购买建模工具license成本高昂；建模工具针对软件调试有关的用例加载、运行控制、数据存储、测试自动化等支持有限，二次开发难度大，需要原厂商技术咨询成本高昂；另外，利用建模工具环境进行模型仿真，对大规模仿真运行也存在仿真速度慢、效率低问题；

2)软件整体集成工作依赖于硬件平台的研制，在硬件平台未到位或者资源不足的情况下，软件整体集成与测试工作无法开展；由于硬件平台研制周期长，在硬件平台到位后再开展软件整体集成，发现问题解决的成本大大增加；

3)模型仿真工作与软硬件集成工作处于割裂的状态，模型仿真用例无法在软硬件集成环节继承，在软硬件集成验证环节仍需全新设计测试用例，造成人力资源的浪费；模型级仿真结果与软硬件集成仿真结果存储形式不一致，为后期数据分析带来额外工作量，使得软件集成成本增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供航空发动机控制系统软件的集成方法和装置，可以不依赖于建模工具和硬件平台。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空发动机控制系统软件的集成方法，包括以下步骤：将待集成的控制系统软件运行在虚拟硬件平台上，构成控制器组件；通过接口适配组件将该控制器组件与模型仿真组件连接；在运行监视及注入组件提供软件测试的人机界面，读取测试用例并发送给运行控制组件，读取可调参数并发送给该控制器组件，并且接收该控制系统软件的运行数据；在该运行控制组件控制该控制系统软件的测试过程；以及在该模型仿真组件模拟被控对象行为特性，为该控制器组件测试提供闭环仿真环境。

在本发明的实施例中，在该运行控制组件控制该控制系统软件的测试过程的步骤包括：用例接收，实现激励接收并判定激励接收的完整性；时间调度，根据用户需求，选择采用对应的时间调度方式；测试控制，判定系统测试类型，判定当前用例执行是否需要重新启动系统；用例解析，将接收到的用例解析；数据管理，保存运行过程中的监控数据；测试结果分析，将实现设计的仿真期望与实际结果进行比对，给出测试结果分析报告。

在本发明的实施例中，该用例包括数据标识、时间调度模式选择标志、测试管理模式选择标志以及数据解析属性，在测试控制时根据该时间调度模式选择标志进行时间调度方式的选择，通过测试管理模式选择标志决定用例执行是否重新启动系统，该数据标识用于实现用例数据与被测系统激励信号的自动匹配，在用例解析时根据该数据解析属性对用例的数据按照一定的波形解析。

在本发明的实施例中，该时间调度方式包括虚拟时间调度和实时操作系统调度。

在本发明的实施例中，允许多个用例拼接以整合该多个用例的功能测试。

在本发明的实施例中，在该接口适配组件提供多种类型的数据交互链路，以将多种控制系统软件的数据统一管理。

在本发明的实施例中，该接口适配组件为每一个数据配置数据属性表，该数据属性包括以下之一或组合：读写通道号、分配存储地址、数据长度、读写状态互斥信号量。

在本发明的实施例中，该控制器组件与该运行监视及注入组件之间通过地检接口连接。

本发明还提出一种航空发动机控制系统软件的集成装置，包括虚拟硬件平台，用于模拟控制器且运行控制系统软件，以构成控制器组件；接口适配组件，用于将该控制器组件与模型仿真组件连接；运行监视及注入组件，用于提供软件测试的人机界面，读取测试用例并发送给运行控制组件，读取可调参数并发送给该控制器组件，并且接收该控制系统软件的运行数据；运行控制组件，用于控制该控制系统软件的测试过程；以及模型仿真组件，用于模拟被控对象行为特性，为该控制器组件测试提供闭环仿真环境。

本发明上述的集成方法和装置，相比已有方法具有以下优点：

1)降低研发风险：本发明提供的软件集成方法，使得软件集成调试与测试工作不依赖于硬件平台，有利于将硬件环境下的软硬件集成测试与验证工作提前到数字化平台，将软件功能与逻辑问题尽早在数字平台发现并解决，缩短变更周期；

2)降低测试成本：本发明提供的软件集成方法，使得软件集成调试与测试工作不依赖于模型设计工具，有利于降低模型设计工具的使用成本，规避建模工具对调试用例加载、运行控制、数据存储、测试自动化等支持有限，以及二次开发难度大，咨询成本高、仿真速度慢、效率低的问题；

3)工作成果的继承：测试用例设计兼顾了软件研制流程中的不同阶段，使得测试用例能够跨阶段复用，减少了测试用例的设计维护与评审等工作；用例中完备的设计属性，降低了测试用例设计的复杂性，为测试工作的开展带来一定的便利；不同阶段的测试结果存储形式一致，降低了数据分析的难度；

4)较高的系统适应性：将数字集成环境中采用数学模拟的组件替换为实际物理部件，就可实现从数字到硬件环境的工作迁移，不对被测软件和不相关部件产生影响；

5)较高的系统拓展性：为外围组件提供了统一的数据管理功能，允许第三方软件(例如多学科仿真或者系统联调)的加入并进行数据交互而不影响其他部件；此外由于测试管理组件允许对数据存储进行配置，提高了系统数据交互效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的航空发动机控制系统软件的集成工具架构图。

图2是根据本发明实施例的航空发动机控制系统软件的集成方法流程图。

图3是本发明的航空发动机控制系统软件的集成工具实例。

图4是根据本发明实施例的航空发动机控制系统软件的测试流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的实施例描述发动机控制系统软件的集成工具。这一集成工具可以对控制系统软件进行全数字的集成仿真，而不依赖于建模工具和硬件平台。

图1是本发明实施例的航空发动机控制系统软件的集成工具架构图。参考图1所示，本实施例的集成工具100可包括运行监视及注入组件110、运行控制组件120、接口适配组件130、模型仿真组件140、以及虚拟硬件平台150，其连接关系如图所示，各组件的细节在后文展开描述。

虚拟硬件平台150模拟控制器硬件且运行待集成的控制系统软件，从而构成软硬件结合的控制器组件151-153。虚拟硬件平台150可模拟一个或多个控制器硬件，这些控制器硬件可以相同或者不同，包括AD/DI采集接口，DA/DO输出接口、总线接口、AD/DA物理单元故障注入接口(例如电路级短路断路故障模拟注入)等硬件IO接口模拟。相应地，每个控制器硬件对应一个控制系统软件。

控制系统软件可分为应用软件与平台软件。平台软件用于模拟控制器运行行为，以软硬件接口封装函数的形式呈现，将与平台相关的接口封装起来供控制系统软件获取激励与控制输出，为控制系统软件在不同平台下都呈现的统一的接口形式。此外还提供控制软件测试桩适用于不同的测试需求(例如不同部件的集成调试)，用户只需要维护测试桩程序即可实现不同部件或者不同仿真阶段的测试而不影响其他部件。

运行监视及注入组件110提供软件测试的人机界面，读取测试用例并通过socket通信发送到运行控制组件120，读取可调参数并通过虚拟串口通讯发送给各控制器组件151-153，并且从各控制器组件151-153通过虚拟串口接收控制系统软件的运行数据并实时显示。

用例可包括数据表头、时间调度模式选择标志、测试管理模式选择标志、数据标识、数据解析属性以及用例数据。数据表头说明该数据的具体物理意义，便于仿真测试人员理解。时间调度模式选择标志用于选择任务调度模式，实现测试用例在数字平台和硬件平台使用的无缝移植，提高平台与用例的适应性。这种方式可提供虚拟定时器、计数器节拍调度、实时操作系统调度方式的选择。测试管理模式选择标志用于确定当前用例执行是否需要重新启动系统，或者在上一次用例执行完毕的状态下不需要重启系统接着执行新用例。这种方式提供了一种特定情况下开展某种仿真测试的手段，例如在发动机运行到慢车后，注入作动机构回路故障测试系统响应等，实现故障的测试和特定工况的测试，实现多个用例的拼接测试，降低测试用例设计难度和复杂度。数据标识是用例数据的唯一性标识，用户只需要挑选出并保留其关注的激励对应列，不需要其余列可删除也可以保持。这种用例设计方式为用户提供了用例元素数量和顺序的配置方式，可适应不同的激励注入以满足不同的仿真测试需求。数据解析属性决定了用例数据每个仿真周期取值方式，决定了某个数据在整个测试用例执行过程中取值为初始值、阶梯状取值或斜坡形取值，通过该属性可减少仿真测试人员编辑用例的成本。用例数据是用户注入到系统中与业务相关的激励信号。

运行监视及注入组件110与各控制器组件151-153是通过地检接口111连接。地检接口111是软件集成的重要手段，主要的目的是便于进行软件集成调测。地检接口111的优势是观察输出结果便利，且干预软件运行便利。在运行监视及注入组件110可根据控制系统软件的运行数据产生实时曲线并呈现在人机界面上供使用者观测。

为保证运行监视及注入组件110在不同平台与不同阶段的仿真测试需求下可以通用，运行监视及注入组件110最好提供一定的配置信息供用户配置。这些配置信息例如是串口通道号、字节大小端选择等。并且运行监视及注入组件110可将与平台相关的功能采用统一的接口封装，接口封装的外部接口与用户界面等在不同调试阶段与调试对象下保持不变，只需要通过配置文件(例如配置串口号，大小端)以及替换运行监视及注入组件外部接口实现形式。

运行控制组件120能进行测试时间调度、用例接收、用例解析、测试控制、数据管理、测试结果分析等测试过程控制。测试时间调度操作是根据用户需求，选择采用具体的调度方式，例如虚拟时间调度、加速仿真调度和实时操作系统调度等。用例接收操作实现激励接收并根据判定激励接收的完整性。用例解析操作按照最小时间节拍将接收到的用例数据进行解析。数据管理操作保存运行过程中的监控数据。测试控制操作可判定系统测试类型，判定当前用例执行是否需要重新启动系统。测试结果分析根据实现设计的仿真期望与实际结果进行比对，给出测试结果分析报告。

运行控制组件120的功能与用例密切相关。如前文所述，用例可包括数据标识、时间调度模式选择标志、测试管理模式选择标志以及数据解析属性。运行控制组件120的测试时间调度操作可根据用例时间调度模式选择标志实现时间调度方式的选择。测试控制操作可通过测试管理模式选择标志决定用例执行是否重新启动系统，实现在特定工况下测试用例注入，增加用例注入时机的灵活性，减少用例设计的复杂性。测试控制操作还通过多个用例拼接实现这些用例的功能整合。通过整合，可以实现复杂功能测试。此外通过用例中的数据标识可实现用例数据与被测系统激励信号的自动匹配。用例解析操作可以根据用例中的数据解析属性对用例按照一定的波形解析，将用例数据以初始值或斜坡或锯齿波形式注入到系统中，这个数据解析属性的设置大大降低了用例设计的复杂性。

接口适配组件130能够提供多种类型的链路，以实现多个控制系统软件的数据统一管理。例如，接口适配组件130可提供AD/DI链路，DA/DO链路、总线链路以及用例注入链路等。接口适配组件130为每一个数据配置数据属性，属性可包括数据ID、数据类型等。由于统一的接口适配组件130，允许第三方软件(例如多学科仿真或者系统联调)的加入而不影响其他组件。例如增加控制器硬件与控制系统软件时不影响其他组件架构，只需要针对新增控制器硬件与软件增补用例数据。这也为多学科仿真时的数据交互提供一种方式。

模型仿真组件140可模拟被控对象行为特性，通过数学建模实现被控对象功能以及系统级故障注入等，为控制器组件151-153测试提供闭环仿真环境。

图2是根据本发明实施例的航空发动机控制系统软件的集成方法流程图。参考图2所示，集成方法包括如下步骤：

在步骤201，将待集成的控制系统软件运行在虚拟硬件平台上，构成控制器组件；

在步骤202，通过接口适配组件将控制器组件与模型仿真组件连接；

在步骤203，在运行监视及注入组件提供软件测试的人机界面，读取测试用例并发送给运行控制组件，读取可调参数并发送给控制器组件，并且接收控制系统软件的运行数据；

在步骤204，在运行控制组件控制该控制系统软件的测试过程；

在步骤205，在模型仿真组件模拟被控对象行为特性，为控制器组件测试提供闭环仿真环境。

图4是根据本发明实施例的航空发动机控制系统软件的测试流程图。参考图4所示，流程包括如下步骤：

在步骤401，进行运行监视配置。

这一步骤是在运行监视及注入组件110选择大小端处理程序等建立地检通讯链路和用例注入链路，并注入测试用例。

在步骤402，进行系统初始化。

具体地说，初始化软件集成环境，建立测试用例注入链路、通讯链接、数据采集与发送链路、缓冲区清零等。

在步骤403，接收测试用例。

在运行控制组件120接收用例，且判定测试用例是否接收完毕，如果接收完毕则测试控制操作根据测试管理属性是否需要重新启动系统后执行新的用例，并选择调度模式。

在步骤404，解析用例。

具体地说，运行控制组件120对收到的用例中的用例数据进行解析，按照用例中的数据标识和接口配置组件130中的配置文件，实现用例数据和接口适配组件130中数据的自动匹配。

在步骤405，执行用例。

模型仿真组件140以及控制器组件151-153通过各自平台的软硬件接口封装程序获取各自所需激励并输出控制到接口适配组件130，激励获取依靠接口适配组件130中的配置文件自动匹配。

在步骤406，分析测试结果。

运行控制组件120将预期结果与实际运行结果进行比对，评估测试过程是否通过，并生成测试结果报告。

图3是本发明的航空发动机控制系统软件的集成工具实例。参考图3所示，本实施例的集成工具采用个人计算机作为运行环境，由运行监视及注入软件310和控制软件集成构型软件320两个独立软件组成。运行监视及注入软件310作为上述的运行监视及注入组件，提供了测试用例注入、可调参数注入、以及测试数据显示与监控的人机界面。运行监视及注入软件310还提供了封装虚拟串口操作接口以实现串口通讯收发功能。运行监视及注入软件310可通过以太网发送用例给控制系统软件集成构型软件320的运行控制组件321。运行监视及注入软件310还提供大小端转换模块以及配置文件，供不同仿真机以及平台配置。

运行控制组件321包括时间调度、用例接收、用例解析、测试控制、数据管理以及测试结果分析操作。时间调度操作通过采用计数节拍或者多媒体定时器模拟时间调度，驱动控制系统软件集成构型软件320中各组件按照节拍运行。用例接收操作通过以太网接受运行监视及注入软件注入的用例，并保存用例数据。用例解析操作按时间调度节拍以及用例的数据解析属性将用例解析并通过数据访问接口函数将解析后用例数据发送到接口适配组件323统一管理。由于不同的测试需求输入的测试用例不同，为每一个用例配备一张保存信息表供用户配置，保存信息表的内容包括元素名称、在测试用例文件中的顺序号。测试控制操作根据用例中的时间调度类型与测试管理属性判定系统测试类型，判定当前用例执行是否需要重新启动系统、判定时间调度模拟方式等。同理，由于不同的测试需求输入的测试用例不同需要观察的测试数据不同，为每一个待保存的数据配备一张测试结果保存信息表供用户配置。测试结果保存信息表的内容包括数据标识、数据命名、存储类型(整型或者浮点型)、是否保存标志。测试结果分析操作实现对测试结果的检索、曲线显示，并根据现有数据与预期期望的比对分析给出测试通过与否的结论、以及测试报告的生成。

接口适配组件323采用数组缓冲区存放来自其他部件的数据，提供数据访问接口函数给其他部件模拟量输入输出链路，离散量输入输出链路、故障注入链路，采用虚拟串口操作接口模拟飞机等通信收发链路等。接口适配组件323中的每一个数据对应一张数据属性表。数据属性表的内容包括读写通道号、分配存储地址、数据长度，此外为避免读写冲突还包括了读写信号量属性。

控制器组件325通过接口适配组件323提供的接口函数实现FPGA模拟，达到模拟量、离散量接口模拟的目的。控制器组件325通过软硬件接口封装程序封装接口适配组件323提供的数据访问接口函数，实现输入信号采集接口，输出接口、故障信息接口等。控制器组件325还通过封装虚拟串口操作接口实现总线收发功能供上层应用软件使用。模型仿真组件324可采用同样的实施方式。

本发明的实施例可用于系统联调或者多学科仿真的部署。在系统联调阶段，往往需要增加其他控制平台与软件以及被控对象(例如接口测试设备及其软件)联调。按照上述工具架构，在增加控制器硬件与控制系统软件时不影响其他部件架构，只需要针对新增控制器与软件增补用例数据、配置测试维护数据即可。在集成工具中新增控制器硬件与控制系统软件需完成如下几步操作：建立新增的控制平台及其控制系统软件与接口适配组件的数据交互关系，并通过接口管理软件配置新增控制平台与软件的输入输出与接收模拟器信号的匹配关系；在测试用例中增加并维护新增平台与软件的输入信号；在测试管理软件中配置待保存的测试数据。

本发明上述实施例的集成方法和装置，相比已有方法具有如下优点：

1)降低研发风险：本发明实施例提供的软件集成工具，有利于将目标环境下的软硬件集成测试与验证工作提前到数字化平台，将软件功能与逻辑问题尽早在数字平台发现并解决，缩短变更周期；

2)降低测试成本：本发明中提到的测试用例设计兼顾了软件研制流程中的不同阶段，使得测试用例能够跨阶段复用，减少了测试用例的设计维护与评审等工作；此外用例中完备的设计属性，降低了测试用例设计的复杂性，为测试工作的开展带来一定的便利；

3)较高的系统适应性：将数字集成环境中采用数学模拟的组件替换为实际物理部件，就可实现从数字到目标的工作迁移，不对被测软件和不相关部件产生影响；

4)较高的系统拓展性：集成工具为外围组件提供了统一的数据管理功能，允许第三方软件(例如多学科仿真或者系统联调)的加入进行数据交互而不影响其他部件；此外由于测试管理软件的设计允许测试数据存储的配置信息，提高系统数据交互效率。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种航空发动机控制系统软件的集成方法，包括以下步骤：

将待集成的控制系统软件运行在虚拟硬件平台上，构成控制器组件；

通过接口适配组件将该控制器组件与模型仿真组件连接；

在运行监视及注入组件提供软件测试的人机界面，读取测试用例并发送给运行控制组件，读取可调参数并发送给该控制器组件，并且接收该控制系统软件的运行数据；

在该运行控制组件控制该控制系统软件的测试过程；

在该模型仿真组件模拟被控对象行为特性，为该控制器组件测试提供闭环仿真环境。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该运行控制组件控制该控制系统软件的测试过程的步骤包括：

用例接收，实现激励接收并判定激励接收的完整性；

时间调度，根据用户需求，选择采用对应的时间调度方式；

测试控制，判定系统测试类型，判定当前用例执行是否需要重新启动系统；

用例解析，将接收到的用例进行波形解析；

数据管理，保存运行过程中的监控数据；

测试结果分析，将实现设计的仿真期望与实际结果进行比对，给出测试结果分析报告。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该用例包括数据标识、时间调度模式选择标志、测试管理模式选择标志以及数据解析属性，在测试控制时根据该时间调度模式选择标志进行时间调度方式的选择，通过测试管理模式选择标志决定用例执行是否重新启动系统，该数据标识用于实现用例数据与被测系统激励信号的自动匹配，在用例解析时根据该数据解析属性对用例的数据按照一定的波形解析。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该时间调度方式包括虚拟时间调度、加速仿真调度、实时操作系统调度。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，允许多个用例的测试拼接，以整合多个用例的功能测试。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该接口适配组件提供多种类型的数据交互链路，以将多种控制系统软件的数据统一管理。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该接口适配组件为每一个数据配备对应的数据属性表，该数据属性包括以下之一或组合：读写通道号、分配存储地址、数据长度、读写状态互斥信号量。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该控制器组件与该运行监视及注入组件之间通过地检接口连接。

9.一种航空发动机控制系统系统软件的集成装置，包括：

虚拟硬件平台，用于模拟控制器且运行控制系统软件，以构成控制器组件；

接口适配组件，用于将该控制器组件与模型仿真组件连接；

运行监视及注入组件，用于提供软件测试的人机界面，读取测试用例并发送给运行控制组件，读取可调参数并发送给该控制器组件，并且接收该控制系统软件的运行数据；

运行控制组件，用于控制该控制系统软件的测试过程；

模型仿真组件，用于模拟被控对象行为特性，为该控制器组件测试提供闭环仿真环境。