CN111611114B - 综合航空电子phm系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种综合航空电子PHM系统，旨在提供一种能够减少任务系统定位故障时间，传输效率高的健康管理系统。本发明通过下述技术方实现：N个信号处理模块及系统控制模块，以CAN总线作为健康管理数据传输媒介，组成以系统控制模块为健康数据管理核心，将高速交换网络连接的信号处理模块及系统控制模块组成星型交换网络；系统控制模块通过CAN总线接口对信号处理模块的各种状态值设置门限数量、温度和电压范围值，信号处理模块通过CAN总线与系统控制模块的CAN总线相连来实现健康管理数据传输与模块间业务数据通信分离；一旦监测到状态值超过设定的门限事件，以CAN总线健康管理软件收集的接口上报到系统控制模块。

Description

综合航空电子PHM系统

技术领域

本发明涉及综合化航空电子系统模块的自检、状态、门限和时间管理的综合航空电子健康管理PHM系统。

背景技术

随着大规模数字电路集成芯片技术的发展和高速总线的传输速率不断增加，航空电子系统由多个独立设备向高度综合化集成转变，其软硬件规模愈发庞大，系统集成和调试排故日益复杂，然而现有的综合化航空电子系统模块调试监测手段不够完备，系统运行时的软硬件状态不够完善，故障发生时难以快速定位到故障原因，使得综合化航空电子系统发生故障时排故周期长、可维护性较差。在传统的航空机载电子设备中，设备间的处理器是级联的通信模型，处理器之间通过低速总线互联来传输数据信息，信息之间的传递级数多，共享带宽，独立设备的处理器能力不够造成数据吞吐效率低，导致系统信息响应时间延迟大。

为满足健康管理功能的需要,现代飞机传感器遍布于机体结构及机载系统的各个环节,传感器包含了结构应变、位移、振动、电流、磁场、油压以及气压等类别。传感器布置在最能反应飞机相应参数变化的点上,准确及时地反应飞行器的参数变化。航空电子系统由于数据通信量大、系统部件构成复杂(大量电子器件)及航空机载电子设备日益增多，飞机负担不断增加，各项设备之间的电磁干扰也日益严重，设备出现故障后的诊断难度大为增加，故障原因之间呈现出复杂非线性关系，很难对故障做出准确的判断，给设备的维护、保养、故障排除与诊断带来了极大的困难，近年来健康管理功能的研发进展相对缓慢。

航空电子设备在执行任务时在线更新不同的功能程序，加载不同的功能程序，完成诸如雷达、通信、导航、识别系统特有的电子对抗、数字化语音、实时数据、精确测距、可靠识别等服务，这些功能程序大部分在系统内的信号处理模块内完成，这样，采用相同硬件结构的信号处理模块更新和加载不同的功能程序就能简化系统架构、减少模块数目并减少飞机负担、减少电磁干扰。信号处理模块作为综合化系统中的主要计算单元，是综合化航空电子系统中的重要模块，该模块的健康和程序状态管理在航电系统中具有举足轻重的作用。可以这么说，航电系统的信号处理模块的健康管理和维修保障方式，决定了该航电系统是否能快速定位故障，能否快速修复故障。

故障诊断、故障预测健康管理(PHM)技术是提高系统可用性、维修效率、降低使用成本和降低寿命周期成本的重要手段，已成为未来飞机航空电子系统的一项关键技术和重要目标之一。PHM技术可以在准确的时间对准确的部件进行准确的故障定位和维修，有效提高产品的可用性，减少保障费用；故障诊断与预测是健康管理的核心技术。预测和健康管理(PHM)是指利用尽可能少的传感器采集系统的各类数据信息，借助各种推理算法来估计系统自身的健康状况，在系统故障发生前对其故障能尽早监测且能有效预测之，并结合各种信息资源提供一系列的维修保障措施以实现系统的视情维修。健康管理是根据诊断或预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策。航空电子设备全寿命周期内的故障预测与健康管理(PHM)技术,包括故障检测与健康监测,健康信息处理,故障预测和余寿评估。衡量机载预测健康管理系统的技术指标通常有故障检测率、故障定位率和虚警率。故障检测是健康管理系统能检测出的一般性故障/致命性故障/灾难性故障占所有可识别故障的百分比。故障定位率即故障隔离是健康管理系统能把发生的一般性故障/致命性故障/灾难性故障隔离定位到单元体的百分比。灾难性故障的检测目标是100％。在航空电子系统中,由于其具有较高的复杂性,电子元件数量较多,因此要实施对其的全面监测会比较困难。故障预测技术基于航空电子系统的构造特点决定了对故障诊断的复杂性,系统中元件数量大,种类繁杂,发生事故时的形态及表现都各具不同,故障的不同程度呈现的特点也不易,当元件发生故障时,对于元器件给检测阶段的时间非常短,这也是检测系统的难点之一。由于综合航电产品的结构复杂、种类繁多，且目前对电子系统故障预兆的知识有限，传统的事后维修，避免不了故障风险，较为被动。定期维修，虽有一定的主动性，但其对产品可靠性和运行条件预计不足，难免造成潜在风险(维修周期内出现故障)或额外维修(周期维修时无故障)情况的发生。传统的机内测试(BIT)、离线测试是基于“生病医治”的顺序,这种测试方式本身具有较大的局限性,在测试中虚警率较高会导致安全风险的加大以及维护成本升高等较为显著的问题。早期的独立设备的航电系统，检测系统对于复杂的故障缺乏识别诊断能力，也难以对故障进行比较精确的定位，不能准确地确定故障原因并给出可行的维修处理方法，也不能对故障的发展趋势和装备的健康状况做出比较科学的预测与判断。航电系统离位检查是维修保障工作多采用的方式，它有着直接、针对性强的特点，对有些特殊的、相对独立的机载成品的故障检测现在仍然采用这种方式，但是这种方式存在的缺点也是明显的，即在拆卸和安装过程中容易引起其他部门的损坏，且离位恢复到原装机状态可能有差别，从而影响系统整机的性能。随着综合化航电系统的不断发展，出现了模块的原位检测方法，通过航电系统内各模块的在线仿真、在线上报的方式报告各模块故障及状态，这种原位检测方法克服了离位检查的缺点，不用拆除模块，当航电系统中参与信息交换的设备和模块不太多时，采用这种方法比较可行，但是当综合化航电系统中的模块种类较多、上报接口总类各异，系统控制模块对模块的上报和自检状态很难管理。另一方面，传统的航电系统，由于模块之间没有独立带宽的高速互联总线，信号处理模块之间、信号处理模块和其他模块之间的业务数据通信通道与模块自检和健康状态上报通道共享，系统控制模块接收来自各模块的状态上报信息，记录日志，统计故障，再通过任务系统上报到系统显示控制台，让人员进行分析判断进行下一步决策。受到低速总线带宽的限制，业务数据通信通道占用带宽后，无法保证自检信息上报的及时性；而且各种接口混杂，自检信息混合在正常通信业务数据中，系统控制模块的解析工作复杂，系统效率不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处和综合化航空电子系统信号处理模块监测维护存在的问题，提供一种利于减少模块数量，简化系统架构，为航电系统减重，能够减少任务系统定位故障时间，传输效率高的综合化航空电子系统模块健康管理系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种综合航空电子PHM系统，包括：通过机载高速总线围绕高速交换网络连接的N个信号处理模块及系统控制模块，并且每个信号处理模块内置健康管理的消息信令单元MSU和一个可编程逻辑器件CPLD，其特征在于：N个信号处理模块及系统控制模块，以CAN总线作为健康管理数据传输媒介，组成以系统控制模块为健康数据管理核心，通过RapidIO高速串行总线，将高速交换网络连接的信号处理模块及系统控制模块组成星型交换网络；系统控制模块通过CAN总线接口对信号处理模块的各种状态值设置门限数量、温度和电压范围值，信号处理模块通过CAN总线与系统控制模块的CAN总线相连来实现健康管理数据传输与模块间业务数据通信分离；在系统上电时，启动看门口狗电路，天线及射频前端的数据通路传输到信号处理模块的现场可编程门阵列FPGA上，完成数字下变频、基带预处理；系统控制模块通过CAN总线下发系统时间并同步模块本地时间，将已采集的数据传输到信号处理模块，建立故障模式与参数状态监测之间的映射关系，监测多路FPGA的心跳健康状态；消息信令单元MSU通过各种接口获取本模块的健康管理软件配置项信息，初始化本模块的时钟、物理MARK地址、端口扩展器GPIO中断和定时器，达到工作前的初始状态，一个复杂可编程逻辑器件CPLD控制天线及射频接口数据，形成正常工作与否、决定数据输入是否能得到有效处理的多个信号处理通道；消息信令单元MSU接受来自系统控制模块的电子标签信息查询指令，从本地非易失性存储元件FLASH中读取模块上电次数、模块累计工作时间，通过模块上驻留喂狗电路和多个离散信号接口，监测来自多个FPGA内周期产生的高脉冲信号，当监测到健康状态信息与健康状态阈值发生偏离时，自动生成故障诊断信息,同时以一定置信度提出可能的故障状态或寿命预测，一旦监测到状态值超过设定的门限事件，向系统控制模块告警，并以CAN总线健康管理软件收集的接口上报到系统控制模块。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

利于减少模块数量，简化系统架构。本发明将多个独立功能设备作为一个整体进行设计，在模块级进行高度综合集成，以系统控制模块为管理核心，通过串行高速总线将模块互联成高速交换网络，通过RapidIO高速串行总线将系统内的信号处理模块及其他处理模块组成星型交换网络，同时，信号处理模块及其他模块都具有一条CAN总线与系统控制模块的CAN总线相连，以这样的方法来实现健康管理数据传输与模块间业务数据通信分离；一方面，所有器件的状态，温度电压值、健康管理软件版本、工作时间和电子标签等信息通过消息信令单元MSU、CAN总线健康管理接口的健康管理软件收集并上报到系统控制模块；另一方面，系统控制模块通过CAN总线下发各信号处理模块的当前系统时间、各状态查询等指令。此标准架构可在相同的硬件模块上运行不同的功能程序，而健康管理的接口和实现方法相同，这样，不同的功能程序可根据系统规划，分时部署到同一个信号处理模块上，利于减少模块数量，采用的标准信号处理模块架构，信号处理模块的标准化结构，保证了健康管理方法的通用性简化系统架构，为航电系统减重。为了实现综合化集成航电系统的简化和可扩展性，将航电系统的信号处理类模块标准化，信号处理模块采用相同的硬件架构，这样可以简化接口种类。

减少任务系统定位故障时间。本发明以CAN总线作为健康管理数据传输媒介，模块内部的状态和运行数据被采集后传输到系统控制模块，通过模块健康管理数据传输与功能应用业务数据分离，实现模块管理和功能应用解耦，将高速、高带宽的业务数据通信被限制在以高速串行RapidIO总线为媒介的交换网络中，彼此不影响，这样保证了故障上报和状态收集的及时性，减少了任务系统定位故障时间。

传输效率高。本发明为满足先进综合化航空电子系统下的关键模块——信号处理模块的在线自检、状态跟踪、日志记录和故障上报的需求，在高速串行交换网络的基础上，采用系统控制模块的CAN总线集中管理各模块的健康状态，实现了上报通道与业务数据通信通道分离，独占带宽，上报模块状态的实时与便捷。采用串行高速总线将模块互联成高速交换网络综合化集成的航电系统，所有数据通过高速交换网络实现各模块间独占带宽的点对点通信，系统控制模块也接到高速交换网络上，这样系统控制模块可以对交换网络上的各模块进行高速业务数据通信，数据量大的如图像数据通过此通道通信。信号处理模块的标准接口模型，实现了此模型下的模块初始化、自检和状态信息上报、门限设置及日志记录等模块健康管。通过速率高达3.125Gbps的串行高速总线PCIe或者RapidIO类协议总线，包开销小，传输效率高，这样模块成了网络中的高速计算单元。

健康管理内容全面。本发明模块之间通过高速总线互联实现点对点通信，独占带宽。各模块的状态检测、日志和自检信息上报通过低速的现场总线(如CAN总线)完成。每个模块的CAN总线通过两条主备的CAN总线接入系统控制模块，这样，各模块与系统控制模块的自检通道和高速业务数据通道可分开，系统控制模块可对整个系统进行统一的健康管理，完成系统中所有模块的自检信息、状态检测、日志记录和故障信息的收集，完成模块初始化功能、看门狗功能、模块自检功能、模块状态管理功能、模块门限管理功能、模块时间管理功能。健康管理内容全面，覆盖系统运行各方面，并上报给任务系统，任务系统进一步实现诸如信息挖掘、日志记录和状态显示等人机接口，为系统监控提供详尽参考。同时，系统控制模块还可获得信号处理模块的工作时间等信息，为航电系统的稳定性和可靠性提供参考值。并且健康管理软件可以实现通用性。每个信号处理模块内部有一个驻留健康管理软件的MSU(模块支持单元)，负责本信号处理模块的初始化工作；每个信号处理模块内部还有可编程逻辑处理单元，负责高实时性并行处理类的功能；此外，信号处理模块内部具有通用处理器DSP单元，负责处理协议解析要求高或者算法较复杂的功能。

综上，本发明从航电系统工作流程和系统管理的便捷性方面，提升了系统的状态信息，全面反映了整机的健康状态和工作情况，为在线监测和故障隔离及定位提供了有效支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本发明综合化航空电子系统下综合航空电子PHM系统工作原理示意图。

图2是图1信号处理模块健康管理的对内对外接口模型图。

图3是图1信号处理模块初始化流程图。

图4是图1信号处理模块看门狗流程图。

图5是图1信号处理模块自检流程图。

图6是图1信号处理模块状态管理流程图。

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种综合航空电子PHM系统，包括：通过机载高速总线围绕高速交换网络连接的N个信号处理模块及系统控制模块，并且每个信号处理模块内置健康管理的消息信令单元MSU和一个复杂可编程逻辑器件CPLD，其中：每个信号处理模块有一个负责健康管理的MSU处理单元，1-4个现场可编程门阵列FPGA，1-4个通用数字信号处理DSP和一个负责本模块复位和时钟基准的CPLD。N个信号处理模块及系统控制模块通过高速串行RapidIO总线进行通信，以CAN总线作为健康管理数据传输媒介，组成以系统控制模块为健康数据管理核心，通过RapidIO高速串行总线将高速交换网络连接的信号处理模块及系统控制模块的星型交换网络，系统控制模块通过CAN总线接口对信号处理模块的各种状态值作置门限数量、温度和电压范围值的门限设置，信号处理模块通过CAN总线与系统控制模块的CAN总线相连来实现健康管理数据传输与模块间业务数据通信分离；在系统上电时，启动看门口狗电路，天线及射频前端的数据通路传输到信号处理模块的现场可编程门阵列FPGA上，完成数字下变频、基带预处理，系统控制模块通过CAN总线下发系统时间并同步模块本地时间，将已采集的数据传输到信号处理模块，建立故障模式与参数状态监测之间的映射关系，监测多路FPGA的心跳健康状态；消息信令单元MSU通过各种接口获取本模块的健康管理软件配置项信息，初始化本模块的时钟、物理MARK地址、端口扩展器GPIO中断和定时器，达到工作前的初始状态，一个复杂可编程逻辑器件CPLD接收来自天线及射频接口数据，形成正常工作与否、决定数据输入是否能得到有效处理的多个信号处理通道；消息信令单元MSU接受来自系统控制模块的电子标签信息查询指令，从本地非易失性存储元件FLASH中读取模块上电次数、模块累计工作时间，通过上驻留喂狗电路的多个离散信号接口监测来自多个可编程逻辑器件内周期产生的高脉冲信号，当监测到健康状态信息与健康状态阈值发生偏离时，自动生成故障诊断信息,同时以一定置信度提出可能的故障状态或寿命预测，一旦监测到状态值超过设定的门限事件，向系统控制模块告警，通过CAN总线健康管理软件收集的接口上报到系统控制模块。

在信号处理模块内部有消息信令单元MSU，该单元初始化本模块的时钟、确认网络模块的物理地址MARK、定义网络设备的位置、端口扩展器GPIO中断和定时器，在系统上电时使信号处理模块达到工作前的初始状态。信号处理模块内部的多个可编程逻辑器件接收来自天线及射频接口数据，形成多个信号处理通道，它们的正常工作与否决定数据输入是否能得到有效处理。当消息信令单元MSU上驻留喂狗电路通过多个离散信号接口监测到来自多个可编程逻辑器件内周期产生的高脉冲信号时，消息信令单元MSU判定可编程逻辑器件工作正常；当高脉冲信号不能被监测时，说明可编程逻辑器件停止工作，消息信令单元MSU通过CAN总线向系统控制模块汇报。消息信令单元MSU还对信号处理模块上所有器件进行自检，自检内容包括：可编程逻辑器件温度、DSP器件温度、本模块电压值、CAN总线状态，主要对内对外接口状态、MSU日志存储器状态等，自检结果收集后，消息信令单元MSU通过CAN总线汇报给系统控制模块，另外，MSU还接受来自系统控制模块的电子标签信息查询指令，MSU通过信号处理模块内部的各种接口获取本模块的健康管理软件配置项信息、网上每一个站点的标识符、生产厂家和标牌信息等。系统控制模块还可以通过CAN总线接口对信号处理模块的各种状态值作门限设置，包括设置门限数量、温度和电压范围值等，当实际工作时，状态值比如电压和温度超过设定的门限，消息信令单元MSU监测到此超过门限的事件，则消息信令单元MSU会向系统控制模块告警。系统控制模块也可通过CAN总线下发系统时间并同步模块本地时间，最后消息信令单元MSU可以从本地FLASH中读取模块上电次数、模块累计工作时间。

从航电系统的工作流程来看，航电系统上电后，各模块应先初始化并自检，初始化信号处理模块内部的时钟电路、复位电路、中断电路等，使主要器件准备接收天线及射频前端的有效数据，然后，天线及射频前端的数据通路传输到信号处理模块的现场可编程门阵列FPGA上，完成诸如数字下变频、基带预处理等工作，此时看门口狗电路的启动，有效监测多路FPGA的心跳健康状态，保证该数据通路；监控内容包括初始化、上电各器件状态自检、硬件信息设置、电子标签设置和查询、故障日志查询和删除、温度电压的门限设置和查询、上电次数处理、工作时间管理、系统时间下发及本地时间同步。数据在信号处理模块的现场可编程门阵列FPGA完成基带数字处理后，可通过本地总线将需要进行电子对抗、数字化语音、精确测距、目标识别等复杂算法处理的数据传输到信号处理模块的通用处理器DSP上实现，复杂算法处理完成后再通过信号处理模块的对外高速RapidIO串行总线与其他模块进行数据通信。在这过程中，系统控制模块可随时查询信号处理模块内部各器件的状态、模块的电子标签、设置温度和电压的门限值。对某一器件的异常情况，比如器件散热不好导致温度超过设定的门限值，会通过CAN总线统一向系统控制模块上报故障并记录日志。

信号处理模块的健康管理包括：各单元的初始化，可编程逻辑处理单元看门狗检测，模块各单元的加电自检、启动自检、自检结果回传处理和自检结果的上报系统控制模块，还包含模块的硬件信息设置、电子标签查询处理、故障日志信息查询处理和故障日志信息删除，接受来自系统控制模块的门限值的下发和结果返回，该门限值包括模块内部主要合理电压值、各单元合理的温度值，当信号处理模块在线运行时，温度和电压值超过了设置的预定值，则会向系统控制模块进行告警。另外，健康管理还应包括信号处理模块的上电次数统计、累计工作时间统计、单次工作时间统计、系统时间下发和本地时间的同步等，这些都作为信号处理模块的重要工作日志上报到系统控制模块，系统控制模块可继续上报任务系统，为系统决策提供参考。

根据本发明，以系统控制模块为管理核心，通过RapidIO高速串行总线将系统内的信号处理模块及数据处理模块组成星型交换网络进行业务数据通信。系统控制模块是RapidIO网络的主节点，又是各信号处理模块健康管理的控制中心，以单独有2条互为备份的CAN总线与信号处理模块及数据处理模块的CAN总线相连，进行健康管理，通过配置交换网络的路由，进入RapidIO高速数据交换网络的路由开关进行数据分发，将天线及射频前端的数据通路传输到信号处理模块，同时，通过接口模块得到的其它数据处理模块的状态信息，可通过以太网接口传输到任务系统，任务系统经显示控制等人机接口供操作者决策。

状态信息包含模块初始化、看门狗、模块上电自检、周期自检、电子标签信息、门限设置、工作时间等涉及航电系统运行的电源、标识、日志、可靠性等各方面。信号处理模块包含初始化、看门狗、自检、模块状态管理、模块门限管理和模块时间管理的健康管理软件。

CAN总线网路设计。由于综合航电系统规模比较大，内部模块数比较多，在航电系统设计中，既要确保健康控制管理通道的可靠性，又要保证每个信号处理模块有自己唯一的物理地址MARK便于系统控制模块区分。所以在本实施例中，系统控制模块采用两条互为备份的CAN总线网络AB，两条CAN总线AB与所有模块的两条CAN总线AB分别连接，当CAN总线A失效时，自动启用CAN总线B，提升健康管理通道的可靠性。

看门狗心跳监测。信号处理模块内部的多通道可编程逻辑器件内部设置周期为1秒的心跳信号，在消息信令单元MSU驻留喂狗电路周期判定可编程逻辑器件是否存活，是否正常工作，监测方式是：模块上电复位时钟稳定后，开始计时，每1秒检测一次心跳信号，连续两次未检测到心跳则健康管理软件复位，若健康管理软件复位后仍然不能检测到心跳则向系统控制模块报告故障。

信号处理模块的生产厂家，基本硬件指标等关键信息是通过系统控制模块接口模块的CAN总线下发到信号处理模块的消息信令单元MSU，消息信令单元MSU判定是需要存储的关键信息后，再将此信息存储到消息信令单元MSU的非易失性储存元件FLASH上，此后在航电系统工作中，系统控制模块可随时查询这些信息。

门限设置和告警。信号处理模块在系统中工作时,一些主要器件的温度、电压值按照电路的设计是有合理范围区间的，所以当综合航电系统上电时，系统控制模块可通过CAN总线对所有信号处理模块下发门限设置指令，对MSU监测的电压值(消息信令单元MSU有1-11个电压监测点)、信号处理模块内FPGA各通道温度值、DSP各通道温度值进行阈值设置，当信号处理模块在线工作中，如果电压、温度值超过了门限的设置值，消息信令单元MSU的健康管理软件会组织报文向系统控制模块告警。

在航电系统工作时，信号处理模块的累计正常工作时间是衡量该模块乃至整个系统可靠性的重要指标，通过信号处理模块的消息信令单元MSU在本模块内部的FLASH记录上电次数、累计工作时间值，系统控制模块可以方便的查询这些值；另外，还可以通过系统控制模块下发当前系统时间给各信号处理模块，对于全球定位系统GPS及测距等某些需要同步时间的授时算法具有重要意义。

参阅图2。信号处理模块包括：一个消息信令单元MSU、通过离散接口对应连接数字信号处理器DSP2835的1-4个现场可编程门阵列FPGA，通过RapidIO高速串行总线连接高速交换网络的四个通用数字信号处理器DSP6455和一个经LocalBus总线与四个通道的通用处理器DSP6455相连的复杂可编程逻辑器件CPLD，并组成健康管理的对内对外接口模型，其中，消息信令单元MSU是由内置驻留健康管理软件客户端的数字信号处理器DSP28235及外围电路构成的。驻留健康管理软件客户端通过两路CAN总线与系统控制模块的健康管理软件主机端进行通讯，健康管理软件主机端通过RapidIO高速串行总线连接高速交换网络。1-4个FPGA四通道接收天线及射频数据，通过离散接口发送心跳信号给消息信令单元MSU；复杂可编程逻辑器件CPLD提供信号处理模块的复位时钟，DSP6455四通道的一路高速RapidIO总线接入高速交换网络与系统控制模块的RapidIO通信，完成复杂算法的信号处理，消息信令单元MSU通过访问CPLD获取DSP6455的状态信息，通过离散接口实现看门狗功能，获取消息信令单元MSU本模块工作电压、工作温度和工作时间。

消息信令单元MSU带有可记录模块生产厂家，基本硬件指标等信息的FLASH，也可获取本模块的物理MARK地址。所有这些信息可通过消息信令单元MSU的CAN接口上报给系统控制模块，系统控制模块也随时可通过CAN接口查询这些信息。

参阅图3。信号处理模块首先初始化消息信令单元MSU的工作时钟，将消息信令单元MSU的输入时钟25MHZ倍频到150MHZ工作时钟，并初始化GPIO中断，设置消息信令单元MSU与控制CPLD接收数据中断，这样当有信息通过CPLD的localBus发送到消息信令单元MSU时，可用此GPIO中断通知MSU获取信息。同时，消息信令单元MSU用8位模块编码识别信号用于识别信号处理模块在航电系统中的插槽编码，为信号处理模块的唯一物理地址MARK，在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链路层则负责MAC地址。消息信令单元MSU设置航电系统中信号处理模块的8位插槽编码，编码信号“开”状态表示1，“地”状态表示0，根据编码识别信息获得MARK地址并设置MARK地址寄存器和定时寄存器，为填充上报系统控制模块的报文字段做准备。消息信令单元MSU获取本模块唯一的槽位编码信息后，在任何上报给系统控制模块的健康管理报文中，定义网络设备的位置，填入此物理地址MARK字段，编制上唯一的标识符、扩展标识符(唯一性)，MAC地址负责表示计算机的数据链路层地址，数据链路层设备(如交换机)根据MAC地址来进行操作。IP和MAC地址这种映射关系由ARP(AddressResolution Protocol，地址解析协议)协议完成。这样系统控制模块就可以区分该报文是来自于信号处理模块，便于故障定位和状态查询。

参阅图4。消息信令单元MSU监测四通道的现场可编程门阵列FPGA是否正常工作的方式是采用看门狗完成的。消息信令单元MSU的健康管理软件客户端开启看门狗功能，开启看门狗后，1-4个FPGA通过四通道不断产生周期脉冲，通过离散接口输入消息信令单元MSU，看门狗喂狗每500ms监测一次心跳信号，如果连续两次未检测到心跳信号，就通过复位管脚对四通道FPGA进行复位，复位后如果仍然不能恢复周期脉冲信号，则健康管理软件客户端组织报文通过CAN总线向系统控制模块报故障，并关闭关门狗。

参阅图5。消息信令单元MSU通过LocalBus连接CPLD，CPLD也通过LocalBus连接通用数字处理器DSP。信号处理模块通过加电自检完成周期自检、启动自检、自检结果回传处理和自检结果上报控制。信号处理模块一上电就开始对模块内各器件进行自检，在加电自检完成后，自动转入周期自检状态，以10s为周期进行周期自检，内容与加电自检相同，周期自检后更新本地内存存储的自检结果。

自检方法如下：消息信令单元MSU分别通过CAN总线A接口和CAN总线B接口收发数据一次，收发均正常，则判定总线正常，否则故障；消息信令单元MSU通过LocalBus经CPLD分别给四个通用数字处理器DSP发送BIT请求指令，定时10ms，通过CPLD的信号处理通道将自检结果存储于寄存器FLASH。对DSP28235存储器FLASH自检时，写入数据，然后从寄存器读取包括信号处理通道1～4DSP芯片、RapidIO通信端口、DSP的FLASH、DSP的DDR2等状态参数的自检结果，依次获取四个通道的FPGA和DSP温度值，并分别判定温度值是否为正常或告警或故障，比较读出数据，如果相等，判定FLASH存储器正常，否则为故障；依次获取MSU监测电压值1～11，并分别判定电压是否为正常或故障告警，若读取自检结果失败，则存储故障日志。

消息信令单元MSU对CPLD接口自检时，写入数据，然后对读出数据进行比较，如果相等，则接口正常，否则为故障；在信号处理模块收到系统控制模块自检指令时，会校验消息ID、长度和参数合法性，若判断不合法时，仅回传总线响应，若合法则组帧通过CAN总线上报系统控制模块自检内容，系统控制模块下发自检结果上报控制开关打开或关闭周期自检。

参阅图6。在系统工作开始时，信号处理模块上的消息信令单元MSU健康管理软件客户端收到来自于系统控制模块健康管理软件主机端的硬件信息设置指令，校验消息ID、长度合法性，判断未通过时，不存储信息；通过则校验生产厂家和标牌信息内容合法性，非法不存储信息，合法则将这两项信息写入FLASH中。

在综合航电系统工作过程中，信号处理模块进行硬件信息设置、电子标签信息查询处理、故障日志信息查询处理和故障日志信息删除，消息信令单元MSU接收到系统控制模块的电子标签信息查询指令，在指令合法的条件下，通过本地总线LocalBus从四个DSP处理通道发送健康管理软件配置项查询，定时10ms从CPLD的“健康管理软件配置项信息”寄存器读取配置项信息，所有电子标签信息回传结果组帧后通过CAN总线上报给系统控制模块。

信息分别包括信号处理4个通道每个通道的配置项信息，即处理器编号、配置项编号、程序文件编号、健康管理软件版本号、健康管理软件固化时间和编译时间，获取生产厂家和标牌信息、模块上电次数、累计工作时间等信息都从FLASH上得到。

在综合航电系统工作时，系统控制模块对各模块进行门限管理的门限设置，下发门限设置作为模块温度、电压自检判决门限。消息信令单元MSU收到来自系统控制模块门限设置指令，校验合法性后将门限信息存入本地，获得门限信息存储结果，组帧门限信息设置结果通过CAN总线上报给系统控制模块。门限信息包括设置门限数量，MSU监测电压值1～11，FPGA1～4和DSP1～4的温度告警上下限以及故障上下限信息，系统控制模块可以通过查询指令读取这些门限值。

系统控制模块具有统一的系统当前时间。各信号处理模块健康管理软件客户端通过CAN总线收到带有当前时间的帧数据信息，进行系统时间合法性校验合格后，本地存储并通过4个通道的LocalBus总线发送给DSP，实现时间分发的功能，每个DSP收到时间信息后，进行系统时间合法性校验，若合法则更新本地时间为获取到的系统时间。

模块时间管理包括模块上电次数处理、模块累计工作时间处理、模块本次工作时间处理和系统时间下发处理。航电系统的可靠性跟系统中各信号处理模块的上电次数、累计正常工作时间有关，某些特殊算法需要系统下发统一的当前时间，完成时间同步。在航电系统上电时，消息信令单元MSU从FLASH中获取模块上电次数值，初始值为0，每上一次电在初始值基础上加1；模块累计工作时间值增加600秒生成新的累计工作时间，信号处理模块每10分钟更新一次累计工作时间，累计工作时间范围为：0x00000000～0xFFFFFFFF，单位为秒，并存储到本模块的FLASH中。系统控制模块可通过指令获取模块上电次数、模块本次上电后工作时间和模块出厂后累计工作总时间。

以上所述仅是综合化航空电子系统下的信号处理模块健康管理实现的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种综合航空电子PHM系统，包括：通过机载高速总线围绕高速交换网络连接的N个信号处理模块及系统控制模块，并且每个信号处理模块内置健康管理的消息信令单元MSU和一个复杂可编程逻辑器件CPLD，其特征在于：N个信号处理模块及系统控制模块，以CAN总线作为健康管理数据传输媒介，组成以系统控制模块为健康数据管理核心，通过RapidIO高速串行总线，将高速交换网络连接的信号处理模块及系统控制模块组成星型交换网络；系统控制模块通过CAN总线接口对信号处理模块的各种状态值设置门限数量、温度和电压范围值，信号处理模块通过CAN总线与系统控制模块的CAN总线相连来实现健康管理数据传输与模块间业务数据通信分离；在系统上电时，启动看门口狗电路，天线及射频前端的数据通路传输到信号处理模块的现场可编程门阵列FPGA上，完成数字下变频、基带预处理；系统控制模块通过CAN总线下发系统时间并同步模块本地时间，将已采集的数据传输到信号处理模块，建立故障模式与参数状态监测之间的映射关系，监测多路FPGA的心跳健康状态；消息信令单元MSU通过各种接口获取本模块的健康管理软件配置项信息，初始化本模块的时钟、物理MARK地址、端口扩展器GPIO中断和定时器，达到工作前的初始状态，一个复杂可编程逻辑器件CPLD控制天线及射频接口数据，形成正常工作与否、决定数据输入是否能得到有效处理的多个信号处理通道；消息信令单元MSU接受来自系统控制模块的电子标签信息查询指令，从本地非易失性存储元件FLASH中读取模块上电次数、模块累计工作时间，通过模块上驻留喂狗电路和多个离散信号接口，监测来自多个FPGA内周期产生的高脉冲信号，当监测到健康状态信息与健康状态阈值发生偏离时，自动生成故障诊断信息,同时以一定置信度提出可能的故障状态或寿命预测，一旦监测到状态值超过设定的门限事件，向系统控制模块告警，并以CAN总线健康管理软件收集的接口上报到系统控制模块。

2.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：消息信令单元MSU初始化本模块的时钟、确认网络模块的物理地址MARK、定义网络设备的位置、端口扩展器GPIO中断和定时器，在系统上电时使信号处理模块达到工作前的初始状态。

3.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：信号处理模块内部的多个可编程逻辑器件接收来自天线及射频接口数据，形成多个信号处理通道，当消息信令单元MSU上驻留喂狗电路通过多个离散信号接口，测到来自多个可编程逻辑器件内周期产生的高脉冲信号时，消息信令单元MSU判定现场可编程门阵列FPGA工作正常；当高脉冲信号不能被监测时，判定FPGA停止工作，通过CAN总线向系统控制模块汇报。

4.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：现场可编程门阵列FPGA完成基带数字处理后，通过本地总线将处理的数据传输到通用数字处理器DSP上，再通过对外高速RapidIO串行总线与其它模块进行数据通信，系统控制模块在这过程中随时查询信号处理模块内部各器件的状态、模块的电子标签、设置温度和电压的门限值。

5.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：系统控制模块是RapidIO网络的主节点，又是各信号处理模块健康管理的控制中心，以单独有2条互为备份的CAN总线与信号处理模块及数据处理模块的CAN总线相连，进行健康管理，通过配置交换网络的路由，进入RapidIO高速数据交换网络的路由开关进行数据分发，将天线及射频前端的数据通路传输到信号处理模块，同时，通过接口模块得到的其它数据处理模块的状态信息，通过以太网接口传输到任务系统，任务系统经显示控制人机接口供操作者决策。

6.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：系统控制模块采用两条互为备份的CAN总线AB，两条CAN总线AB与所有模块的两条CAN总线AB分别连接，当CAN总线A失效时，自动启用CAN总线B，提升健康管理通道的可靠性。

7.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：信号处理模块包括：一个消息信令单元MSU、通过离散接口对应连接数字信号处理器DSP2835的1-4个现场可编程门阵列FPGA，通过RapidIO高速串行总线连接高速交换网络的1-4个通用数字信号处理器DSP6455和一个经LocalBus总线与1-4个通道的通用处理器DSP6455相连的复杂可编程逻辑器件CPLD，并组成健康管理的对内对外接口模型。

8.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：消息信令单元MSU是由内置驻留健康管理软件客户端的数字信号处理器DSP28235及外围电路构成的；驻留健康管理软件客户端通过两路CAN总线与系统控制模块的健康管理软件主机端进行通讯，健康管理软件主机端通过RapidIO高速串行总线连接高速交换网络；1-4个FPGA分别通过四通道接收天线及射频数据，通过离散接口发送心跳信号给消息信令单元MSU；复杂可编程逻辑器件CPLD提供信号处理模块的复位时钟，DSP6455四通道的一路高速RapidIO总线接入高速交换网络与系统控制模块通信。

9.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：信号处理模块首先初始化消息信令单元MSU的工作时钟，将消息信令单元MSU的输入时钟25MHZ倍频到150MHZ工作时钟，并初始化端口扩展器GPIO中断，设置消息信令单元MSU与控制CPLD接收数据中断，这样当有信息通过CPLD的localBus发送到消息信令单元MSU时，用此端口扩展器GPIO中断通知息信令单元MSU获取信息。

10.如权利要求1所述的综合航空电子PHM系统，其特征在于：消息信令单元MSU的健康管理软件客户端开启看门狗功能，开启看门狗后，1-4个FPGA分别通过四通道不断产生周期脉冲，通过离散接口输入消息信令单元MSU，看门狗喂狗每500ms监测一次心跳信号，如果连续两次未检测到心跳信号，就通过复位管脚对四通道FPGA进行复位，复位后如果仍然不能恢复周期脉冲信号，则健康管理软件客户端组织报文，过CAN总线向系统控制模块报故障，并关闭关门狗。

Images