CN115079671A - 一种串联式多总线的故障注入系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种串联式多总线的故障注入系统，包括总线接口A、用户故障类别设置模块、信号调理模块、A/D离散采样模块、FPGA多层级故障注入模块、物理层、D/A转换模块、信号选择输出控制模块、总线接口B和通信总线等，本发明可以实现对多种类型总线进行电气层、数据链路层与协议层三个层级的故障模拟，具体包括延时输出、噪声干扰、波形修改、数据替换等故障操作。本系统使用将软件的人机交互方式与硬件故障注入系统设施相互配合实现的方法，用户从操作界面的软件上进行故障注入方式和参数的设置，硬件层面的故障注入系统对软件层面传来的故障参数进行实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种故障注入系统，具体涉及一种串联式多总线的故障注入系统。
背景技术
随着现代网络信息的发展，总线传输代替点对点传输是目前发展的重点，具有传输效率高、兼顾高速与低速设备、安全性高与便于故障诊断与维修的优点，特别是对于成本和空间而言，总线技术在通信系统中至关重要。各种总线技术诸如1553B、RS422、RS485、以太网与CAN通讯被广泛运用于汽车、铁路运输、自动控制、航空航天、导航、导弹发射、机械工业、机器人技术与医疗等领域。
在工业设计中，对设计产品的可靠性检查是十分重要的，即为通过观察比较系统在出现故障后的状态反应对系统的可靠性做出评价，故障注入实验是按照事先设计的故障模型，人为的在待测系统中引入故障的方法，从而使系统出现错误与失效，从系统对这些故障做出的应对可以检验系统面对失效威胁时的可靠与可控性。
目前总线通信的故障注入，主流的检测系统分为：软件故障注入与硬件故障注入。软件故障注入是指由用户在交互界面上定义故障类型与故障参数，然后由软件通过通信对协议层与数据链路层使用数据篡改与替换来注入指定故障，从软件层面上与故障注入设备交互来注入故障。硬件故障注入，是指通过外接设备内部硬件运作来实现故障注入，即为从电气层来模拟总线传输信息在实际运行过程中发生的故障。两种方法相辅相成，易于实现。
当前，工业与军事设备中含有多种总线类型，在验证设备可靠性时需要同时对多种总线类型进行故障注入测试，而目前的总线故障注入方法大多是针对单一总线的故障注入，而少数的可以实现多总线故障注入的测试方法，其系统实现的功能单一，例如只能实现多总线系统协议层的位翻转操作，且无法实现多层次、多模式的故障注入。目前故障测试系统有两种：并联式总线故障注入系统与串联式总线故障注入系统，其中并联式总线故障注入系统是使用专用的测试接口将故障信息并联叠加(如图1虚线所示)进入总线信息中，只能通过叠加信息的方式来注入故障，不能直接接入系统造成故障，而串联式故障注入系统则是使用通用总线接口来串联进入系统中直接将故障注入到原信息中，因此需要设计一个串联式多总线类型多层级故障注入的测试系统来满足以上需求。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术缺陷，提供一种串联式多总线的故障注入系统, 可以实现对多种类型总线进行电气层、数据链路层与协议层三个层级的故障模拟，其故障注入能满足多种故障测试需求。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种串联式多总线的故障注入系统，包括
总线接口A，将故障注入系统与原总线相连接，为故障注入系统输入的外界接口；
用户故障类别设置模块，为系统与外部交互模块，可由用户设置注入故障类别与故障对应参数；
信号调理模块，信号调理模块将总线传入的信号电压的电压幅值变换成A/D离散采样模块的标准电压；将D/A转换模块的输出电压变换为总线标准电压，传送至信号选择输出控制单元；
A/D离散采样模块，将经信号调理模块的调理后的总线信号进行高速离散采样，将模拟信号转换为数字信号输入至FIFO存储器中。
FPGA多层级故障注入模块，包括电气层故障注入单元、用户故障注入管理单元、数据链路层故障注入单元和协议层故障注入单元，用户故障注入管理单元与用户故障类别设置模块进行交互，将用户要求转换为对FPGA多层级故障注入模块的需求，是FPGA多层级故障注入模块与外部交互的通道，同时也协调FPGA多层级故障注入模块中各模块的输入与输出；电气层故障注入单元、数据链路层故障注入单元和协议层故障注入单元分别用于电气层故障注入、数字链路层故障注入和协议层故障注入；
物理层：为传输数据提供所需要的物理链路创建、维持、拆除操作，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输；
D/A转换模块：将从FIFO存储器中输出的数字信号转换为故障注入后的模拟信号;
信号选择输出控制单元：根据故障注入的层级与方式选择将特定层级的故障输出;
通信总线，连接模块进行信号的单向或双向传输；
总线接口B，将故障注入系统与原总线相连接，为故障注入系统输出的外界接口。
所述电气层故障注入单元包括FIFO存储器、FFT模块、频域波形发生器、增益模块、IFFT模块，所述FFT模块使用傅里叶变换，将FIFO存储器中的时域数据变换为频域数据；所述频域波形发生器根据所需故障注入类别，产生频域波形信号，与原波形叠加后产生理想的故障信号；所述增益模块将输入该模块的数字信号根据用户故障注入管理单元设定的增益倍数进行相应的放大或缩小；所述IFFT模块使用反傅里叶变换，将故障数据注入后的频域数据变换为时域数据。
所述电气层故障注入单元还包括延迟控制单元，用于延迟类故障模拟，将数字信号延迟设定的时间后送入D/A转换模块中。
所述电气层故障注入的故障类型为信号波形偏移故障、信号被噪声干扰故障、波形输出错误故障与信号延迟输出故障。
所述数据链路层故障注入单元将接收到的总线信号通过改变信号报文帧的对应字节电平来注入指定故障，对不同总线的标准信息帧通过改变其标志位、校验位、开始位、结束位和数据长度等来实现对数据链路层的故障注入。
所述数据链路层故障注入的故障类型为数据帧完整性故障、地址位的故障、数据长度的故障、校验字段的故障。
所述协议层故障注入单元将总线接口A输入的总线信号通过数据篡改的操作来修改传入数据的内容，从而完成协议层的故障注入。
所述协议层故障注入的故障类型包括数据内容的篡改故障、数据包丢失的故障。
所述故障注入系统用于1553B、RS422、RS485、CAN通讯类型总线故障注入。
本发明的有益效果：本发明可以实现对多种类型总线进行电气层、数据链路层与协议层三个层级的故障模拟，具体包括延时输出、噪声干扰、波形修改、数据替换等故障操作。本系统使用将软件的人机交互方式与硬件故障注入系统设施相互配合实现的方法，用户从操作界面的软件上进行故障注入方式和参数的设置，硬件层面的故障注入系统对软件层面传来的故障参数进行实现。本故障注入系统通过串联方式接入原总线系统，可直接将故障叠加注入原总线信号中，可以实现电气层、数据链路层与协议层三个层级的故障注入，其中可以通过对输入数据进行频域下的操作实现电气层的故障注入，通过对数据帧的操作实现对数据链路层与协议层的故障注入。从而进行快速而多层级的故障模拟与注入。
附图说明
图1是本发明所用并联式故障注入系统与常见串联式故障注入系统区别的拓扑示意图。
图2本发明串联式多总线的故障注入系统的结构示意图。
图3是电气层故障注入的硬件实现。
图4是电气层三种类别故障注入的频域实现原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于此。
如图2所示，本发明的一种串联式多总线的故障注入系统，包括总线接口A1、用户故障类别设置模块2、信号调理模块3、A/D离散采样模块4、FPGA多层级故障注入模块5、物理层7、D/A转换模块8、信号选择输出控制模块9、总线接口B10和通信总线。
通信总线，连接模块进行信号的单向或双向传输。图2中单向箭头表示总线信号只能单向传输；双向箭头表示该总线信号是可以双向传输，从而实现不同模块之间的交互。
用户故障类别设置模块2，该模块是本系统的用户操作界面，为系统与外部交互模块，可由用户设置注入故障类别与故障对应参数。
信号调理模块3，信号调理模块3将总线传入的信号电压的电压幅值变换成A/D离散采样模块4的标准电压；将D/A转换模块8的输出电压变换为总线标准电压，传送至信号选择输出控制单元。
A/D离散采样模块4，将经信号调理模块3的调理后的总线信号进行高速离散采样，将模拟信号转换为数字信号输入至FIFO存储器中。
FPGA多层级故障注入模块5，包括电气层故障注入单元11、用户故障注入管理单元6、数据链路层故障注入单元12和协议层故障注入单元13，用户故障注入管理单元6与用户故障类别设置模块2进行交互，将用户要求转换为对FPGA多层级故障注入模块5的需求，是FPGA多层级故障注入模块5与外部交互的通道，同时也协调FPGA多层级故障注入模块5中各模块的输入与输出；电气层故障注入单元11、数据链路层故障注入单元12和协议层故障注入单元13分别用于电气层故障注入、数字链路层故障注入和协议层故障注入。所述电气层故障注入单元11包括FIFO存储器14、FFT模块15、频域波形发生器16、增益模块17、IFFT模块18，所述FFT模块15使用傅里叶变换，将FIFO存储器14中的时域数据变换为频域数据；所述频域波形发生器16根据所需故障注入类别，产生频域波形信号，与原波形叠加后产生理想的故障信号；所述增益模块17将输入该模块的数字信号根据用户故障注入管理单元设定的增益倍数进行相应的放大或缩小；所述IFFT模块18使用反傅里叶变换，将故障数据注入后的频域数据变换为时域数据。所述电气层故障注入单元11还包括延迟控制单元19，用于延迟类故障模拟，将数字信号延迟设定的时间后送入D/A转换模块中。
物理层7：为传输数据提供所需要的物理链路创建、维持、拆除操作，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。
D/A转换模块8：将从FIFO存储器14中输出的数字信号转换为故障注入后的模拟信号。
信号选择输出控制模块9：根据故障注入的层级与方式选择将特定层级的故障输出。
总线接口A1和总线接口B10：将本故障注入系统与原总线相连接，为本系统输入与输出的外界接口）。
本发明的故障注入可从三个层级根据用户需求注入故障，分别为：电气层、数据链路层与协议层。三个层级的故障注入通过用户故障注入管理单元6进行交互，以下对三个层级故障注入进行详细说明。
一、电气层故障注入
电气层故障注入方式使用频域波形修改的方式来进行指定故障类型的注入：当用户设置使用电气层进行故障注入时，经由总线传输来的信号首先由信号调理模块3变为FPGA的标准电压幅值，然后由A/D离散采样模块4进行离散采样为模拟信号的数字量，存入FIFO存储器14中，以上为总线信号的采样与波形储存过程。当用户故障注入管理单元6发送指令至频域波形发生器16时，频域波形发生器16产生对应波形送至增益模块17，同时在FIFO存储器14中的时域数字信号经由FFT模块15进行快速傅里叶变换为频域数字信号送入增益模块17，增益模块17的增益由用户故障注入管理单元6控制，经过增益后的总线频域数字信号与增益过的频谱发生器信号相叠加得到理想的故障注入后的信号，该信号再由IFFT模块18进行反傅里叶变换，变换为时域数字信号。若有延迟类故障模拟需求，IFFT模块转换后输出到FIFO存储器中的数字信号可经过延迟控制单元19延迟设定的时间后送入D/A转换模块8中，经由该模块转换为标准电压的模拟信号，然后经信号调理模块3放大或缩小为原信号标准幅值状态，由信号选择输出控制单元进行输出判断后经总线接口B10输出到原总线系统中，这样就完成了电气层的故障注入，输出为指定故障形式的总线信号。
电气层故障注入的故障类型为：信号波形偏移故障、信号被噪声干扰故障、波形输出错误故障与信号延迟输出故障。电气层硬件实现如图3所示，而针对不同类型故障注入的具体实现方式如下：
1、波形信号偏移故障：偏移指信号整体偏离原波形的行为，即在幅值尺度上整体的数值变化同一个数值，在本系统中对总线数据进行偏移的故障注入是基于频域的，在数据采回至FIFO存储器14中，经FFT模块15变换后的频域波形如图4中A中所示，在是频域波形发生器16中产生一如图4A所示的长时脉冲信号的频域波形，波形数据经过增益模块17后与原FIFO存储器14中的总线数据相叠加，产生指定偏移量的总线数据如图4A所示，经过IFFT模块18变换并经判断选择输出后输出到总线出口，于是完成了对总线数据偏移的故障注入方式。
2、信号被噪声干扰故障：可以通过对波形信号进行噪声叠加来模拟该故障，对于总线的信号传输，噪声干扰是非常严重的问题，本系统对于噪声干扰的模拟即为噪声叠加同样也是在频域内实现，数据采回经FFT模块15变换后如图4B所示，用户在外界规定故障类别为噪声干扰时，用户故障注入管理单元6将控制参数输入频域波形发生器16中，其硬件实现如图3所示，则频域波形发生器16产生噪声对应的频谱信息流如图4B中所示，经过合适增益后，与原FIFO储存器中的数据相叠加，即将噪声数据叠加进入原数据中如图4B所示，经过IFFT模块18的反傅里叶变换为噪声叠加后的时域总线信息，经由FIFO存储器14和D/A转换模块8输出，经过总线选择输出控制单元模块判断后输出至总线出口，完成总线数据信号的噪声叠加故障注入。
3、信号波形输出错误故障：是指信号没有按照指定波形输出的故障，可以通过对原波形修改来实现该故障的注入，针对波形修改的故障注入方式，同样在频域中完成，其硬件实现如图3所示，数据采回经FFT模块15变换后如图4C中所示，用户故障注入管理单元6在与用户故障类别设置模块2交互后，将控制信息发送至频域波形发生器16，频域波形发生器16此时产生对应的频谱信息如图4C中所示，同时用户故障注入管理单元6也将信息发送至增益模块17，以此决定两股信息（原总线数据与频谱发生器数据）是否需要经过增益，两股信息流叠加之后如图4C所示，经过IFFT模块18变换后存入FIFO存储器14中，经过D/A转换模块8输出，并由总线选择输出控制单元模块判断后输出至总线出口，完成总线数据信号的波形修改故障注入。
4、信号延迟输出故障：即为信号延迟的行为，这种故障可以主动使采集进入FIFO存储器14中的数据经过指定时长后再进行输出，如图3所示，总线模拟信号经过信号调理并由A/D离散采样模块4高速离散采样为数字信号存入FIFO存储器14中，用户故障注入管理单元6将外界用户的延时需求转换为延迟输出单元的控制参数，根据该系统总线故障模拟装置的时钟频率计算延时时长，当延时时长达到延时故障对应的延时间隔时，延迟控制单元19开始发送延迟后的原数据，经过总线选择输出控制单元模块判断后输出至总线出口，完成总线信号的延迟输出。
二、数据链路层故障注入
数据链路层的故障注入为：来自总线信号输入的信号经由物理层7输出至数据链路层故障注入单元12，通过改变信号报文帧的对应字节电平来注入指定故障，对不同总线的标准信息帧，通过改变其标志位、校验位、开始位、结束位和数据长度等来实现对数据链路层的故障注入。
数据链路层的信息传递是对物理层7传输原始比特流功能的加强，数据在数据链路层中的传播，其数据单元叫做帧，数据帧的组成为标志字段（标记帧的开始和结束）、地址字段、控制字段、信息字段和帧校验字段，故障注入可以发生在封装成帧、传输与差错检验过程。则针对数据链路层的故障种类与其注入方式为：
1、数据帧完整性故障：在总线通信过程中，故障注入发生在数据帧的传输过程中，其中最关键是保证完整数据帧的传输，针对这个问题，可以在检测到完整数据帧后，对其标注字段记进行例如上下拉电平的位翻转操作，致使其丢失标志数据帧开始和结束的标志字段，从而改变数据帧的完整性；也可以改变其同步头，对于1553B总线，其同步头为1.5个位的高位与1.5个位时的低位，可以通过注入故障诸如拉长或拉段其高低位位长，从而实现同步头故障注入，即完成形成不完整数据帧的故障注入。 2、地址位的故障注入：对于完整的数据帧，可以对其地址字段进行数据修改或数据篡改的操作，进而改变数据帧接收与发送的地址，即完成对帧地址的故障注入。
3、数据长度的故障注入：对于完整数据帧的信息字段，可以用户指定发送数据位的长度（多n位或少n位），通过延长或缩短信息字段的长度来改变其信息长度。
4、校验字段的故障注入：对于数据帧中的帧校验字段，同样使用数据修改或数据篡改的手段改变其校验方式，比如对于1553B总线传输，其所有数据帧的校验都是奇校验的方式，可以使用位翻转的方式将数据的校验改为偶校验的方式，此时就注入了针对1553B的校验错误，同时也可以通过将1553B的校验方式替换为RS422的校验方式完成不同总线校验方式的故障注入，从而完成总线数据帧校验方式的故障注入。
三、协议层的故障注入
总线的信息传递是以协议层的信息传递为主，数据链路层保证数据传输的完整性与准确性。协议层的故障注入的实现方式与数据链路层故障注入类似，均采用数据修改或数据篡改的硬件手段来实现。
1、数据内容的篡改故障注入：对于总线的数据位，可以根据需求对其内容进行篡改，通过单独位或者连续位的数据修改或数据篡改以实现人为指定信息的故障注入操作。
2、数据包丢失的故障注入：协议层故障中应该加入数据包丢失的故障种类，总线传输中，信息是以报文的格式发送的，对于一组完整数据，需要n个报文都传达至接收端才能识别其内容，系统可以使其只能发送小于n个的报文送至接收端，于是接收端就不能识别数据内容。这样就完成了数据包丢失的故障注入。
特别的，对于复杂系统其故障包含多层面故障的组合，使用单一电气层、数据链路层或协议层对其进行故障注入难度很大，此时本系统可以同时使用三个层级的故障注入，通过用户故障注入管理单元6对其耦合控制，从而对其进行多层级的测试。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：包括
总线接口A，将故障注入系统与原总线相连接，为故障注入系统输入的外界接口；
用户故障类别设置模块，为系统与外部交互模块，可由用户设置注入故障类别与故障对应参数；
信号调理模块，将总线传入的信号电压的电压幅值变换成A/D离散采样模块的标准电压；将D/A转换模块的输出电压变换为总线标准电压，传送至信号选择输出控制单元；
A/D离散采样模块，将经信号调理模块的调理后的总线信号进行高速离散采样，将模拟信号转换为数字信号输入至FIFO存储器中；
FPGA多层级故障注入模块，包括电气层故障注入单元、用户故障注入管理单元、数据链路层故障注入单元和协议层故障注入单元，用户故障注入管理单元与用户故障类别设置模块进行交互，将用户要求转换为对FPGA多层级故障注入模块的需求，是FPGA多层级故障注入模块与外部交互的通道，同时也协调FPGA多层级故障注入模块中各模块的输入与输出；电气层故障注入单元将A/D离散采样模块输入的数字信号按照设定进行电气层的故障注入；数据链路层故障注入单元将输入的原总线信号按照设定进行数据链路层的故障注入；协议层将输入的原总线信号按照设定进行协议层的故障注入；
物理层：为传输数据提供所需要的物理链路创建、维持、拆除操作，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输；
D/A转换模块：将从FIFO存储器中输出的数字信号转换为故障注入后的模拟信号;
信号选择输出控制单元：根据故障注入的层级与方式选择将特定层级的故障输出;
通信总线，连接模块进行信号的单向或双向传输；
总线接口B，将故障注入系统与原总线相连接，为本系统输出的外界接口。
2.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述电气层故障注入单元包括FIFO存储器、FFT模块、频域波形发生器、增益模块、IFFT模块，所述FFT模块使用傅里叶变换，将FIFO存储器中的时域数据变换为频域数据；所述频域波形发生器根据所需故障注入类别，产生频域波形信号，与原波形叠加后产生理想的故障信号；所述增益模块将输入该模块的数字信号根据用户故障注入管理单元设定的增益倍数进行相应的放大或缩小；所述IFFT模块使用反傅里叶变换，将故障数据注入后的频域数据变换为时域数据。
3.根据权利要求2所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述电气层故障注入单元还包括延迟控制单元，用于延迟类故障模拟，将数字信号延迟设定的时间后送入D/A转换模块中。
4.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述电气层故障注入的故障类型包括信号波形偏移故障、信号被噪声干扰故障、波形输出错误故障与信号延迟输出故障。
5.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述数据链路层故障注入单元将接收到的总线信号通过改变信号报文帧的对应字节电平来注入指定故障，对不同总线的标准信息帧通过改变其标志位、校验位、开始位、结束位和数据长度等来实现对数据链路层的故障注入。
6.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述数据链路层故障注入的故障类型为数据帧完整性故障、地址位的故障、数据长度的故障、校验字段的故障。
7.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述协议层故障注入单元将从总线接口A输入的总线信号通过数据篡改的操作来修改传入数据的内容，从而完成协议层的故障注入。
8.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述协议层故障注入的故障类型包括数据内容的篡改故障、数据包丢失的故障。
9.根据权利要求1所述的一种串联式多总线的故障注入系统，其特征在于：所述故障注入系统用于1553B、RS422、RS485、CAN通讯类型总线故障注入。
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