CN214729788U - 一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，包括RS422通讯单元、FPGA主控单元、继电器驱动电路和灯板；RS422通讯单元、FPGA主控单元、继电器驱动电路集成在PCB整板上。RS422通讯单元包括第一DB连接器和通讯芯片，FPGA主控单元包括相连接的FPGA主控芯片和电平转换芯片，继电器驱动电路包括相连接的NMOS管电路和继电器。本实用新型采用多类型故障注入模式集成形式，采用上位机加硬件板卡的模式实现，通过RS422接口进行数据通信，数据通道选择和控制由上位机进行，由串口实时下发响应，能够实时控制各通道故障注入；本实用新型的硬件实现简单，成本较低且可控。

Description

一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备

技术领域

本实用新型属于无人机地面仿真的故障注入技术领域，具体涉及一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备。

背景技术

无人机是航空领域的重要分支，若飞行器发生故障，会导致重大财产损失，尤其是大中型固定翼无人机，需要更加注意飞行器故障的监控。在大中型固定翼无人机飞行前，对可能出现的故障进行有效的检测，就能够提前采取一定的措施，从而防止重大故障的发生。故障注入是人为的在目标系统中引入故障用以复现系统的失效，通过观察系统在出现故障之后的行为反应，对系统的可靠性进行评价。与装备测试性分析借助的仿真资源方式一致，故障注入方式从实现手段上一般分为两类：一类是软件模拟，即对被注入故障的电路或设备建立数学模型，通过软件的仿真程序，在相关节点注入故障信号，通过回收故障注入仿真结果并检查故障影响；另一类故障注入方法是硬件注入，对实际的应用电路或设备注入故障信号。软件模拟为市面上主要应用的故障注入方法。

一般来说，针对注入永久性故障时，选择硬件注入方法，可方便控制故障注入点；而采用软件模拟注入方法则需要更多的开销或克服更高的技术难点。现有的故障注入方式多为软件模拟注入，如《基于半物理仿真的电路板故障注入系统设计与实现》一文中所述的基于半实物仿真的故障注入系统，当对应用程序进行故障注入时，故障注入器被安置在应用程序或在应用程序和操作系统之间，当对操作系统进行故障注入时，注入器可被包含在操作系统中。基于半物理仿真的故障注入系统，由计算机通过USB接口和模拟硬件系统连接，需要在电脑上建立一个故障注入系统、目标系统，故障注入系统通过故障注入器向目标系统注入故障，被测信号通过USB接口与模拟硬件系统进行通信。故障注入器主要开发工作在于软件系统，实现软件系统和模拟硬件的交联互通，在软件开发过程中具有较高的技术难度。

在传统设计中，类似于单点故障、线间故障的硬件实现通常需要为单个项目进行专门设计、开发和生产调试，开发周期长，且开发成本高，并且一般使用PCI接口，需要单独的驱动模块，对Windows、Linux、VxWorks等兼容性不强，针对不同系统需要不同的驱动，对于大中型固定翼无人机地面仿真试验来说，采用Windows系统进行上位机开发的地面试验，硬件模块应对Windows系统具有较强的兼容性，降低开发难度。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于，提供一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案予以解决：

一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，包括RS422通讯单元、FPGA主控单元和继电器驱动电路；其中，所述RS422通讯单元、FPGA主控单元和继电器驱动电路集成于PCB整板上，通过板级布线将信号进行联通；

所述RS422通讯单元包括第一DB连接器和通讯芯片，其中，所述第一DB连接器通过USB转RS422成品线缆与外部信号连接；

所述FPGA主控单元包括相连接的FPGA主控芯片和电平转换芯片，其中，所述FPGA主控芯片与所述通讯芯片连接；

所述继电器驱动电路包括相连接的NMOS管电路和继电器，其中，所述NMOS管电路与所述FPGA主控单元中的电平转换芯片相连接。

本实用新型还包括如下其他技术特征：

所述NMOS管电路包括NMOS管、两个分压电阻、两个限流电阻、LED灯和二极管，其中，所述电平转换芯片发出的NMOS的控制信号连接两个分压电阻进行分压，然后连接到所述NMOS管的栅极上；所述LED灯、二极管和继电器线圈均并联。

所述NMOS管的源极连接所述继电器线圈；继电器导通信号经过10K限流电阻后输出连接所述灯板；所述继电器的动触点(C)、常开触点(NO)和常闭触点（NC）分别通过线缆和第二DB连接器、第三DB连接器和第四DB连接器连接，所述第二DB连接器和所述第三DB连接器分别连接单点故障信号的线缆；所述第二DB连接器和所述第三DB连接器还分别连接线间故障信号的线缆；所述第二DB连接器和所述第四DB连接器分别连接断连故障信号的线缆。

还包括灯板，所述PCB整板上的继电器驱动电路与所述灯板通过排线进行联通；所述灯板包括相连接的线缆连接器和LED灯板，其中，所述线缆连接器与所述继电器驱动电路中的继电器相连接。

所述灯板采用三色灯。

所述RS422通讯单元中的通讯芯片的型号为ADM2582E、ADM2682E、ADM2485或者ADM2587E。

所述电平转换芯片的型号为SN74LVC16245DL、SN74LVCH16245A或者SN74LCVR16245A。

所述NMOS管的型号为STN2NF10、BSP373N、IRFM120A或者BSP372N。

所述继电器为HF118系列芯片。

所述线缆连接器为DB系列连接器、微矩形连接器或者SCSI系列连接器。

所述FPGA主控单元还包括与FPGA主控芯片相连接的随机存取存储器。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果如下：

1、采用多类型故障注入模式集成的形式，包含单点故障注入、线间故障注入和信号断连故障等多种故障注入模式，采用上位机加硬件板卡的模式实现，通过RS422接口进行数据通信，数据通道选择和控制由上位机进行，由串口进行实时下发响应，能够实时控制各通道的故障注入，同时通过串口传输控制指令，能够实现友好的人机交互，非常适用于大中型固定翼无人机地面仿真试验。

2、现有的故障注入多为软件控制，硬件控制的成本较高，软件控制的开发难度较高。本实用新型采用硬件构成，使用低成本的硬件物料，搭建一套基于FPGA为主控单元，继电器为执行单元的故障注入模块，实现低成本、高可靠性、通用化的硬件设计。硬件实现简单便捷，成本较低且可控；另外，硬件部分均使用FPGA作为主控芯片控制，外围电路简单，通用IO口数量多，无特殊功能限制的IO口可根据实际应用随意调整或复用，通过逻辑编译可实现多种复杂功能。

综上，本实用新型采用FPGA加继电器的架构实现，继电器控制由FPGA管脚进行状态输出，经过电平转换后通过控制NMOS管的开关继而控制继电器的状态。继电器的触点通过线缆和连接器引出机箱外边，可随时根据系统需求更换线缆配置，实现不同的功能。系统通过RS422进行控制，多台设备之间可通过级联串口线进行控制，通过串口线缆和串口调试工具实现多种、多台或单独设备的数据通信，控制方便快捷，占用软件资源极少，在Windows系统下具有极佳的控制体验感。

附图说明

图1是本实用新型的系统总体设计框图。

图2是继电器驱动电路的结构示意图。

图3是本实用新型的工作流程图。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，包括RS422通讯单元、FPGA主控单元、继电器驱动电路和灯板。其中，RS422通讯单元、FPGA主控单元、继电器驱动电路集成在PCB整板上，通过板级布线将信号进行联通；PCB整板与灯板通过排线进行联通，具体是与PCB整板上的继电器驱动电路相连接；灯板用于通过灯的状态显示继电器的状态。

以下介绍上述各单元的具体设计：

RS422通讯单元包括第一DB连接器和通讯芯片，其中，第一DB连接器通过USB转RS422成品线缆与外部信号连接，能够实现电脑端USB端口直接控制RS422串口的功能；通讯芯片与FPGA主控单元连接，FPGA主控单元与通讯芯片实现串口与FPGA主控单元的IO口通信的功能。

FPGA主控单元包括相连接的FPGA芯片和电平转换芯片。该方案中，FPGA主控单元通过IO端口发出3.3V电压的端口信号，通过电平转换芯片进行电平转换，将3.3V电压转换为5V电压，用于驱动后级的继电器驱动电路，从而决定继电器的开通与关闭。优选的，FPGA主控单元还包括与FPGA芯片相连接的FRAM（随机存取存储器），用于存储信息。

继电器驱动电路包括相连接的NMOS管电路和继电器电路，其中，NMOS管与FPGA主控单元中的电平转换芯片相连接，继电器连接灯板。NMOS管的导通与关断决定继电器的开通与关闭。具体的，如图2所示，NMOS管电路包括NMOS管、两个分压电阻、两个限流电阻、LED灯和二极管，其中，由电平转换芯片发出的NMOS的控制信号连接两个4.7K的分压电阻进行分压，然后连接到NMOS管的栅极上；LED灯、二极管和继电器线圈均并联，统一接到输入电源上；NMOS管的源极连接继电器的线圈端；继电器导通信号经过10K限流电阻后输出连接灯板；继电器的动触点(C)、常开触点(NO)和常闭触点（NC）分别通过线缆和第二DB连接器、第三DB连接器和第四DB连接器连接，从而将它们引出本实用新型的结构外，通过外部接线实现不同类型故障信号的注入。具体的，单点故障信号的线缆与第二DB连接器和第三DB连接器分别相连接；线间故障信号的线缆与第二DB连接器和第三DB连接器分别相连接；断连故障信号的线缆与第二DB连接器和第四DB连接器分别相连接。

上述结构中，继电器驱动电路通过低压控高压的方式实现，NMOS的控制信号由前级电路中的电平转换芯片发出，一般FPGA端口输出电平为3.3V，不足以驱动MOS管，所以由电平转换芯片将电平提升至5V，用来控制NMOS管的开关。选用两个4.7K电阻进行分压，用于保证输入NMOS的电压不至于过大从而烧毁NMOS芯片。当电平转换芯片发出高电平电压信号后，经过分压电路连接到NMOS管的栅极，NMOS管的栅极在高电平状态下导通，从而使继电器线圈导通，继电器开始动作。继电器导通后，经过10K限流电阻将信号输出至灯板上，增加限流电阻用来产生使LED导通的安全电流。继电器线圈两端并联反向二极管，用于进行反向电压保护；并联LED和限流电阻用于板级指示继电器的状态，便于在硬件调试时直观的观察操作和继电器状态反馈。

灯板包括相连接的线缆连接器和LED灯板，其中，线缆连接器与继电器驱动电路中的继电器相连接。灯板采用三色灯，以实现不同状态的直观显示，灯板显示状态与继电器动作状态交互通过线缆连接器和灯板的FPGA管脚进行。根据继电器的动作状态，FPGA芯片通过逻辑判断，对三色灯的灯色进行状态控制，从而实现在不同的继电器动作状态下显示不同的灯色状态，最终实现继电器的状态和灯板的灯色显示状态保持同步。

综上，本实用新型采用多类型故障注入模式集成的形式实现，在实际应用中，多种类型的故障注入硬件机箱集成在一个机柜中，控制口均为RS422，通过级联线缆进行各模块之间的互联，由USB转RS422串口线缆实现本实用新型的设备和上位机的数据交互。其中，单点故障、线间故障和断连故障信号均采用FPGA+继电器的架构进行注入，避免使用本领域常采用的PCI/PCIe接口，从而避免了因适配PCI接口而开发相关的驱动，且在Windows控制端下具有相当便利的控制操作优势，总体硬件实现也降低了开发成本，避免使用不成熟的技术；并且选用通用化的硬件接口和接口定义，在一定程度上提高了设备的通用化，可在实际的项目应用中更好的与其他产品的搭配或融合使用。此外，继电器的3组触点（动触点、常开触点和常闭触点）皆通过线缆和连接器引出机箱结构外，通过外部接线实现不同类型信号的故障注入。在实际应用过程中，可根据系统的具体需求随时更换注入的故障信号类型，能够实现多通道为同类型信号，也可实现多通道多类型信号的模式，满足了设备中多类型信号覆盖式故障注入及检测，更好地为无人机系统在地面仿真阶段的信号故障应对策略提供完善的条件支撑。

本实用新型的其他部件选择如下：

通讯芯片可选用ADM2582E、ADM2682E、ADM2485或ADM2587E等芯片，它们能够实现全/半双工数据通信功能，具备信号、电源隔离功能；

电平转换芯片可选用SN74LVC16245DL、SN74LVCH16245A、SN74LCVR16245A等芯片，它们均为16位同相总线收发器，工作电压范围为1.65V至3.6V；

NMOS管可选用STN2NF10、BSP373N、IRFM120A、BSP372N等芯片，它们的漏源电压为100V，阈值电压有1.4V、10V、20V等，实际使用中可根据控制电压选择合适的型号。

继电器可选用HF118系列芯片，实际使用中可根据实际使用中的触发电压选用具体的型号。

线缆连接器可选用DB系列连接器、微矩形连接器、SCSI系列连接器等多种型号。

本实用新型的运行流程如下：

如图3所示，外部通讯信号、各类型故障信号分别通过对应的DB连接器从外部进入，市电通过交流转直流进入板卡配电系统（即PCB整板），为板卡的各个部件进行供电。上位机控制信号遵循RS422通讯协议，由USB端口下发，通过USB转RS422成品线缆与板卡进行信号交互，板卡内部通过通讯芯片与FPGA的IO端口联通，形成外部与FPGA的通讯回路。FPGA芯片内部经过一系列的逻辑判断和逻辑运算，实现多种功能，通过IO口进行FPGA信号输出，从而控制相关继电器的动作状态。IO端口输出的信号电压特性一般为3.3V，而本实用新型中使用NMOS管驱动继电器，采用低压控高压的驱动模式，IO口的电压不足以直接驱动NMOS管，所以使用电平转换芯片将电平电压进行转换，将3.3V电压转换成5V电压用于控制NMOS的开关状态。NMOS导通时继电器导通，NMOS关断时继电器关断，从而通过控制NMOS的状态控制了继电器的状态。本实用新型的设备的外部通过排线与LED灯板进行联通，继电器动作时，相应的LED灯也会呈现不同的状态输出，较为直观的将继电器的状态显示出来。

本实用新型的设备在具体的应用中，可以单台设备也可以是多台设备组成的系统。设备中RS422通讯单元采用的是RS422总线控制，支持4线/2线模式，具体通过接线方式实现；单模块（单个本实用新型的设备）通过地址寻址控制，地址输入单元通过4位拨码开关输入该设备的地址，多种/多台模块设备（多个本实用新型的设备）可以接入一条RS422总线中，同类型的设备最多可接入15台，操作简单、方便快捷，不易因繁琐的操作或准备过程产生人为失误影响设备运行和功能实现。本实用新型支持多种标准波特率，也可定制其他波特率，通过四位拨码开关将选择输入至FPGA中，FPGA通过控制内部分频计数器实现不同波特率通信。系统可仅通过串口调试线缆和串口调试工具实现多台设备的控制，通过定制的控制通讯协议实现具体的通讯功能，多个设备同时受控时，仅需通过级联的串口通讯线缆，由上位机发送带有对应设备的地址号的通讯协议实现同时控制多台设备。

Claims (10)

1.一种大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，包括RS422通讯单元、FPGA主控单元和继电器驱动电路，其特征在于，所述RS422通讯单元、FPGA主控单元和继电器驱动电路集成于PCB整板上，通过板级布线将信号进行联通；

所述RS422通讯单元包括第一DB连接器和通讯芯片，其中，所述第一DB连接器通过USB转RS422成品线缆与外部信号连接；

所述FPGA主控单元包括相连接的FPGA主控芯片和电平转换芯片，其中，所述FPGA主控芯片与所述通讯芯片连接；

所述继电器驱动电路包括相连接的NMOS管电路和继电器，其中，所述NMOS管电路与所述FPGA主控单元中的电平转换芯片相连接。

2.如权利要求1所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述NMOS管电路包括NMOS管、两个分压电阻、两个限流电阻、LED灯和二极管，其中，所述电平转换芯片发出的NMOS的控制信号连接两个分压电阻进行分压，然后连接到所述NMOS管的栅极上；所述LED灯、二极管和继电器线圈均并联。

3.如权利要求2所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述NMOS管的源极连接所述继电器线圈；所述继电器的动触点(C)、常开触点(NO)和常闭触点（NC）分别通过线缆和第二DB连接器、第三DB连接器和第四DB连接器连接，所述第二DB连接器和所述第三DB连接器分别连接单点故障信号的线缆；所述第二DB连接器和所述第三DB连接器还分别连接线间故障信号的线缆；所述第二DB连接器和所述第四DB连接器分别连接断连故障信号的线缆。

4.如权利要求1-3中任一项所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，还包括灯板，所述PCB整板上的继电器驱动电路与所述灯板通过排线进行联通；所述灯板包括相连接的线缆连接器和LED灯板，其中，所述线缆连接器与所述继电器驱动电路中的继电器相连接。

5.如权利要求4所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述灯板采用三色灯。

6.如权利要求1-3中任一项所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述RS422通讯单元中的通讯芯片的型号为ADM2582E、ADM2682E、ADM2485或者ADM2587E。

7.如权利要求1-3中任一项所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述电平转换芯片的型号为SN74LVC16245DL、SN74LVCH16245A或者SN74LCVR16245A。

8.如权利要求2或3所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述NMOS管的型号为STN2NF10、BSP373N、IRFM120A或者BSP372N。

9.如权利要求4所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述线缆连接器为DB系列连接器、微矩形连接器或者SCSI系列连接器。

10.如权利要求1-3中任一项所述的大中型固定翼无人机地面仿真的故障注入设备，其特征在于，所述FPGA主控单元还包括与FPGA主控芯片相连接的随机存取存储器。

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