技术摘要：
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  全部
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 4 CN 111611114 A 说　明　书 2/9 页 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。
技术实现要素：
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： 5 CN 111611114 A 说　明　书 3/9 页 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 6 CN 111611114 A 说　明　书 4/9 页 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。