机载电子硬件研制实验教学设计与探索

    田 毅，史春蕾，赵长啸，任 升，汪克念   

中国民航大学 安全科学与工程学院，天津市，300300

[摘  要]针对学生在航空电子系统设计技术课程学习中存在“重设计技术轻过程控制”的问题，按照新工科理念，用一个完整的设计、管理工程实验，展示了整个设计生命周期过程全貌。将机载电子硬件研制中的计划过程、设计过程、支持过程、适航审查等相关知识点融入研制实验，划分角色并依据学生的兴趣与专业方向分配不同的实验任务，教师引领完成实验内容并进行点评。通过实验解决了课程关于设计保证方法抽象不易理解的问题，提升了学习兴趣。实验教学也促进学生构建全面的系统工程思维。

[关键词]过程保证；机载电子硬件；适航

[基金项目]2020年中国民航大学教育教学改革与研究项目“《航空电子系统设计技术》行业特色课程教材建设”（2020-C2-36）。

[作者简介]田毅（1983-），男，陕西汉中人，硕士，中国民航大学安全科学与工程学院副研究员，从事飞行器适航技术、机载电子硬件适航审定研究工作。

[中图分类号]G642.423              [文献标识码]A    

一、引言

随着航空电子系统设计的日趋复杂和高度集成化，尤其是机载软件和复杂电子硬件的大量使用，使得设计的产品难以仅通过穷举测试来发现问题、剔除设计缺陷，无法恰当地向审查机构表明适航符合性。为了保证复杂机载电子产品满足适航要求，航空工业界提出基于过程控制的设计保证方法。该方法依据功能项的研制保证等级提出过程控制目标，通过相应的技术和管理手段保证产品符合相应的目标，以满足产品的适航要求。

航空电子系统设计与适航符合性方法相关课程，主要是面向航空器适航审定工程专业机载系统与设备适航审定方向硕士研究生以及安全科学与工程专业本科生开设，内容涉及当前先进的航空电子系统研制的各个方面，包括了机载系统研制、综合模块化航电系统、机载软件、机载电子硬件、航空数据总线的适航要求以及设计技术。而基于过程控制的设计保证方法是整个课程的重要讲授内容,要求学生能够站在系统工程的角度理解系统、设备和部件的研制，授课难点在于知识面涵盖广、知识抽象程度高、要平衡理论与实践、知识更新快、学生背景知识差异大^[1]。学生在学习中容易关注课程中提到的需求分析、系统分析、方案设计、集成、试验等技术内容，而忽视了对于计划、需求管理、构型管理、质量管理、数据管理、审核、决策分析等过程控制管理的理解，错误认为过程控制可有可无。另外，学生对于适航审定过程仅通过面授学习，难以深刻理解其工作过程。

教研团队通过开发机载电子硬件研制实验，面向工程和适航审查中的实际问题进行工程驱动式教学，通过适航符合性资料编写、硬件开发、硬件验证、模拟审查等实践内容，使学生体验基于过程控制的设计保证方法，促进学生对于知识的掌握。

二、授课要点分析

对于机载电子硬件而言，航空无线电技术委员会(RTCA)的DO-254标准(《机载电子硬件设计保证指南》)是审查机构通过咨询通告公开接受的基于过程控制的设计保证方法^[2]。按照DO-254的定义^[3]，硬件设计生命周期过程包括硬件计划过程、硬件设计过程和支持过程。计划过程主要是定义硬件设计活动和支持过程活动；设计过程包括需求捕获、概念设计、详细设计、设计实现和试生产等5个阶段，在实际中按照不同开发模型，各个阶段是可迭代；支持过程保证产生硬件设计生命周期数据的正确性及可控性，包括确认与验证（V&V）、构型管理、过程保证和审定联络。另外，按照审定机构的审查实践^[4]，将硬件审查分为四个介入阶段（SOI），包括硬件计划评审（SOI#1）、硬件设计评审（SOI#2）、硬件验证评审（SOI#3）、最终评审（SOI#4）。

典型机载电子硬件设计生命周期活动教学知识点包括：1）面向全设计生命周期过程的配置管理（构型标识，基线管理，问题报告，更改控制，发布，恢复，数据保持，未授权更改的保护，介质选择、更新和复制）、质量保证（评审，现场检查，审核）；2）计划过程（定义硬件设计生命周期、转换准则、开发与验证环境，计划评审，SOI#1审查）；3）需求捕获过程（需求编制与管理，需求确认）；4）概念设计过程（硬件架构的表达，设计评审、分析）；5）详细设计过程（设计数据的实现，硬件编码验证，SOI#2评审）；6）设计实现过程（位流文件生成，硬件调试、测试，SOI#3评审）；7）试生产（生成制造数据，符合性声明，SOI#4评审）。

针对上述知识点，提出实验教学课程开发思路：以完整体现整个硬件设计生命周期过程的案例为主线，穿插资料编写、模拟审查等内容，充分利用实验室资源开展代码设计、验证实施，使学生直观认识基于过程控制的设计保证方法以及设计技术的使用。

三、实验教学内容设计

实验教学内容应该以现有实验条件为基础，涵盖主要的硬件生命周期过程，并较为全面地展现出整个适航取证环节。课程选定航空数据总线接口模块电路为实验对象，设计一个可复用的知识产品（IP）软核，研制保证等级（DAL）按照A级设计。实验对象主要功能是实现速率为115200bps的RS232接口到100kbps的ARINC429接口的数据收发转换电路。

图 1 航空数据总线接口模块电路研制实验项设置

航空数据总线接口模块电路研制实验主要的实验项如图1所示。实验内容以硬件研制生命周期为主线，包括关键数据编制、需求管理、编码、确认与验证、构型管理、过程保证、设计追溯以及适航审查等内容，将相关的知识点融入到实验中。

四、实验教学开展

1.教学方法

实验依据各硬件研制生命周期过程模块化设置。教师预先完成整个实验，并形成演示案例。依据每个研制过程阶段设计一次授课内容，并可根据学生情况拓展或整合实验。在每次教学中，首先，教师对本次实验相关研制阶段基础理论、适航要求、工具使用进行讲解，演示实验内容；接着，学生按照分组完成实验，编制阶段性资料；然后，学生对当前研制阶段工作进行汇报，教师组织开展转阶段评审以及模拟适航审查；最后，教师对本次实验进行总结点评。

2.实验准备

教师在实验前，应该做好实验准备工作。包括准备好相关文档模版、实验条件、实验演示案例。由于整个硬件设计生命周期过程涉及多种任务，借鉴当前工业实际，引入角色扮演模式^[5]，并且在开展实验前，考虑学生意愿，依据学生背景知识，对学生进行分组。典型的角色分工如表1所示。

表 1 机载电子硬件研制过程教学实践角色分工

3.实验教学执行

依据课程内容设计，学生在实验体验中将实践整个生命周期过程的关键活动，课程引入目前行业内主流的设计、验证工具，使用工业界及适航审查员工作中实际使用的检查单，提供标准的问题报告、更改控制流程，力求做到实践不脱离实际。

（1）计划过程实验

计划过程实验是编制计划，描述在硬件审定、设计、确认、验证、过程保证和构型管理中所采用的程序、方法和标准。教师按照DO-254标准要求编制了需求、设计、确认、验证及归档等实施标准样例，以及设计、确认、构型管理、过程保证等计划文档样例。学生可以按照需要对这些样例进行使用和拓展。实验中，学生按照硬件验证计划模版、硬件合格审定计划模版编制计划内容，并进行评审。计划编制完毕后，教师组织开展计划过程转阶段评审，并模拟审查人员开展SOI#1审查。

（2）设计过程实验

设计过程按照计划过程的规划开展设计工作，生成设计数据及最终的产品。实验实施中，学生利用SVN配置管理工具对计划过程中的资料实施构型管理，利用质量过程检查单对实验中的各个过程进行独立检查和审核。下面对各子实验进行说明。

1）需求捕获实验是编制需求文档。学生通过阅读ARINC429、EIA-RS232标准，获取转换电路的功能需求；依据实验开发板，获取接口需求和时钟需求；结合测量设备，获取可测试性需求。需求文档形成后要独立实施需求确认工作，并形成确认规程和结果文档。当需求捕获完毕后，教师组织开展转阶段评审。

2）概念设计实验是在设计文档中定义高层级设计概念，包括基于FPGA设计电路、分解子功能、定义子模块的功能、定义模块间内部接口、描述每一模块的实现（状态机或原理图）和实现策略选取（IP或专用资源）。该过程主要生成概念设计数据，产生大量的衍生需求，需要对衍生需求进行确认。当概念设计完毕后，教师组织开展转阶段评审。

3）详细设计实验是按照设计文档进一步实现设计，包括描述和解释内部架构、原理图实现、使用硬件描述语言（HDL）编写代码，建立需求、设计文件和原理图/编码的追溯性。学生在该实验主要编写HDL代码，可能产生衍生需求，需要对衍生需求进行确认；开展独立的验证，使用HDL Designer编码工具对HDL代码进行代码规则检查，使用QuestaSim仿真工具对设计进行功能仿真、元素分析，对不能覆盖的代码进行解析。仿真分析完毕后，教师组织开展详细设计过程转阶段评审，并模拟审查人员开展SOI#2审查。

4）设计实现实验是将编码生成可加载的位流文件，开展测试，建立需求、验证规程和验证结果的追溯性。学生在该实验主要工作包括使用Quartus Prime设计工具对HDL代码进行综合、设置约束条件（管脚和时序）、布局布线，生成可加载的位流文件；开展独立的验证，使用QuestaSim仿真工具进行时序仿真，使用Questa CDC时序检查工具进行跨时钟域分析，通过搭建实验平台进行实物测试。测试完毕后，教师组织开展设计实现过程转阶段评审，并模拟审查人员开展SOI#3审查。

5）试生产主要是检查准备制造数据、测试设备和常规的资源，使用实现和验证过程的输出，将产品转入生产。由于实验设计对象是IP软核，实验不涉及实际生产活动，而是引导学生基于模版开展完结资料的编写和整理。生成的资料包括硬件完结综述、构型索引。文件资料编制完毕后，由教师组织开展评审，并模拟审查人员开展SOI#4审查。

4.实验教学效果

目前在研究生课程中抽取其中关键的计划、需求、设计实现部分进行初步实践，完成3组15人的教学。学生在实验过程中学习了电子设计技术、工具使用、过程保证方法以及适航符合性资料编写相关的知识，在完成实验后，对机载电子硬件的研制有了更加深入的了解，并且充分感受到过程保证方法对于消除系统功能失效，提高飞机安全性的重要作用。该实验教学得到学生的认可，完成了实验教学目的。

五、总结

机载电子系统设计日趋复杂，对于设计过程的恰当控制可以有效消除设计错误和缺陷。为了扭转学生对于机载设计工作的偏见，对课程教学内容和形式进行设计，在课程中引入实验教学。通过教师引导对学生进行角色扮演，按照标准的设计过程设定实验内容，在实践中体验过程保证方法，从而加深对该方法的认识。实践表明，该实验能够使得学生全面认识机载电子硬件研制过程，增强了学习效率，更加符合航空工业对于人员的招聘需求。

[参考文献] 

[1] 田毅,史春蕾,张帆.面向适航的《机载软硬件设计与验证》课程开发与实践[J].教育教学论坛,2019(08):145-147.

[2] 田莉蓉,袁晓军,刘文,赵腊才,王青.民用机载电子硬件开发实践[M].上海交通大学出版社,201912.

[3] RTCA DO-254, Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware[S]. RTCA Inc., 2000.

[4] 田毅,史春蕾.欧美机载电子硬件适航审定研究[J].民航学报,2019,3(04):49-51+48.

[5] 辜萍萍.软件测试课程实验教学体系设计与实践[J].实验室研究与探索,2019,38(07):180-184.

Design and Exploration of Experimental Teaching for Airborne Electronic Hardware Development

TIAN Yi, SHI Chun-lei, ZHAO Chang-xiao, Ren Sheng, WANG Ke-nian

(College of Safety Science and Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin300300, China)

[Abstract] Aiming at the problem of "emphasizing design technology but not process control" in the avionics system design technology course, according to the new engineering concept, a complete design and management engineering experiment is used to show the entire design life cycle process. Incorporate the planning process, design process, support process, airworthiness review and other relevant knowledge points in the development of airborne electronic hardware into the development experiment. Divide roles and assign different experimental tasks according to students' interests and professional directions. Teachers will lead the completion of the experiment content and make comments. Through experiments, the problem that the course is not easy to understand about the abstraction of design assurance methods has been solved, and the interest in learning has been improved. Experimental teaching also promotes students to build comprehensive systems engineering thinking.

[Keywords] process assurance; airborne electronic hardware; airworthiness