郭強(qiáng)

【摘要】? ? 針對航空機(jī)載電子設(shè)備對測試性要求的不斷提高，本文以機(jī)載綜合通信導(dǎo)航識別設(shè)備為例給出了一種測試性總體設(shè)計(jì)方案。依據(jù)測試性準(zhǔn)則，搭建了一種新型的測試性總體架構(gòu)，提出了機(jī)內(nèi)測試技術(shù)和在線檢測技術(shù)相結(jié)合的測試思想，并闡述了這兩種技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】? ? 測試性預(yù)計(jì)? ? 機(jī)內(nèi)測試? ? 在線檢測? ? 通信導(dǎo)航識別設(shè)備

Testability design and application of ICNI equipment

（CETC10， ChengDu 610036）

Abstract： In view of the increasing requirements of airborne electronic equipment for testability， this paper takes integrated communication navigation identification （ICNI） equipment as an example to give a testability overall design scheme. According to the testability criterion， a new overall testability architecture was built， and the idea of combining the built-in test technology with the online test technology was put forward， and the design and implementation methods of the two technologies were described. The feasibility and effectiveness of the scheme were verified by the engineering application.

Key words： testability prediction; built in test; online test; integrated CNI

引言：

隨著航空技術(shù)的高速發(fā)展，對機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)內(nèi)測試（Built In Test，簡稱BIT）能力和地面檢測系統(tǒng)提出了更高的要求。飛行過程中，由于故障無法立即修復(fù)，要求增強(qiáng)設(shè)備自主故障診斷、切換和故障隔離能力，以保證系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。對于地面綜合檢測過程中，要求能夠全面的覆蓋故障，并且能快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地診斷系統(tǒng)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)上述要求，就必須在航空機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)之初同步開展測試性設(shè)計(jì)工作，對于提高設(shè)備測試性和診斷技術(shù)水平，滿足系統(tǒng)的任務(wù)可靠性和安全性具有重要意義。

本文以機(jī)載綜合通信導(dǎo)航識別（Integrated Communication Navigation Identification，簡稱ICNI）設(shè)備為例，根據(jù)綜合化設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種實(shí)際可行的測試性設(shè)計(jì)方法。

一、測試性要求

1.1 設(shè)備架構(gòu)

ICNI設(shè)備作為飛機(jī)航電系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著空-地、空-空間話音及數(shù)據(jù)通信，無線電導(dǎo)航，進(jìn)場著陸，敵我識別及交通管制等任務(wù)。ICNI設(shè)備由模塊化、通用化的射頻信道處理資源、信號處理資源、綜合處理資源等硬件模塊和軟件模塊組成，通過交換矩陣實(shí)現(xiàn)路由，在系統(tǒng)內(nèi)部總線的控制管理下，可同時(shí)支持多個硬件線程和軟件線程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能。設(shè)備總體架構(gòu)如圖 1。

1.2 指標(biāo)要求

ICNI設(shè)備采用全新的組織架構(gòu)大大提高了設(shè)備的綜合化程度，對系統(tǒng)測試性也提出更高的要求，主要包括定量要求和定性要求兩方面。

定量要求：在航空電子系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)中，通常采用故障檢測率（FDR）、故障隔離率（FIR）和虛警率（FAR）三率指標(biāo)對測試性提出定量要求，比如：FDR≮92%，F(xiàn)IR≮95%，F(xiàn)AR≯2%。

定性要求：根據(jù)故障模式影響分析（FMECA）綜合規(guī)劃各等級故障的監(jiān)控方案，確保高等級故障及時(shí)告警;應(yīng)具有機(jī)內(nèi)測試功能，并將故障隔離到現(xiàn)場可更換模塊（LRM）;每個故障隔離測試應(yīng)設(shè)計(jì)為與其他所有測試相互獨(dú)立;對于BIT不能檢測的故障，采用在線檢測設(shè)備的方式進(jìn)行故障定位。

二、測試性設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)定義為產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。ICNI設(shè)備測試性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

（1）基于產(chǎn)品功能特性設(shè)計(jì)與測試性設(shè)計(jì)一體化、測試性與綜保設(shè)計(jì)一體化的基本思想，同步開展測試性設(shè)計(jì)與功能特性設(shè)計(jì);

（2）從系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性出發(fā)，按信號在系統(tǒng)中的傳輸流向合理設(shè)置測試點(diǎn)，采用系統(tǒng)綜合診斷的方法減少模塊測試電路設(shè)計(jì)難度;

（3）充分利用系統(tǒng)固有資源，在不增加或少增加機(jī)內(nèi)測試電路的前提下，完成應(yīng)有的測試任務(wù);

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與外部測試設(shè)備接口簡單方便，機(jī)內(nèi)測試與外部測試相結(jié)合，機(jī)內(nèi)測試為主，外場測試為輔。

2.2 總體測試架構(gòu)

ICNI設(shè)備故障模式主要包括系統(tǒng)功能性故障以及系統(tǒng)性能指標(biāo)下降兩方面。針對系統(tǒng)功能性故障，外場優(yōu)先利用BIT系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測與隔離，將故障定位到導(dǎo)致功能故障的LRM，對于部分BIT無法完全隔離到單個LRM的故障模式，利用PMA（便攜式維護(hù)裝置）指導(dǎo)維修人員輔助BIT系統(tǒng)開展故障定位。針對系統(tǒng)性能指標(biāo)下降類型的故障，在外場利用在線檢測設(shè)備通過無線或有線連接方式，配合維護(hù)BIT對ICNI設(shè)備的功能定性或定量指標(biāo)測試開展故障定位。隔離到LRM后，內(nèi)場利用模塊綜合測試平臺對模塊的功能及性能指標(biāo)進(jìn)行離線檢測。ICNI設(shè)備測試性設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖 2所示。

2.3機(jī)內(nèi)測試設(shè)計(jì)

現(xiàn)代航空機(jī)載電子設(shè)備綜合化、復(fù)雜化程度日漸提高，機(jī)載電子設(shè)備的故障檢測和維修難度增大，從而增加了設(shè)備維修和保障成本。為解決這種問題，機(jī)載電子設(shè)備廣泛采用機(jī)內(nèi)自測試技術(shù)，機(jī)內(nèi)自測試功能可以對電子設(shè)備內(nèi)部的故障進(jìn)行自動檢測、診斷和隔離，大大提高了電子設(shè)備中的故障診斷效率和準(zhǔn)確性，從而有效地縮短了維修時(shí)間，降低了維修和保障費(fèi)用。

2.3.1工作模式設(shè)計(jì)

ICNI設(shè)備根據(jù)不同的運(yùn)行階段，設(shè)計(jì)了四種BIT工作模式：加電BIT、啟動BIT、周期BIT和維護(hù)BIT。

加電BIT：加電BIT是ICNI設(shè)備每次上電啟動時(shí)進(jìn)行，根據(jù)系統(tǒng)空中、地面等不同的加電狀態(tài)，執(zhí)行不同的加電BIT過程，地面的加電BIT應(yīng)盡可能地覆蓋ICNI設(shè)備的資源。加電BIT運(yùn)行時(shí)，停止系統(tǒng)正常工作流程，不響應(yīng)任務(wù)系統(tǒng)下發(fā)的任何控制命令，通過各LRM內(nèi)部的BIT控制單元獲取自檢狀態(tài)信息，并上報(bào)至系統(tǒng)BIT控制單元，再經(jīng)數(shù)據(jù)分析形成自檢與故障報(bào)告，可將故障定位到主要的模塊。

周期BIT：周期BIT在設(shè)備運(yùn)行過程中自動按系統(tǒng)、功能、模塊等各自不同的任務(wù)周期進(jìn)行，不影響正常任務(wù)的執(zhí)行。周期BIT通過預(yù)先設(shè)置的檢測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能的狀態(tài)，為系統(tǒng)判斷功能工作狀態(tài)的正常與否提供最初步的依據(jù)。由于周期BIT受測試覆蓋率的影響，其故障診斷和隔離能力較弱，周期BIT的設(shè)計(jì)更突出其故障的實(shí)時(shí)探測能力，因此周期BIT也稱為實(shí)時(shí)BIT。

啟動BIT：啟動BIT由操作員觸發(fā)的BIT，分為全系統(tǒng)的啟動BIT和以功能為單位的功能啟動BIT，在執(zhí)行啟動BIT時(shí)相關(guān)單元不執(zhí)行正常的工作任務(wù)。當(dāng)收到全系統(tǒng)的啟動BIT命令時(shí)，將啟動模塊、功能分別執(zhí)行啟動BIT，并對BIT結(jié)果進(jìn)行初步的綜合診斷。當(dāng)收到某個功能的啟動BIT時(shí)，由于ICNI設(shè)備是可重構(gòu)的，僅在該功能線程當(dāng)前的資源配置狀態(tài)下執(zhí)行對應(yīng)功能的啟動BIT。

維護(hù)BIT：維護(hù)BIT是在地面進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)時(shí)由操作員啟動，系統(tǒng)進(jìn)入維護(hù)模式時(shí)，將停止ICNI設(shè)備的所有正常工作。維護(hù)BIT可以由操作員終止，轉(zhuǎn)回工作模式。在維護(hù)模式下結(jié)合在線檢測設(shè)備對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行測試，隔離與模塊指標(biāo)相關(guān)的故障。

2.3.2工作層次設(shè)計(jì)

ICNI設(shè)備按運(yùn)行層次分為系統(tǒng)、功能線程、模塊三個不同層次，基于模塊為基礎(chǔ)、功能為手段，系統(tǒng)為準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)思路在不同的層次開展相應(yīng)的測試性設(shè)計(jì)。

（1）模塊BIT：模塊為基礎(chǔ)是指ICNI設(shè)備BIT是以模塊狀態(tài)的檢測為基礎(chǔ)，針對系統(tǒng)內(nèi)模塊的硬件、軟件進(jìn)行檢測，以診斷模塊的健康狀況。測試點(diǎn)設(shè)置過程結(jié)合模塊的FMECA分析及輸入輸出信號分析開展，選擇危害度大、易失效、故障模式關(guān)聯(lián)集中的器件或信號作為BIT設(shè)計(jì)的測試點(diǎn)，可參考下表進(jìn)行預(yù)置與檢測。

（2）功能BIT：功能為手段是指ICNI設(shè)備BIT對某一功能故障與否的判斷，是通過功能的BIT來確定的。當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)成一個獨(dú)立的功能線程后，功能BIT對功能線程的主要工作指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，以功能線程的主要功能、性能是否能滿足系統(tǒng)要求作為功能BIT目標(biāo)。圍繞功能BIT的目標(biāo)、結(jié)合各功能的特點(diǎn)設(shè)立功能的BIT測試點(diǎn)，功能BIT是以功能線程的數(shù)字信號處理單元為中心、以功能線程的功能健康狀態(tài)為監(jiān)控手段。ICNI設(shè)備的功能BIT包括小環(huán)路自檢和大環(huán)路自檢兩種方式。

小環(huán)路自檢測：數(shù)字信號處理中的功能軟件在收到系統(tǒng)下發(fā)的功能BIT指令后，控制通用接收激勵模塊進(jìn)入功能BIT測試模式，同時(shí)產(chǎn)生測試信號波形，經(jīng)激勵通道產(chǎn)生激勵信號，通過模塊內(nèi)部開關(guān)形成自檢信號回環(huán)至接收通道，進(jìn)入功能軟件進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，功能軟件通過對比發(fā)射及接收信號判斷小環(huán)路通道是否正常。

大環(huán)路自檢測：數(shù)字信號處理中的功能軟件在完成小環(huán)路檢測后進(jìn)入大環(huán)路檢測，控制所有信道模塊進(jìn)入功能BIT測試模式，同時(shí)產(chǎn)生測試信號波形，經(jīng)激勵通道產(chǎn)生激勵信號，通過射頻交換矩陣和通用功放進(jìn)入天線接口單元，一部分能量通過耦合形成自檢信號，通過接收通道進(jìn)入功能軟件進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，功能軟件通過對比發(fā)射及接收信號判斷大環(huán)路通道是否正常。

（3）系統(tǒng)BIT：系統(tǒng)為準(zhǔn)則是指ICNI設(shè)備內(nèi)模塊的故障由系統(tǒng)BIT綜合給出，對模塊測試點(diǎn)信息、功能BIT信息、總線監(jiān)測信息等各種測試、監(jiān)測信息進(jìn)行信息融合，根據(jù)系統(tǒng)建立的故障判決準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)故障的綜合診斷。當(dāng)系統(tǒng)診斷出故障時(shí)，應(yīng)給出對應(yīng)的處理策略，包括：降級運(yùn)行、啟動備份、啟動冗余通道的重構(gòu)、以及及時(shí)維修等。

2.3.3防虛警設(shè)計(jì)

BIT判斷某個LRM是否故障主要是依據(jù)測試點(diǎn)的測試信號偏離正常值的門限判斷，由于電氣噪聲、載機(jī)電源波動以及BIT電路自身等因素的影響，可能會存在BIT指示故障但實(shí)際被測項(xiàng)目不存在故障的情況。設(shè)計(jì)時(shí)，需采取如下措施降低故障測試的虛警率：

（1）合理確定參數(shù)的容差：應(yīng)綜合考慮各種因素的影響，如各部件故障對測量參數(shù)的影響、工作環(huán)境條件的影響、其它有關(guān)設(shè)備的影響、性能或壽命下降允許極限等。

（2）統(tǒng)籌考慮各級測試容差：一般從基層級到基地級各級測試，測試容差值應(yīng)逐漸減小。

（3）信號測試的處理：對易受外界電磁環(huán)境影響的檢測點(diǎn)，一般采取濾波、延時(shí)、多次判斷后再報(bào)警等方式降低信號測量的虛警。

2.4在線檢測設(shè)計(jì)

對于BIT不能檢測的故障，采用維護(hù)BIT結(jié)合在線檢測設(shè)備的方式進(jìn)行測試，測試的方法主要采用有線或無線方式，在線檢測設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)激勵波形，通過閉環(huán)自檢的方法對被測設(shè)備重要指標(biāo)進(jìn)行測試并隔離到模塊，ICNI設(shè)備在線檢測設(shè)備工作原理如圖 4所示。

接收通道測試：在線檢測設(shè)備通過維護(hù)接口控制被測設(shè)備進(jìn)入測試模式，再通過內(nèi)部的功能測試模擬器產(chǎn)生測試信號，通過天線接口單元發(fā)送給被測設(shè)備，被測設(shè)備將接收到的測試信號處理后通過測試接口送回在線檢測設(shè)備，由在線檢測設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判據(jù)來判斷被測設(shè)備接收通道的健康狀態(tài)。

發(fā)射通道測試：在線檢測設(shè)備通過維護(hù)接口控制被測設(shè)備進(jìn)入測試模式，再控制被測設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的測試信號并通過發(fā)射通道發(fā)送給在線檢測設(shè)備進(jìn)行信號處理，由在線檢測設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判據(jù)來判斷被測設(shè)備發(fā)射通道的健康狀態(tài)。

ICNI設(shè)備在天線接口單元及射頻交換矩陣模塊上均設(shè)置了測試接口，可將發(fā)射通道和接收通道進(jìn)行分段測試，用于隔離天線接口和接收激勵模塊間的故障，進(jìn)一步縮小隔離范圍診斷故障。

三、測試性預(yù)計(jì)

測試性預(yù)計(jì)可采用數(shù)學(xué)模型的方法預(yù)計(jì)產(chǎn)品測試充分程度，需獲取FMECA資料和可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)，列出所有的故障模式，掌握故障影響情況和功能單元或部件的故障率以及故障模式發(fā)生的頻數(shù)比，識別出每個故障模式BIT能否檢測。通過下面數(shù)學(xué)模型計(jì)算各組成部分的故障檢測率（FDR）、故障隔離率（FIR）。

其中：

λi：第i個LRM的故障率;

λDi：第i個LRM可檢測到的故障率;

λLi：可隔離至小于等于L個LRM的第i個部件或故障模式的故障率;

Ni：第i個LRM的數(shù)量。

通過測試性預(yù)計(jì)技術(shù)，可以預(yù)計(jì)出設(shè)備的FDR和FAR，發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備測試性的薄弱環(huán)節(jié)，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，并評價(jià)設(shè)備是否能夠達(dá)到規(guī)定的測試性要求。

四、結(jié)束語

應(yīng)用先進(jìn)的測試性設(shè)計(jì)技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行總體的測試性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，已經(jīng)成為航空電子技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。本文針對綜合化通信導(dǎo)航識別設(shè)備提出了一種測試性總體設(shè)計(jì)方案，已在工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用驗(yàn)證，大大提高了故障檢測率和故障隔離率，滿足了系統(tǒng)的測試性需求，可為其他電子設(shè)備的測試性設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 田仲，石君友等.系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2] 龔世明.航空通信導(dǎo)航識別綜合技術(shù)的新進(jìn)展[J].航空電子技術(shù)，2000（3） ： 35-43.

[3] 李海偉.航空電子設(shè)備研制的測試性設(shè)計(jì)考慮[A].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2018.02.015

[4] 常少莉，時(shí)鐘，胡泊.基于虛擬仿真的測試性預(yù)計(jì)技術(shù)研究及應(yīng)用示例.環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，2012，1004-7204.

[5] 張毅.模擬電路測試性仿真驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安交通大學(xué)，2010

[6] 宋麗蔚，李剛.基于的電子設(shè)備故障自動注入平臺研究[J].中國測試，2012 ， 38（4） ： 99-102.

[7] ARINC Report 847，Product Development Guidance for Maintainability and Testability （PDMAT） [R].[S.l：s.n]