張亞瓊，孫東旭

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

航空電子元器件是構(gòu)成航空電子設(shè)備的基石，是實(shí)現(xiàn)飛行器功能性能和可靠性的基礎(chǔ)，元器件的選用直接影響了飛行器的任務(wù)和安全，因此，在元器件大規(guī)模使用于航空產(chǎn)品前對其進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證具有重要意義。

ARINC429總線是美國航空無線電公司制定的航空數(shù)字總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，定義了航空電子設(shè)備和系統(tǒng)之間的一種通信規(guī)范[1]。ARINC429協(xié)議規(guī)定使用雙絞屏蔽線以串行方式傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息，信息為單向傳輸?？偩€的數(shù)據(jù)傳輸率為12.5～100 kbps，發(fā)送速度有高速和低速兩種。

本文將以ARINC429總線發(fā)送器為例，介紹應(yīng)用驗(yàn)證的思路和基本流程。

1 應(yīng)用驗(yàn)證基本流程

航空元器件應(yīng)用驗(yàn)證是指在應(yīng)用于航空器產(chǎn)品之前展開的一連串試驗(yàn)、驗(yàn)證、分析、評價(jià)和得出綜合結(jié)論的一個過程，用來明確元器件的可靠性、成熟度和適用于航空器的適用性[2]。

首先根據(jù)被驗(yàn)證器件的廠家和用戶開展相對應(yīng)的研制調(diào)研和用戶調(diào)研，其中研制調(diào)研由第三方應(yīng)用驗(yàn)證機(jī)構(gòu)向元器件生產(chǎn)廠家發(fā)送調(diào)研請求，用戶調(diào)研由應(yīng)用驗(yàn)證機(jī)構(gòu)對該元器件的進(jìn)口器件的應(yīng)用單位開展調(diào)研，調(diào)研的形式可以為發(fā)放研制調(diào)研表或用戶需求調(diào)研表、專人調(diào)研和電話溝通等方式[3]。通過對研制廠家和用戶進(jìn)行深入調(diào)研，應(yīng)用驗(yàn)證機(jī)構(gòu)需要將調(diào)研得來的相關(guān)材料和信息匯總分類，羅列出所用研制信息和用戶需求并形成一份完整的應(yīng)用驗(yàn)證要求。根據(jù)應(yīng)用驗(yàn)證要求，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)組織專人進(jìn)行該器件的應(yīng)用驗(yàn)證，驗(yàn)證通用板卡的研制和生產(chǎn)，與此同時，針對驗(yàn)證板卡的器件級和板級特性[3]，梳理驗(yàn)證項(xiàng)目和試驗(yàn)項(xiàng)目，明確驗(yàn)證指標(biāo)體系，從而制定出應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)方案。根據(jù)驗(yàn)證方案實(shí)施相關(guān)的器件級和板級驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)束后，分析驗(yàn)證條目和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，形成驗(yàn)證結(jié)論和應(yīng)用驗(yàn)證指南。

2 應(yīng)用驗(yàn)證調(diào)研過程

應(yīng)用驗(yàn)證調(diào)研分為研制調(diào)研和用戶調(diào)研，典型的調(diào)研過程如圖1所示。

圖1 應(yīng)用驗(yàn)證調(diào)研過程

研制調(diào)研的對象是元器件研制單位，研制信息主要包括產(chǎn)品特性、產(chǎn)品研制生產(chǎn)情況、產(chǎn)品鑒定情況、供應(yīng)鏈情況，以及廠家支撐的可信數(shù)據(jù)列表[4]。其中產(chǎn)品特性主要來源于器件實(shí)物與廠家提供的元器件手冊和詳細(xì)規(guī)范等，根據(jù)這些支撐文件對元器件的外觀、功能性能參數(shù)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝特性參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)。產(chǎn)品研制生產(chǎn)情況需要考核該研制廠家的研制過程，包括立項(xiàng)時間，初樣時間、正樣時間及鑒定情況等。

用戶需求調(diào)研的對象是元器件應(yīng)用單位，應(yīng)用驗(yàn)證機(jī)構(gòu)根據(jù)該器件的現(xiàn)有使用情況對相關(guān)的用戶發(fā)出調(diào)研請求，通過發(fā)放調(diào)研表和電話咨詢等方式獲得用戶需求。用戶需求調(diào)研的主要內(nèi)容分為三大部分：用戶設(shè)備級要求、器件級要求和裝聯(lián)要求，具體如圖2所示。

圖2 用戶需求調(diào)研

需要特別注意的是，在對用戶需求進(jìn)行匯總形成應(yīng)用驗(yàn)證要求時，針對任意一方面，需要對多家用戶的需求取最嚴(yán)苛的范圍。以ARINC429總線發(fā)送器芯片的貯存溫度為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)5家用戶的貯存溫度范圍需求為-55 ℃～+70 ℃，2家用戶的貯存溫度范圍需求為0 ℃～+35 ℃，因此，該項(xiàng)器件貯存溫度的應(yīng)用驗(yàn)證要求范圍應(yīng)為-55 ℃～+70 ℃。

3 應(yīng)用驗(yàn)證過程

在應(yīng)用驗(yàn)證調(diào)研過程開展完畢后，形成一份詳細(xì)的應(yīng)用驗(yàn)證要求，應(yīng)用驗(yàn)證人員需要根據(jù)該要求進(jìn)行驗(yàn)證板卡的研制以及明確驗(yàn)證項(xiàng)目，本文以某型ARINC429發(fā)送器為例(文中簡稱ARINC429發(fā)送器)，介紹應(yīng)用驗(yàn)證過程。

3.1 樣品選擇

應(yīng)用驗(yàn)證元器件試驗(yàn)樣品應(yīng)該從與鑒定檢驗(yàn)批次產(chǎn)品拘束狀態(tài)相同，篩選應(yīng)遵循以下原則：

1) 樣品應(yīng)從研制廠家采購，必須通過器件老化篩選、產(chǎn)品測試合格，具有出廠合格證[5]。

2) 應(yīng)遵循簡單隨機(jī)抽樣的方式抽取樣品。

3.2 驗(yàn)證板卡的設(shè)計(jì)

ARINC429總線發(fā)送器驗(yàn)證板卡以FPGA作為核心器件，其主要完成對ARINC429總線發(fā)送器的功能測試、數(shù)據(jù)的采樣保存和控制、比對、數(shù)據(jù)傳輸、串口輸出等功能。驗(yàn)證工裝提供溫度、振動等環(huán)境試驗(yàn)的安裝平臺，提供28 V-5 V的電源轉(zhuǎn)換功能，示波器實(shí)現(xiàn)對ARINC429總線發(fā)送器的信號特性測量，其總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 驗(yàn)證板卡架構(gòu)

器件電路設(shè)計(jì)如圖4所示，其中V+和V-引腳分別連接電源電路輸出12 V～15 V的正電壓和-15 V～-12 V的負(fù)電壓，VREF引腳接收FPGA的基準(zhǔn)電壓輸入信號，用于調(diào)節(jié)輸出電壓幅度；DATA(A)和DATA(B)引腳接收FPGA的ARNC429邏輯信號輸入，并轉(zhuǎn)換為±5 V的差分信號，通過AOUT、BOUT引腳輸出。

圖4 器件ARINC429發(fā)送器電路設(shè)計(jì)

3.3 應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)置

應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目主要從以下四個方面考慮：生產(chǎn)過程評價(jià)項(xiàng)目、功能性能因素驗(yàn)證項(xiàng)目、質(zhì)量可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目和應(yīng)用適應(yīng)性項(xiàng)目[6]。應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系也從上述驗(yàn)證項(xiàng)目中產(chǎn)出。

生產(chǎn)過程要素主要從廠家的設(shè)計(jì)能力、制造和工藝、過程控制以及自主可控能力四個角度驗(yàn)證。設(shè)計(jì)能力主要考察元器件研制廠家的元器件設(shè)計(jì)能力，包括設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)資歷。芯片以及管殼的設(shè)計(jì)能力、設(shè)計(jì)工具和文件的完備性等；制造和工藝主要考察元器件廠家的生產(chǎn)線的成熟度[7]；過程控制考察其關(guān)鍵工藝和材料的控制，包裝、標(biāo)識的可靠性等；自主可控能力考察元器件差價(jià)的關(guān)鍵原材料和零部件的自主可控能力，以及設(shè)計(jì)、工藝、封裝等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控能力。

功能性能驗(yàn)證是元器件應(yīng)用驗(yàn)證的核心任務(wù)。根據(jù)429用戶需求和元器件特征，總結(jié)出ARINC429發(fā)送器需要驗(yàn)證的功能項(xiàng)目為：429協(xié)議電平符合性、通信速率驗(yàn)證、傳輸延遲功能驗(yàn)證。該項(xiàng)目的驗(yàn)證在第3.4節(jié)介紹。

質(zhì)量可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目主要考察元器件研制廠家的設(shè)計(jì)可靠性、工藝/結(jié)構(gòu)/材料可靠性以及可靠性試驗(yàn)的情況。設(shè)計(jì)可靠性對器件的設(shè)計(jì)文件是否遵循設(shè)計(jì)規(guī)則、電氣規(guī)則、可靠性規(guī)則等檢查；工藝/結(jié)構(gòu)/材料可靠性主要目的是為了查明元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝質(zhì)量、所用材料等潛在的固有可靠性隱患；可靠性試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)，目的是評價(jià)元器件穩(wěn)態(tài)工作的壽命能力。

應(yīng)用適應(yīng)性驗(yàn)證項(xiàng)目主要驗(yàn)證元器件的工藝適應(yīng)性、系統(tǒng)適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性。工藝適應(yīng)性主要考察器件引腳的可焊性以及焊接適應(yīng)性；系統(tǒng)適應(yīng)性試驗(yàn)主要驗(yàn)證器件硬件的兼容性和適配性、電源適應(yīng)性以及工作穩(wěn)定性；環(huán)境適應(yīng)性主要為了驗(yàn)證器件在具體應(yīng)用過程中承受的環(huán)境應(yīng)力，是否能正常工作，滿足用戶需求。常見的環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證項(xiàng)目包括高低溫貯存和高低溫工作。

3.4 ARINC429發(fā)送器的功能性能驗(yàn)證

ARINC429發(fā)送器需要驗(yàn)證的功能項(xiàng)目為：ARINC429協(xié)議電平符合性、通信速率驗(yàn)證、傳輸延遲功能驗(yàn)證。

其中ARINC429電平協(xié)議符合性和通信速率驗(yàn)證是由用戶需求調(diào)研得來并總結(jié)出的用戶對該器件的功能要求。用戶要求能夠?qū)崿F(xiàn)ARINC429總線數(shù)據(jù)通信，且速率達(dá)到協(xié)議規(guī)定的速率標(biāo)準(zhǔn)。傳輸延遲功能驗(yàn)證要求來源于該芯片的設(shè)計(jì)特征和ARINC總線的特征。

1) ARINC429總線協(xié)議電平符合性

驗(yàn)證方法：控制ARINC429發(fā)送器的429信號輸出至ARINC429測試設(shè)備，使用高速示波器，對429鏈路信號進(jìn)行捕獲，判斷信號的差分信號幅度是否符合總線規(guī)范特性及電平是否與總線規(guī)范一致。

驗(yàn)證判據(jù)如表1所示，根據(jù)輸入差分信號的電平狀態(tài)，通過輸出AOUT引腳、BOUT引腳以及地的電壓關(guān)系來判斷其電平的ARINC429總線協(xié)議符合性。

表1 電平協(xié)議符合性驗(yàn)證判據(jù)

2) 通信速率驗(yàn)證

驗(yàn)證方法：通過配置FPGA的ARINC429總線速率為12.5 kbps和100 kbps，控制ARINC429發(fā)送器的429信號輸出至ARINC429測試設(shè)備，用程序產(chǎn)生16個偽隨機(jī)數(shù)，啟動429對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，接收到數(shù)據(jù)后將接收的數(shù)據(jù)保存，將保存的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)做比較。

外部總線功能驗(yàn)證判據(jù)如下：接收數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致。

3) 傳輸延遲功能驗(yàn)證

傳輸延遲功能驗(yàn)證要求來源于該芯片的設(shè)計(jì)特征和ARINC總線的特征，ARINC總線的數(shù)據(jù)傳輸率有高速和低速兩種，其中低速為12.5 kbps，高速為100 kbps。如圖4所示，該芯片通過改變外接CA，CB電容大小來調(diào)節(jié)上升、下降時間，使得芯片工作于高速和低速兩種模式，其中高速模式下CA=CB=75 pf，低速模式下CA=CB=300 pf。

驗(yàn)證方法：控制ARINC429發(fā)送器的429信號輸出至ARINC429測試設(shè)備，使用高速示波器，對429鏈路信號進(jìn)行電平斜坡信號測試，同時使用控制軟件讀取電平上升或下降時間。

驗(yàn)證該功能的判據(jù)為：當(dāng)CA/CB=75 pF，則電容電平充放電時間為1～2 us；當(dāng)CA/CB=300 pF，則電容電平充放電時間為3～9 us。

4 結(jié)束語

隨著元器件在航空器產(chǎn)品中的應(yīng)用需求逐步增加，關(guān)鍵元器件的應(yīng)用驗(yàn)證工作顯得尤為重要[7]。為保證國產(chǎn)航空元器件的可靠性，本文以ARINC429總線發(fā)送器為例，詳細(xì)介紹了應(yīng)用驗(yàn)證過程的思路和方法，從如何調(diào)研、如何驗(yàn)證到指標(biāo)的選取思路，介紹了應(yīng)用驗(yàn)證的具體實(shí)踐過程。在具體驗(yàn)證實(shí)踐過程中，證明本文思路和方法的有效性。