基于LRM的航空電子系統BIT研究

摘 要:隨著我國新型航空電子系統的加速發展，航空電子系統綜合度和復雜度越來越高，以LRM為基礎的綜合航空電子系統將成為主要的發展方向，這為系統的測試和維修提出了更高的要求。而LRM的BIT技術是其中一項非常關鍵的技術，在研究基于LRM的航空電子結構和LRM組成的基礎上提出了LRM內部3級組合BIT方法，并對該方法做了較詳細的描述。該方法在LRM的設計以及功能改進過程中，可以提高LRM的自檢測能力，降低BIT實現難度。

關鍵詞: 航空電子系統; LRM; BIT; 自動測試設備

中圖分類號:TP306 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0010-04

Study on BIT of Aviation Electronic System Based on LRM

ZHU Can-shi， AN Li

(Engineering College， Air Force Engineering University， Xi’an 710038， China)

Abstract: The integration and complexity of avionics system are improved with the high speed development of new avio-nics system in China， LRM-based integrated avionics system will be the main direction of development of an integrated avionics system， which provides a high demand for testing and maintaining the system. The LRM approach within the three combined BIT is researched based on composition and avionics′ structure LRM， and a more detailed description of the method is proposed. The LRM self-testing capability can be improved and the difficulty of BIT implementation can be reduced in the process of LRM design and functional improvement.

Keywords: aviation electronic systems; LRM; BIT; automatic test equipment

航空電子系統是戰斗機上的一個重要子系統，它決定著其作戰性能。隨著航空電子系統綜合度和復雜度的不斷提高，其測試性和維修性對整個航空電子系統的作戰能力、生存能力、維修過程、保障費用諸方面的影響越來越大。只有具備良好的可維護性，系統的維護費用、維護難度和全壽命周期費用才能得到降低，飛機利用率及系統可用性才能得到提高;同時，軍用飛機是在惡劣環境下運行的，只有具有良好的測試性，系統的可靠性及作戰質量才能得到保證。測試性的內涵主要包括自動測試設備(ATE)和BIT兩個方面。傳統的測試主要利用外部的測試儀器(ETE)對被測設備進行測試。ATE費用高、種類多、操作復雜、人員培訓困難，而且只能離線檢測。隨著航空電子系統對維修性和測試性要求的不斷提高，迫切需要其本身具備檢測、隔離故障的能力，因此BIT技術在航電系統測試性研究中占據了重要的地位，同時也成為維修性、測試性領域的重要研究內容。

1 航空電子系統的發展

航空電子技術已成為航空領域中最活躍的研究和發展門類，世界各國均投入大量的人力物力資源，研究和探索新的航空電子系統結構，并努力在各新型飛機上進行實踐和驗證。各類新的概念、結構和成功的應用范例層出不窮。20世紀90年代以來，美國、歐洲、俄羅斯都開展了第五代戰機的研究工作，歐洲聯合研制的“歐洲戰斗機”EF2000和“陣風”，俄羅斯的新一代多用途隱身戰斗機S-37和I.44，美國的先進戰術戰斗機F-22等，都著重研究和探索新的航空電子系統結構[1-2]。

20世紀80年代初，美國空軍萊特實驗室提出了“寶石柱”計劃。該計劃旨在為先進戰術和戰略飛行器定義和建立綜合航空電子系統結構，并提出了LRM(外場可更換模塊)的概念。美國新一代戰斗機F-22的航空電子系統是“寶石柱”計劃十分成功的應用范例。F-22的航空電子設備真正實現了綜合化，這種高度的綜合化體現在三個不同方面:對飛行員而言，可在一個顯示器上看到所有經過處理的相關信息，還可獲得戰場態勢評估結果，這樣大大減輕了飛行員的工作負荷;對軟件工程師而言，綜合化意味著各種功能軟件能夠迅速調用共享數據，共享信息的利用大大提高了信息處理的速度和可信度;從硬件角度講，綜合化由通用的組件、模塊、標準數據總線和操作系統構成一個整體框架，實現信息的處理和傳送[3]。

“寶石柱” 系統結構的特點如下:

(1) 整個航空電子系統結構在功能劃分上從聯合式結構的縱向劃分變成橫向劃分，提出了功能區的概念，由面向子系統任務功能綜合演變為面向三個功能管理區的高級綜合系統。

(2) 采用了模塊化航空電子系統結構。

(3) 系統采用分層結構。“寶石柱”計劃定義的航空電子結構劃分為三層:高速公用信息處理層、管理層、執行層。

(4)由集中式控制分布式處理發展為分布式控制分布式處理。采用高度光纖數據總線構成雙余度的通信鏈路，提高通信容量，適應各系統間數據交換的需要。

(5)全系統的容錯和重構模式按任務管理區的劃分重新安排資源使功能損失最小。

2 基于LRM的航空電子系統結構

2.1 模塊化航空電子系統結構

從航電系統的發展史可以總結航空電子系統正朝著模塊化綜合化方向發展，而F-22和F-35上的航空電子系統都已經是模塊化的航空電子系統。模塊化航空電子系統是指通過一系列標準化通用功能模塊組合，通過加載與硬件無關的軟件，完成航空電子各個設備功能的系統[4]。在模塊化航空電子系統中，各個子功能都是建立在通用功能模塊之上，而通用功能模塊在機載資源基礎上通過加載不同的軟件完成具體的功能。如圖1所示。

圖1 模塊化航空電子系統結構

對于模塊化航空電子系統，它的優點就是將一些航空組件(如雷達、導航、通信)整合到一個標準的硬件平臺上，為了避免這些組件的相互影響，必需將它封裝在綜合區域之中，這也是組建模塊化航空電子系統的基本手段。綜合區域是分層的結構，可以分成多層，而每一層只有幾個模塊，也可以將綜合區域分成一層或者兩層，而每一層有許多模塊。模塊化的航空電子系統如圖2所示。

模塊化航空電子系統由核心處理系統和非核心處理系統組成，核心系統包含了若干個機柜，而每個機柜上裝載了一定數量的通用功能模塊，通過在通用模塊上加載不同的軟件，實現航空電子如雷達信號處理、通信/導航/識別、外掛管理等特殊功能。非核心設備包括信號采集設備、顯示設備、傳感器設備等。

圖2 由LRM構成的航空電子系統

2.2 LRM的一般組成

LRM是組成新的航空電子系統的結構基礎。在這方面國內現已有標準GJB 1422《標準電子模塊總規范》、HB 7091《機載設備標準電子模塊的設計要求》、HB 7092《機載設備標準電子模塊的采用要求》和GJB 2354《機載計算機模塊設計要求》，與前3項標準相對應的美軍標分別為MIL-M-28787C，MIL-STD-1389D和MIL-STD-1378E。美國在MIL-M-28787D中規定了機載設備用標準電子模塊，它與MIL-STD-1389D，MIL-STD-1378E一起配套使用，促進了美國航空電子模塊化的發展，如F-22上采用了符合上述3項標準要求的SEM-E型模塊。編制GJB 1422時由于沒有考慮機載設備上的應用情況，所以不能與HB 7091，HB 7092很好地配套使用[5]。

從這些標準中可以總結:LRM是系統安裝結構上和功能上相對獨立的各類通用單元的總稱。LRM具有標準的尺寸和接口，其內建的自檢功能可將故障定位并隔離至LRM一級，通常帶有保護外殼并支持熱插拔。LRM結構如圖3所示。

圖3 LRM結構

從LRM的概念中可以得出LRM具有以下特點:

(1) 足夠的BIT能力。通過自帶電路，如模塊測試維護(MTM)總線，能鑒別模塊本身是否出現故障。

(2) 標準性和互換性。模塊按照統一的標準生產，具有標準的尺寸、接口(包括物理接口，電氣接口，冷卻接口與數據傳輸接口等)及功能。同一類模塊，相互間可以互換。

(3) 功能的獨立性。每個模塊都有明確的接口，單個模塊能實現相對獨立的任務。

LRM按照其電路結構可以分為三類，即數字型LRM、微波型LRM以及數模混合型LRM[6]。

2.3 系統重構

航空電子的模塊化設計本身并不能提高其可靠性和可維修性，相反，由于模塊化提高了系統的集成度和復雜度，使得整個系統可靠性和可維修性降低了。然而，可靠性是保證戰斗機的作戰性能的關鍵要素，越來越受到人們的重視，而關于如何增強系統的容錯能力，提高系統的可靠性方面引入了許多新的概念，在這些新概念的支持下，航空電子系統才實現了高可靠性。其中系統重構就是其中最為重要的一種。

系統重構是在對系統的功能任務和體系結構的深刻認識的基礎上，在具有有效的模塊故障檢測與診斷技術前提下，通過完善的系統邏輯來實現資源的高度共享，以提高任務完成率的一門綜合技術。

模塊化航空電子系統基于系統重構的容錯管理分層結構如圖4所示。

圖4 基于重構的容錯管理

系統級故障監控和管理負責全系統的故障處理，分系統級故障監控和管理負責轄區內所有模塊的故障處理，模塊級故障監控和管理負責模塊本身的故障處理。當出現自身不能處理的故障情況時，則逐級上報，由更高一層的故障管理負責處理。

管理過程說明如下:

(1) 故障監控:故障監控由各軟/硬件模塊中的故障檢測單元檢測到相關軟/硬件故障后均向操作系統中的OS-HM服務報告，然后統一由OS-HM服務模塊向系統管理的故障監控程序報告。故障監控程序最終負責故障的確認，并將確認的故障告知故障處理模塊進行處理。

(2) 故障管理:故障管理程序接收故障監控模塊的確認故障消息;確定下一個配置狀態并通知配置管理程序進行重構;重構完成后接收配置管理程序來的配置狀態消息。此外，故障管理程序還負責故障源的進一步識別與定位(從BIT獲得進一步的信息)、相關故障的確定、向上一層故障管理報告故障及故障的登記。故障管理模塊根據現有的功能需求和可用資源來調用藍圖中的數據庫以確定配置狀態，并把新的配置狀態傳送給配置管理單元。

(3) 重構:重構也是將邏輯功能映射到物理資源的過程。其各種映射關系均在系統設計時確定并存放在藍圖數據庫中供運行時調用。當物理資源不能滿足邏輯功能的需要時，則同樣從藍圖獲得在設計過程中確定的該資源情況下邏輯功能的降級版本。通過步驟(1)，(2)，配置管理單元中已經有了配置信息，通過對硬件資源的重新配置，系統可以繼續執行其原有的邏輯功能。

3 基于LRM的航空電子系統三級BIT

無論故障監控還是故障管理都需要BIT技術的支持，因而BIT是實現整個系統重構的關鍵技術。基于LRM航空電子系統的BIT結構和容錯結構類似，可以分為3個層次，如圖5所示。

圖5 航空電子系統BIT的分層結構

由圖5可以得出LRM的BIT是整個系統最底層的BIT技術，是實現子系統和系統級BIT技術的基礎，而BIT是為故障監控任務提供有效故障信息的主要途徑，因而LRM的BIT即為實現系統重構的基礎。下面從系統出現硬件故障時的重構來說明LRM BIT的重要作用，整個流程如圖6所示。

(1) 當由LRM的BIT單元發現硬件故障后，由硬件抽象層軟件將故障向OS-HM服務報告。

(2) OS-HM服務進一步將故障匯總到系統管理的故障監控軟件。

(3) 故障監控軟件根據故障進行確認。如果故障確認，則報告故障管理程序。

(4) 故障管理程序根據藍圖信息確定重構后的配置狀態，并啟動配置管理進行重構。

(5) 配置管理完成重構后，告知故障管理，確認現行配置狀態。

因而LRM的BIT是系統出現硬件故障時進行重構的基礎。

圖6 發生硬件故障時的重構

4 LRM的三級組合BIT

結合LRM自身的電路特點以及要使其具有完善的BIT應該包括的內容，提出了LRM內的三級組合BIT模型。

LRM的BIT主要由模塊支持單元來控制和實現，其完善的BIT設計應該包括:

時間基準測試:時鐘和各項時鐘基準測試。

電源測試:電源電壓和電流測試，電源失效檢測。

板上芯片間互聯測試:檢測引腳交互連接故障。

芯片功耗測試和電源管理:檢測失效芯片的電流異常并進行故障隔離。

CPU測試:上電時基于CPU指令對CPU功能進行測試。

存儲器測試:上電時對程序寄存器和數據寄存器進行測試。

互操作性測試:模塊級BIT對芯片內BIT的控制和互動測試。

I/O接口測試:I/O端口和內部后續通道測試。

總線接口測試:包括總線接口狀態測試和總線通信協議測試。

根據上述內容把LRM的BIT分成3個級別，即芯片級BIT、組件級BIT和模塊級BIT。各級BIT定義及任務如下:

芯片級BIT:完成芯片自檢測，為組件級BIT提供故障信息。

組件級BIT:本文的組件是指組成LRM的同一類芯片或電路的集合，它的BIT完成組件的自測試，包括互聯測試，功能測試等，需要專用的BIT微處理器支持或共用LRM內的核心處理器，為模塊級BIT提供故障信息。

模塊級BIT:完成整個模塊BIT信息的綜合處理，主要目的綜合把握BIT的作用和效果，降低BIT的虛警概率，為上級系統提供更加可靠的BIT信息，減少上級系統的故障處理負擔。

三級BIT的有機結合才能有效地實現LRM故障的檢測和隔離。

5 結 語

概述了航空電子綜合化模塊化的發展過程，分析了基于LRM的航空電子系統的結構組成以及LRM的一般組成;研究了旨在提高航空電子系統可靠性的重構技術以及在此基礎上實現的容錯技術，并從硬件重構的過程來說明了LRM BIT的重要作用。在以上工作的基礎上，又提出了LRM內部的三級組合BIT，并給出相應的定義和所要完成的任務。

不同類型的LRM的BIT方法不盡相同，但是同一類的LRM的BIT技術卻有著很強的通用性，因此根據LRM分類來研究其BIT技術更加有效。日后工作可以對每一類的LRM深入研究，研究工作按芯片級，組件級和模塊級展開。在芯片級研究上可以選擇BIST等如今比較熱門的芯片自測試方法進行重點研究。在組件級研究上，則首先應對LRM的組成硬件進行組件劃分，對所劃分出來的組件進行故障建模，對所建立的模型尋找合適BIT方法。在模塊級研究上應重點解決組件級和芯片級BIT產生的虛警問題，對智能BIT進行深入研究和適當應用，綜合把握整體的BIT效果和性能。

參考文獻

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