利用BIT技術提高雷達維修性

沈顯照

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230031)

1 引言

隨著現代雷達的發展，雷達功能不斷增強，系統的復雜性不斷提高，這對雷達系統的可靠性，可維護性和可操作性等技術指標提出了更高的要求。在雷達的研制過程中，對于可靠性可以采用一些有效的技術來提高，但由于元器件老化失效、外部環境劣化等各種因素的限制，可靠性不可能無限制地提高。作為雷達系統研制的一種優化方案，在雷達系統可靠性一定的前提下適當增加可靠的冗余設備和檢測設備，以便提高雷達的可靠性和可維護性，為此，現代雷達中進行了可測試性設計(DFT—design for testability)。在現有的DFT方案中，常用的有邊界掃描(BS—boundary scan)技術和內建測試(BIT—built－in test)技術［1］。前者常用于互連測試，后者側重于功能測試。

具體來說，BIT是提高電路系統可靠性并減少系統維護費用的關鍵技術。它通過附加在電路系統內的軟件和硬件對電路系統進行在線故障自檢測［2］。通過在系統中加入BIT，可以達到屏蔽故障影響、提高系統可靠性的目的。完善的BIT設計是實現系統級可靠性技術的關鍵，它還是實現故障容錯和重構的基礎。

隨著技術的不斷發展，對雷達的機內測試，要求越來越高，因此，雷達系統的使用方和研制方都必須在研制初期就進行故障檢測和性能檢測的論證和設計。

2 BIT系統的設計

機內測試的目的在于提高系統和設備的戰備完好性和任務成功性，減少對維修人員和其它資源的要求，降低壽命周期費用，并為管理提供必要的信息。隨著雷達技術的不斷發展，各種新技術的不斷應用，雷達電子設備的復雜程度越來越高，雷達機內測試(BIT)顯得越來越重要。美國空軍從70年代未就開始重視武器系統的測試性，將其提高到與可靠性及維護性一樣的高度。由此不難看出BIT在現代雷達設備中的重要性。

機內測試是通過附加在電路系統內的軟件和硬件對電路系統進行在線(on－line)的故障自檢測［3］，將測試手段嵌入到武器系統之中，成為系統的組成部分，因此也稱為機內測試設備(BITE)。這是近年來，逐漸尋找到的提高武器系統的測試性和作戰效能的最為有效的技術途徑，是提高電路系統可靠性并減少系統維護費用的關鍵技術［3，4］。采用BIT技術的優點在于，它最容易實現武器系統在工作過程中的實時監視，從而能最有效地保證武器系統的作戰能力的發揮。當然，也可用于維修前的觀察和診斷以及在研制過程中作為輔助的調試手段。

2.1 設計原則

由于軍用電子裝備對質量和可靠性要求很高，因而測試設備對軍用武器裝備的保障具有舉足輕重的作用。對于BIT系統的模塊必須考慮其通用性，兼容性和標準接口［5，6］。

BIT的設計應遵循下列原則:

a.分系統在雷達中雖處于輔助地位，但卻是全局性的一個分系統。因而BIT的設計必須從系統的方案論證開始，并和系統設計同步進行。在當前開展雷達系統模塊化的工作中，應當把BIT模塊補充到各個雷達主通路模塊設計中去。

b.設置BIT的目的是通過檢測，實現故障定位和性能測試。這明顯的提高使用性和可操作性。因而，BIT的設置應盡量不影響主通路的工作。當機內檢測可能影響雷達主通路時，就應考慮機外檢測。

c.設置的檢測要考慮到覆蓋面。特別是在功能塊和關鍵部件處不影響雷達主通路的前提下，要保證設置有相關測試點，在硬件設置檢測點有困難的情況下，盡量考慮用軟件檢測的方法。并使硬件和軟件二者有機結合，以提高檢測概率。

d.由于雷達體制和作用的不同，在進行方案論證和設計過程中，模塊要考慮到通用性、兼容性和擴充性，并使二者有機結合。因此，模塊的定型要具有通用性好或兼容性好，并能考慮到標準接口，可以與不常用的設備接口。而且能隨著技術的發展，有一定的擴充功能。

e.設計的模塊要有搭積木的功能。這就反過來要求在進行雷達主通路方案論證和系統或分系統設計時，要給模塊設計留有足夠的空間。

2.2 基本功能

a.具備在線實時監視功能，包括被動的連續檢測和主動的程序檢測;

b.故障檢測和定位功能，可以定位到可更換單元;c.BIT要有自我檢測功能，保證檢測數據正確;d.提供兼容的和標準的BIT接口，I/O及軟件接口;

e.友好的人機交互界面;

f.具有對系統進行重新測試和參與實現系統的容錯能力。

2.3 BIT的指標

在設計BIT系統時，必須考慮到它的技術指標，因為它實際上表示了BIT系統的檢測和故障隔離的能力。技術指標的確定與所采用的BIT檢測方式等因素有關，BIT的主要指標［7］有:

故障檢測率、故障隔離率。這二個指標表現了BIT系統準確檢測故障的概率，它的百分比越高，表明BIT系統的準確度越高。

故障發現時間、故障隔離時間。這二個指標反映了BIT系統的響應時間和切換時間，時間越短，表明BIT系統處理速度越快。

我們常用的是故障檢測率、虛警率、故障發現時間這三個指標。由于雷達的技術指標和戰術指標的不同，對BIT的主要指標的要求不同。同時，在設計BIT系統時，要考慮到雷達主通路和關鍵部件以及系統和后勤支援設備的情況，因而確定具體的數值只能由雷達系統本身的要求來確定。

3 雷達BIT的硬件組成

對于BIT系統的設計是采用分布式檢測，集中式控制和處理的多機系統。采用分布式檢測可以保證檢測的覆蓋面和容易做到選取標準模塊，而且能夠適應模塊化發展的需要。但是控制方式和處理方式則需要集中式。我們知道，雷達系統是個串聯系統，任一地方出現的故障并不完全孤立的，只有匯集系統的整個信息并加以綜合，才能確定故障的位置或其性能指標，才能提高檢測概率，降低系統的虛假概率，改善系統的維修性，提高系統的可用度。

雷達BIT的硬件一般由4個部分的電路組成:采樣和檢測、接口緩沖、主控、人機接口，其框圖見圖1。

圖1 BIT系統框圖

3.1 采樣和檢測

采樣和檢測電路分布于雷達各分機系統內，主要完成對各分機內關鍵信號的采集、轉換處理和狀態識別。

首先是信號采集。由于設備在運行過程中必然會有各種量的變化，由此會產生不同的信息。可以根據不同的診斷需要，選擇能表征設備工作狀態的不同信號，同時將需要檢測的信號從整個系統工作的信號流程中分離出來，然后進行各種轉換，如模數轉換、電平轉換等等，再與標定的門限值進行比較和檢測，生成相應的故障信息。

檢測可以是在線的也可以是離線的。在線檢測是指在雷達整機正常工作的同時，對各分機內設定的檢測單元進行連續測試，不影響雷達的整機工作。而離線檢測是將被檢測單元脫離整機工作進行檢查，此時，BIT將切斷被檢測單元與整機的聯系，在其輸入端輸入正常工作狀態下的標準信號，同時在其輸出端監控輸出信號的狀態以達到檢測目的。

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從上世紀九十年代開始，出現了以數字波形采集和處理技術為核心的微機多功能在線監測系統，該系統利用先進的傳感器技術、計算機技術和數字波形采集與處理等高新技術，實現更多的參數在線監測［9～11］。在線狀態監測系統實現了數據采集，數據處理、狀態識別、數據庫等各項功能。如圖2所示:其基本原理是設備處于運行狀態中，利用各種測量工具測其工作電壓等特征參數，采用相應形式的傳感器，將被測信號(電的或非電的)抽取出來，轉換成為監測裝置可以檢測到的標準形式信號，輸入數字信號采集裝置，通過A/D轉換，然后進行相應的數據分析和特征提取。

圖2 在線檢測原理

檢測傳感器是在線監測系統的入口器件，其靈敏度和性能的優劣直接影響測量精度，進而使數據處理產生大的誤差，監測系統能夠正確運行的前提就是要求傳感器靈敏、可靠、線性度好，能夠不失真的轉換被測信號。對于不同的被測信號，采用的傳感器的形式也會有所不同。

3.2 接口緩沖

接口及緩沖處理模塊由遠程收發、光電隔離、緩沖處理、譯碼驅動等電路組成，它構建了一個良好的輸入、輸出接口通道，從而保障了BIT主控機與數據采樣電路之間可靠的數據通訊/交換。其原理如圖3所示。

圖3 接口緩沖電路原理圖

由于雷達BIT的數據采樣電路分布于雷達各分機，BIT主機與各采樣電路之間相隔較遠，普通的驅動電路已不能保障有效的數據通訊。而通常雷達的內部網絡通訊只限于數據處理、終端顯示等幾個分機，不能涵蓋所有分機，因此靠硬件電路實現遠程收發仍然十分必要。差分傳送是專用的長線傳輸電路，能可靠地抑制干擾、保障通訊順利。此外它還具備多負載能力，設計者可根據需要在一路接收(或發送)端上并掛多路發送(或接收)，從而構成總線系統，方便通訊。對于某些分機(如發射機)的BIT信號，由于其電流電壓較大、干擾較強，需采用光電隔離輸入，將其與BIT地址數據總線隔離開，以避免干擾，提高工作可靠性。

對于系統間的傳輸總線，從發展眼光看，系統與分系統之間，分系統與分系統之間采用網絡方式比較實用、可靠。因為它們可用一根同軸電纜相連，連接線大為減少，并減少了接口的復雜性。而且在未來的雷達系統中，雷達的主通路的分系統之間用網絡接口已成為一個發展趨勢。

3.3 主控處理

主控模塊是BIT系統的核心，主要完成對各功能模塊的控制，并對前端送來的故障數據進行處理，綜合各種信息，給出最終的故障診斷結果。

在設計的某雷達系統中，主控處理原則上是建立在雷達分布式多微機系統基礎上，采用分散測試和集中處理、顯示的三級層次結構，第一層:整個雷達系統的主控層，實現雷達系統各種信息的集中管理和顯示，具有良好的人機交互能力。其硬件是由光柵顯示插件板和微型計算機模塊組成。第二層:通信鏈路層，主要將主控計算機發送來的控制命令按要求發送到特定的串口，相應的下位控制計算機負責具體的命令解釋;收集各下位計算機上報的雷達系統狀態、故障信息轉發給主控層的主控計算機。其硬件由計算機插件、通信接口插件組成，最多可實現8個串口的通信管理能力。第三層:設備層，主要接收通信鏈路層發來的控制命令并具體解釋執行，產生相應控制信號;對雷達系統的各故障信號進行采集并通過通信鏈路層上報給主控計算機。這層控制根據BITE簡化設計的原則盡可能利用各分系統的計算機處理能力，如信號處理的單片機、終端系統本身的計算機，它們通過串口通訊與第二層通信鏈路層進行信息交換，而對接收、天饋、發射等系統則由測控接口插件將監控信息轉換為約定的接口信號，通過第二層送第一層主控計算機。

3.4 人機接口

人機接口由監控顯示屏和操控按鍵組成，可顯示雷達各分機系統故障診斷結果并接受人工干預，從而完成BIT主機與操作人員之間的人機交流。

4 軟件設計

利用故障樹建立雷達故障方程。故障樹建立的最終目的是為了得到最小割集，通常使用下行法。這種算法是沿故障樹自上往下進行，即從頂事件開始，依次將上層事件置換成下層事件，遇到“與”關系將輸入橫向寫出，遇到“或”關系將輸入豎向寫出，直到底事件全部置換為止。故障樹建立過程是通過對故障的因果關系進行邏輯分析，即把結果放在邏輯關系的頂部(頂事件)，將原因放在其底部(底事件)，運用故障樹分析的方法，由因到果，自頂到底進行分析，最終建樹，并寫出故障方程式。

故障樹的軟件算法實現采用靜態順序查找表的方法從表中第一個記錄開始，逐個進行記錄的關鍵字和給定值的比較，若某個記錄的關鍵字和給定值比較相等，則查找成功，找到所查記錄，反之，若直到第n個記錄某關鍵字和給定值比較都不等，則表明表中沒有所查記錄，查找結束。具體步驟如下:

圖4 故障排隊表

a.對系統的所有底事件進行排隊，建立一個故障排隊表，按順序編號。如圖4所示。

b.根據故障樹及其得出的故障方程，對所有“與”關系(稱具有相關性)的節點，建立一個向下相關故障源表，若是“或”關系的節點填空值null。前面已提到這種相關性原則是本系統中的，但實際中也局部加入了系統交叉節點，基于BIT控制器的大存貯量和高運算速度，實現沒有問題。相關故障源表如圖5所示。如此，按圖故障排隊表中的順序將每一個節點所有的向下相關故障序號放在一個區域內，組成一個向下相關故障源表。

圖5 相關故障源表

c.建立一個故障相關索引表，它是由相關源故障表中每一個故障號的首地址和相關源個數建立而成的，見圖6。

d.為使故障相關定位準確，又要及時消除偶然性故障和故障被排除后故障的消失這對矛盾，采取時間區域相關處理，即BIT控制器6次循環查詢全機監測點，再2次進行故障樹的運算，最終得到的故障排序表中的保留故障為最終故障，并報出該故障所有LRU。

圖6 故障關系索引表

軟件算法流程見圖7所示。

圖7 軟件算法流程圖

5 結束語

BIT是現代電子產品提高可維修性、縮短平均維修時間的一種常用手段。雷達BIT通過良好的構建和設計，將測試單元和可更換單元細化到印制板，實現故障檢測隔離的自動化，大大減少了維修資料、通用測試設備及維修人員的數量，在降低費用的同時，更保障了產品的可靠性和可維修性。同時，我們不能孤立地去設計BIT系統，或者說，BIT的設計應明確包含在系統的設計任務書中或合同中，必須從最初的方案論證開始，采用自上而下，逐步漸進的設計方法來進行系統設計。作為BIT工程師，必須熟悉雷達系統，并對整個雷達系統的機內測試信號及全機測試定時關系能全面考慮，這對成功設計BIT系統是非常重要的。

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