數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)可測試性設(shè)計(jì)

暢 玲 黨紅肖

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著電子設(shè)備系統(tǒng)性能的提高和復(fù)雜度的增加，人們往往希望產(chǎn)品(系統(tǒng))本身具有便于監(jiān)控，易于進(jìn)行故障診斷測試的特性，這就是系統(tǒng)的測試性。根據(jù)GJB 2547-1995 裝備測試性大綱［1］和GJB 3385-1998 測試診斷與術(shù)語［2］的描述，測試性(Testability)是指產(chǎn)品能及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)，并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。目前，測試性同可靠性、維修性一樣，已成為與產(chǎn)品性能同等重要的設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可測試性，就需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中同步考慮系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的合理性和有效性。測試性設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件等的設(shè)計(jì)過程中，通過綜合考慮并實(shí)現(xiàn)測試的可控性與可觀測性，達(dá)到測試性要求的設(shè)計(jì)過程［3］。也就是說一切能使測試生成和故障診斷變得比較容易的設(shè)計(jì)都可稱為可測試性設(shè)計(jì)。

數(shù)傳接收機(jī)作為連接火控系統(tǒng)和火力系統(tǒng)的橋梁，它的工作正常與否直接影響到雷達(dá)指令傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、火炮的可執(zhí)行性以及運(yùn)動的安全性。數(shù)傳接收機(jī)雖設(shè)計(jì)于上世紀(jì)九十年代，但因?yàn)樵O(shè)計(jì)初期較好的考慮到系統(tǒng)的測試和故障診斷問題，不但對系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)內(nèi)測試(BIT)設(shè)計(jì)，而且在前面板預(yù)留了“測試口”，使得系統(tǒng)原位檢測成為可能，進(jìn)而通過系統(tǒng)測試平臺的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)功能檢測、故障診斷以及系統(tǒng)的三級維修簡單方便，為科學(xué)的制定系統(tǒng)的維護(hù)保障計(jì)劃提供了依據(jù)。

本文依照測試性的要求，從逆向工程的角度出發(fā)，通過對某雷達(dá)數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)的軟、硬件以及故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)分析，就如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)這一課題進(jìn)行了探討。

1 數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)組成

數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)主要完成雷達(dá)未來點(diǎn)諸元信號的接收、控制、轉(zhuǎn)換、處理以及火炮命令的傳送、火炮初速的計(jì)算等。它由連接到母板總線的CPU 單元、火炮接口單元、初速單元、方位角控制單元、高低角控制單元、方位角轉(zhuǎn)換單元、高低角轉(zhuǎn)換單元以及供電組成。系統(tǒng)對外接口包括和火控系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)傳輸、送給火炮系統(tǒng)的方位、高低角輸出。其基本組成原理框圖如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)。

2 數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)測試性分析及設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)測試性分析

該系統(tǒng)包括硬件和軟件。硬件方面，從圖1 系統(tǒng)組成原理框圖可以看出，數(shù)傳接收機(jī)中的各控制單元均和標(biāo)準(zhǔn)的總線系統(tǒng)相連。CPU 單元作為系統(tǒng)的核心部件，通過RS485 串行通信接收來自火控系統(tǒng)的未來點(diǎn)諸元信號，按照指令要求完成相應(yīng)的運(yùn)算、處理，隨后以一定的時(shí)序和相位控制火炮的運(yùn)動，同時(shí)它接收來自火炮的隨動信號和初速脈沖，經(jīng)過解算回傳給火控系統(tǒng)。方位角/高低角控制單元將總線送來的火控?cái)?shù)據(jù)分解并經(jīng)過方位角/高低角轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成模擬量送給火炮。整個(gè)系統(tǒng)供電為三相四線制的400Hz/115V，7 路直流供電是由供電單元1 和供電單元2 經(jīng)過交流-直流變換而來。數(shù)傳接收機(jī)功能“積木塊”的特點(diǎn)，使其外場可更換單元(LRU)的劃分相對容易。LRU 的劃分如圖2所示。

系統(tǒng)軟件分為兩部分:操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，其中系統(tǒng)測試程序包含在應(yīng)用軟件中。

圖1 數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)組成原理框圖

圖2 外場可更換單元LRU 劃分

2.2 系統(tǒng)測試點(diǎn)選擇

系統(tǒng)測試點(diǎn)的選擇直接影響系統(tǒng)測試性的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，系統(tǒng)總的輸入/輸出點(diǎn)、各功能單元的信號輸入/輸出點(diǎn)等都是測試點(diǎn)的候選對象［4］。數(shù)傳接收機(jī)中，CPU 單元的串行通信，方位/高低角的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出等都是系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測對象。結(jié)合數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)，根據(jù)測試要求，設(shè)置出數(shù)傳接收機(jī)故障檢測點(diǎn)如下表。

表1 被測單元和故障檢測點(diǎn)設(shè)置一覽表

2.3 系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測試性既包括對產(chǎn)品自身的要求，又包含對測試設(shè)備的性能要求，與維修性及可靠性密切相關(guān)。任何不能被檢測出的故障狀態(tài)的存在將直接影響產(chǎn)品的可靠性和安全性。測試性設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下基本思想:在對系統(tǒng)進(jìn)行功能性能特性設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)進(jìn)行測試性設(shè)計(jì);分層次進(jìn)行測試性設(shè)計(jì)，以滿足三種不同維修級別的要求;合理利用各種測試手段，使機(jī)內(nèi)測試與外部測試相結(jié)合;在可靠性分析的基礎(chǔ)上，找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并重點(diǎn)加強(qiáng)對薄弱環(huán)節(jié)的測試性設(shè)計(jì)，以便提高任務(wù)可靠性和維修性［5］。

根據(jù)數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)的功能，測試性設(shè)計(jì)應(yīng)做到自檢功能強(qiáng)、機(jī)內(nèi)外檢查測試方便以及維修性好等三個(gè)方面。下面從數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測試設(shè)計(jì)、原位檢測設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測試平臺設(shè)計(jì)三方面，闡述數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)的思路和方法。

2.3.1 機(jī)內(nèi)測試(BIT)設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)測試電路作為被測單元的組成部分，構(gòu)成不宜太復(fù)雜，否則會降低系統(tǒng)的MTBF，增加成本，另外還必須要考慮容差范圍，否則容易引起虛警。

為滿足數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)的測試性要求，結(jié)合系統(tǒng)不同LRU 自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了重點(diǎn)被測單元的自檢測用電路。數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測試借助于簡單的硬件，主要為軟件設(shè)計(jì)，它是獨(dú)立于應(yīng)用軟件的測試軟件。主要完成以下功能:⑴狀態(tài)檢測定期檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，比如RS485 的串行通信狀況，以確定系統(tǒng)的工作狀態(tài);⑵故障診斷對反映LRU 狀態(tài)的關(guān)鍵信號和參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集和測量，以確定系統(tǒng)狀態(tài)和隔離故障。

機(jī)內(nèi)測試故障診斷流程見圖3。目前，機(jī)內(nèi)測試系統(tǒng)故障診斷率約為7/12≈58%。

圖3 機(jī)內(nèi)測試流程

2.3.2 原位檢測

原位檢測是指對被檢測對象在其原來的安裝、裝配位置或生態(tài)組織上，進(jìn)行的檢查與測試。它具有快速、方便、有效的特性，是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分［6］。

數(shù)傳接收機(jī)放置在火炮油機(jī)上，鑒于其工作位置的特殊性，在測試性方面，結(jié)合機(jī)內(nèi)BIT 設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)了一個(gè)方便快捷的人工測試接口，以便于進(jìn)行原位檢測。

如圖2所示，數(shù)傳接收機(jī)放在原安裝位置上，其按工作狀態(tài)正常和火控系統(tǒng)、火力系統(tǒng)相連。借助于其面板上的“測試口”，通過一根測試電纜外接測試面板，使數(shù)傳接收機(jī)同時(shí)將方位角和高低角數(shù)據(jù)，火炮開火和報(bào)警命令，供電輸入和輸出電壓，火炮初速輸入等信號輸出，只需連接不同的測試儀器設(shè)備，就可對其進(jìn)行全方位測試，直觀的在正常工作狀態(tài)下檢測其性能指標(biāo)和工作狀態(tài)。

圖4 數(shù)傳接收機(jī)原位檢測原理框圖

圖5 數(shù)傳接收機(jī)專用測試系統(tǒng)組成

原位檢測可以將故障定位到單個(gè)故障單元或系統(tǒng)，使外場可更換單元(LRU)的故障診斷率達(dá)到100%。

2.3.3 專用測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)是一個(gè)權(quán)衡和折衷的過程。一方面希望能對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，對故障進(jìn)行完善的檢測和定位，另一方面還要權(quán)衡系統(tǒng)的可靠性、實(shí)現(xiàn)難易程度和費(fèi)用。采用不同的設(shè)計(jì)方法，合理分配測試資源，提高系統(tǒng)測試效率，降低設(shè)計(jì)成本才是根本。

數(shù)傳接收機(jī)專用測試系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件主要包括火控模擬器、信號轉(zhuǎn)換連接組合、初速模擬器、專用測試電纜、角度測試儀、電源和示波器等，具體見圖4。檢測系統(tǒng)的軟件，主要包括系統(tǒng)模擬器軟件、數(shù)傳接收機(jī)測試軟件兩部分。

如圖5所示，系統(tǒng)模擬器和數(shù)傳接收機(jī)之間采用2 根軍用被覆雙絞線相連，它模擬火控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)、高低角數(shù)據(jù)火炮擊發(fā)、火炮報(bào)警命令諸元給數(shù)傳接收機(jī);初速模擬器完成炮彈通過炮管線圈的初速脈沖模擬;系統(tǒng)供電為400Hz/115V 的交流電。被測的數(shù)傳接收機(jī)通過面板上預(yù)留的測試口，經(jīng)過測試電纜和系統(tǒng)測試面板連接。操作人員通過人機(jī)界面，運(yùn)行一些駐留在平臺模擬器內(nèi)的系統(tǒng)軟件和測試程序，控制系統(tǒng)為數(shù)傳接收機(jī)提供模擬數(shù)據(jù)，隨后檢測數(shù)傳接收機(jī)的輸出信號。

通過數(shù)傳接收機(jī)專用測試系統(tǒng)，不但可以將故障定位到每個(gè)LRU 可更換單元，而且可以進(jìn)一步將故障定位到芯片級。

3 結(jié)束語

測試性設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，有很多因素要考慮。例如，測試點(diǎn)設(shè)置的科學(xué)性，測試接口的標(biāo)準(zhǔn)、通用化，系統(tǒng)測試的直觀性等等。近年來集故障診斷、故障預(yù)測和健康管理(PHM-Prognostics and-Health Management)能力于一體的新型綜合診斷系統(tǒng)已開始應(yīng)用于系統(tǒng)的可測試性設(shè)計(jì)之中。PHM從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷轉(zhuǎn)向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將由基于狀態(tài)的維修取代原來由事件主宰的維修(即事后維修)或時(shí)間相關(guān)的維修(即定期維修)［7］。

某雷達(dá)數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)于上世紀(jì)九十年代，目前已有幾百套的生產(chǎn)量。雖然系統(tǒng)自動化測試程度還不是很高，故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)還是淺層次的，但經(jīng)過多年多套產(chǎn)品的驗(yàn)證，其故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)是有效的，值得以后設(shè)計(jì)借鑒。

［1］GJB2547-1995，裝備測試性大綱［S］.

［2］GJB3385-1998，測試診斷與術(shù)語［S］.

［3］楊玉興，景慎.航空裝備測試性設(shè)計(jì)的發(fā)展及其在ATE 中的應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2014，32(3):48-55.

［4］王青，謝利軍.某機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測試性分析與研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2008，38(5):76-80.

［5］趙繼承，顧宗山等.雷達(dá)系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(3):174-179.

［6］許占顯.原位檢測技術(shù)及其應(yīng)用［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2002，1:17-19.

［7］曾聲奎，Pecht M G，吳際.故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2005，26(5):626-632.