艦船內部通信設備BIT測試設計研究*

吳紅平

(中國電子科技集團公司第三十六研究所　嘉興　314033)

艦船內部通信設備BIT測試設計研究*

吳紅平

(中國電子科技集團公司第三十六研究所嘉興314033)

摘要論文針對艦船內部通信設備的現場維護實際需求，本著實用性的原則，對用戶終端設備和交換傳輸設備這兩類最重要的內部通信設備的BIT測試框架、實現方式進行了探討，希望對內部通信設備的測試性設計提供參考。

關鍵詞艦船; 內部通信; 測試性; 內建自測試; 自動測試設備

Class NumberTN219

1引言

信息化條件下的現代戰爭對裝備的保障性提出了更高要求，特別是對執行遠洋作訓任務的艦船平臺，由于遠離岸基保障力量支撐，需要更多地依賴艦船自身力量進行裝備維修和保養，對裝備自身固有保障能力要求更高，而測試性是固有保障性的核心要素，豐富完善的測試能力是減少保障設備和費用、提高保障效率的最有效手段[1]。測試性主要包括機內測試BIT(Built-in Test)和自動測試設備ATE(Auto Test Equipment)測試兩方面內容[2]。

BIT是指系統或設備內嵌的故障檢測和隔離能力，可以將故障隔離到外場可更換單元FRU(Field Replaceable Unit)級別，BIT技術是改善系統或設備測試性與診斷能力的基本途徑。ATE對被測設備施加激勵并對其輸出響應進行分析評估來完成性能測試和故障診斷，可以將故障隔離至更低的層級和更小的顆粒度，更適合在基地級和中繼級維修使用[2]。BIT和ATE在功能框架、測試資源、測試判據等方面應統籌考慮和兼容設計，而BIT設計又是基礎，本文主要對內部通信設備的BIT進行研究。

2艦船內部通信設備測試性設計特殊性分析

艦船內部通信設備作為一種專用的軍事電子設備，在測試性設計中會面臨一些特殊的限制因素：

1)內部通信設備是融合了多種軟件和硬件技術的復雜系統，是一種典型的網狀分布式系統，體現了通信系統的固有復雜性。從設備上看，分為用戶終端、中心節點、輔助設備、管理設備、電源設備等[3]。絕大部分系統功能均由多個實體組合完成，故障往往具有多種傳播路徑，加之大部分設備采用模塊化設計，在進行模塊級故障隔離時面臨的困難更加復雜。

2)從通信處理功能的層次上看，分為應用層、交換控制層、傳送層、接入層[4]，故障具有復雜的跨層次傳遞特點，而且這些處理功能又分布在多個設備上，縱向和橫向的故障傳播進行交叉耦合，單一故障源往往觸發多重故障告警，給故障隔離進一步帶來困難。

3)內部通信設備具有大量的人機交互接口，用戶的隨機并發操作和非常規操作均可能引起非預期的間歇性軟故障，這種軟故障重現比較困難，故障的描述和分析往往難以及時入手。

顯然，以上這些復雜多樣的因素會給測試性的層次劃分、測試點分配、測試電路設計、測試數據處理帶來諸多挑戰。但是，內部通信設備中內置了諸多信號收發資源和芯片級診斷能力，在系統設計時統籌考慮測試性需求，對這些現成的資源進行靈活分配和共享，就可以在不增加或少增加額外硬件資源的情況下滿足BIT所需要的資源需求，從而構建工程實現簡單可靠、現場實用方便的BIT能力，并可為進一步開發與BIT融合的ATE打下基礎。

3用戶終端設備測試性設計分析

用戶終端設備是內部通信設備的主要組成設備，直接面向用戶，使用負荷較大，損壞概率較高，要求對故障的檢測、顯示、隔離定位要全面、快速和簡單。

用戶終端設備的組成框圖如圖1所示，主要由控制模塊、人機接口模塊、音頻處理模塊、線路接口模塊以及公共通信資源模塊組成，包括A接口、D接口、P接口和E接口。其中，A接口為模擬音頻接口、D接口為數字音頻接口、C接口為協議數據接口、E接口為擴展資源接口。

圖1　用戶終端設備組成框圖

各個模塊之間具有雙向通信接口，采用環繞BIT設計思想[5～6]，在模塊內部增加交叉開關或利用芯片內置的環回功能在測試點上將接口的收發信號回環，根據接口功能是否正常來判斷故障位于接口的哪一側，通過逐級使用接口環回，最終將故障定位至某一特定模塊內。

公共通信資源模塊中應安排用于測試診斷的資源，如音頻信號發生器、DTMF電路、誤碼檢測電路、語音提示資源等，這些測試診斷資源與環繞BIT功能相結合，可以在模塊級、整機級實現多樣化的定性、定量和半定量的測試，并可與交換傳輸設備和其他用戶設備相互配合實現系統級的脫機或聯機測試。

3.1音頻模塊環繞BIT設計

在音頻模塊中面向人機接口模塊側增加一個2*2的矩陣開關，設置兩個BIT環繞點，由開關矩陣實現信號的交叉連接，分別用于A口的內環回和外環回，其環繞結構示意圖如圖2所示。

圖2　音頻模塊BIT環繞示意圖

內環回實現系統診斷，其通路為：人機接口模塊→AI→音頻預放→AI1→開關矩陣→AO1→音頻功放→AO→人機接口模塊。通過該環回可以檢測音頻通道的模擬部分電路是否正常。

外環回用于支撐端到端測試，其通路為：線路接口模塊→DI→編解碼電路→AO2→開關矩陣→AI2→編解碼電路→DO→線路接口模塊。啟動該環回并與線路接口對端的設備配合，可以實現一種端到端的通路檢查。

音頻模塊中插入的矩陣開關采用低導通電阻的小外形模擬集成電路，信號插損低，器件引腳少，占用空間小，對原有電路影響可忽略，實現簡單。

3.2線路接口模塊環繞BIT設計

在線路接口模塊中面向音頻處理模塊側設置一個矩陣開關D，面向控制模塊側設置一個開關矩陣C。其環繞結構示意圖如圖3所示。

圖3　線路接口模塊BIT環繞示意圖

矩陣開關D完成DO→DI的環回，配合音頻處理模塊實現故障在音頻處理模塊和線路接口模塊間的隔離和定位。矩陣開關C完成CO→CI的環回，配合控制模塊實現故障在控制模塊和線路接口模塊間的隔離和定位。

線路接口電路通常由通信ASIC芯片構成，大都內置豐富的環回能力，開關矩陣D和開關矩陣C的全部或部分功能都可由線路接口電路直接完成，對于通信ASIC缺少的環回處理，可用FPGA在外部附加實現。

根據通信ASIC芯片的不同，可能還支持DI1→DO1及LI→LO外環回和LO→LI內環回，充分利用這些豐富的內置環回能力，在不增加外部電路的情況下即可實現深層次的故障隔離。

3.3控制模塊環繞BIT設計

控制模板主要通過軟件來實現數據的環回，對CI接口收到的數據，軟件將其從接收緩沖區處理后通過CO發送出去，實現數據的“虛擬”環回。由于軟件具有并發處理能力，通過對測試維護數據和常規控制數據并行處理，在用戶終端不中斷正常功能時，可以實現實時在線監測。

4交換傳輸設備測試性設計分析

交換傳輸設備是內部通信設備的核心設備，也是最復雜的設備，采用模塊化設計，其發生故障時影響面大，易產生虛警，要求故障檢測及時、隔離定位方便。

各個模塊之間具有雙向接口，同樣，采用環繞BIT設計思想，通過逐級使用接口環回，最終將故障定位至某一特定模塊內。

4.1交換傳輸設備組成

交換傳輸設備的組成框圖如圖4所示，主要由接入模塊、交換模塊、傳輸模塊、主控模塊、公共通信資源模塊、電源模塊、可選的測試模塊組成，包括U接口、V接口、W接口、E接口和C接口。其中，U接口對應用戶終端側接口、L接口對應傳輸線路側接口、V接口和W接口為內部總線接口、C接口為協議數據接口、E接口為擴展資源接口。

公共通信資源模塊中應安排用于測試診斷的資源，如音頻信號發生器、誤碼檢測電路等，其用途與用戶終端中的資源模塊類似，但資源種類更加豐富。利用資源模塊，可以實現多個層級的定性、定量或半定量的測試，以支撐例行檢查、修復性維修驗證等操作。

測試模塊相當于內裝的ATE設備，具有音頻信號發生器、DTMF電路、誤碼測試電路等專用測試資源，通過自定義測試總線與各模塊相連。同時，測試模塊可具有JTAG控制器，經由IEEE1149.1總線與各模塊的TAP端口相連，在測試模塊驅動下，對各個模塊進行掃描診斷。測試模塊可進行故障模擬和注入，強化故障隔離能力。

與用戶終端中的環繞BIT設計思想類似，在模塊的接口處設置測試點，增加交叉開關或利用芯片內置的環回功能在測試點上將接口的收發信號回環，根據接口功能是否正常來判斷故障位于接口的哪一側，通過逐級使用接口環回，最終將故障定位至某一特定模塊內。

4.2接入模塊環繞BIT設計

在接入模塊中面向數據交換模塊側設置一個矩陣開關D。其環繞結構示意圖如圖5所示。

矩陣開關D完成VO→VI的內環回和UI→UO的外環回。VO→VI內環回與主控模塊、傳輸模塊、公共資源模塊等配合，可實現故障在接入模塊與數據交換模塊間的隔離和定位。UI→UO外環回，在遠端用戶終端配合下，可實現故障在內通接入設備與用戶設備間的隔離和定位。

圖5　接入模塊BIT環繞示意圖

線路接口電路通常由通信ASIC芯片構成，大都內置多種環回能力，開關矩陣D的全部或部分功能可由線路接口電路直接完成，對于通信ASIC缺少的環回處理，需要權衡是否用FPGA在外部實現。部分線路接口芯片具有線路質量測量能力[7]，可對線路進行日常監測維護。

4.3傳輸模塊環繞BIT設計

在傳輸模塊中面向數據交換模塊側設置一個矩陣開關D。其環繞結構示意圖如圖6所示。

圖6　傳輸模塊BIT環繞示意圖

與接入模塊類似，傳輸模塊的線路接口電路一般由通信ASIC芯片構成，大都內置豐富的多級環回能力，開關矩陣D的全部或部分功能都可由線路接口電路直接完成。由于傳輸模塊與數據交換模塊間的接口速率較高，一般不適合通過FPGA等外加電路來實現環回。

通過在傳輸模塊上執行環繞BIT，可以實現傳輸模塊與數據交換模塊間的故障隔離，也可配合對端的交換傳輸設備實現設備間故障隔離。

4.4數據交換模塊環繞BIT設計

數據交換模塊與接入模塊、傳輸模塊、控制模塊等采用統一的數據接口連接，利用其固有的數據交換能力，在軟件控制下，將每一個接口的輸入交換到輸出，即可實現外部環回的效果，從而支撐數據交換模塊與其外圍模塊間的故障隔離能力的實現。

4.5控制模塊環繞BIT設計

與用戶終端的控制模塊BIT設計相似，控制模板軟件對CI接口收到的數據，將其從接收緩沖區處理后通過CO接口發送出去，在不需要額外硬件條件下即可實現數據的“虛擬”環回。通過與遠端用戶終端的控制模塊相互配合，可實現故障實時在線監測。

4.6基于邊界掃描的BIT設計

邊界掃描技術是20世紀90年代由IEEE發展的一種主流測試技術，該技術可實現對芯片及電路板的全面診斷，能夠測試器件損壞、互連電路的開路和短路等，可以在電路工作的同時進行檢測，真正實現了在線檢測[8]。同時，可用于進行程序/數據的加載和調試，能夠減少很多不必要的模塊拆裝操作。

根據IEEEll49.1標準，基于邊界掃描的測試框架如圖7所示，各模塊間采用Multi-Drop方式連接，可以簡化背板的布線。邊界掃描系統主要是由內嵌在測試模塊中的邊界掃描測試控制器和位于其他模塊中的測試接入控制器構成。測試模塊的邊界掃描控制功能主要由CPU電路以及邊界掃描測試總線控制器芯片組成；各從模塊上則使用多端口TAP橋接芯片，實現多條掃描鏈。測試模塊的CPU模塊與測試控制上位機進行通信，對測試指令進行解析，通過邊界掃描測試總線控制器將測試指令與數據轉換為滿足IEEEll49.1標準的接口信號，通過JTAG總線送入被測模塊的邊界掃描測試結構中并接收來自被測模塊的響應。

圖7　平臺JTAG掃描測試結構示意圖

5系統級測試性設計分析

內部通信設備的系統級測試性關注重點是端到端通道的連通性和用戶業務功能正確與否，也可以用于自動化的系統功能測試，主要在例行檢查、故障現象確認和修復驗證階段使用，故障檢測后的故障隔離則需要調用設備級和單元級的測試功能來完成。

內部通信設備中的系統級業務有兩種典型的網絡連接結構，一種為點到點連接，另一種為點到多點，端到端的通道連通性正確與否是決定業務功能正確與否的關鍵因素，所以系統性測試的核心即是綜合調用各節點上的測試資源來完成端到端連通性的測試[9]。下面分別討論兩種網絡結構下語音通信功能的端到端連接通性測試方案。

5.1點到點連接結構

點到點連接方式下進行系統級測試時涉及到四個實體，分別為測試控制臺、終端A、終端B、傳輸網絡(由多個交換傳輸設備組成)。對于部分簡單的測試，測試控制臺的部分軟件也可以內嵌于終端中，在終端上即可完成測試的操作控制。

測試控制臺完成測試過程的總控和結果采集分析。測試開始時，測試控制臺向終端A、終端B、傳輸網絡下達測試控制命令，將它們的狀態置為測試狀態；然后，測試控制臺上人工或調用測試腳本自動下達測試指令，同時連續對測試響應數據進行分析和顯示。

圖8　點到點連接結構系統級測試構成示意圖

始發終端A依據測試類型和測試控制臺的指令啟動相應的測試電路。測試可分為定性測試和定量測試，也可分為開環測試和閉環測試。在定量測試模式下，由終端A發送特定編碼信號，在終端B上進行解碼并統計丟包率等參數，將結果上報給測試控制臺，終端B上也可以將接收的信號處理后再回送給終端A，可構成雙向閉環測試；在具體實現時，使用FPGA即可簡單實現，硬件開銷小[10]。在定性測試模式下，由終端A發送特定節律的音頻信號，在終端B上用電路定性檢測，或者以聲、光方式顯示給測試配合人員判斷，完成通道連通性的定性判斷。定性測試模式比較適合技術層次較低的使用或維護人員，有較好的工程實用性，是定量測試的重要補充。

5.2點到多點連接結構

點到多點連接方式下的系統級測試與點到點連接方式下基本相同，但由于涉及的實體更多，控制更加復雜。而且，往往在交換傳輸設備處進行了業務數據的分發或混合處理，導致信號的不對稱，常規的雙向定量測試難以實現，一般只能進行單向定量或定性測試。

6結語

隨著海軍作訓任務頻度的提高，遠離岸基維護力量支持的艦載綜合內部通信系統對裝備固有測試性要求越來越高，工程上實現簡單、操作方便易用的BIT功能是提高艦載綜合內部通信系統固有測試能力的基本途徑。

本文對艦載綜合內部通信系統關鍵設備的BIT進行了分析，針對典型的點到點和點到多點通信連接提出進行系統級測試的基本思路。設備級的BIT測試設計已經在某工程項目中成功運用，而系統級BIT測試有待于在新的研制項目中實現。

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Testability of Internal Communication Equipment in Naval Vessels

WU Hongping

(No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing314033)

AbstractFocusing on the field maintenance requirements of ships intercom sets and based on the principle of practicality,this paper discusses BIT framework design and implementation methods of user terminal device and switching transmission device which are the two most important internal communication equipment, and provides a reference to the testability design of ships intercom sets.

Key Wordsnaval vessels, internal communication, testability, BIT, ATE

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月17日

作者簡介：吳紅平,女,工程師，研究方向：通信電子設備的通用質量特性管理。

中圖分類號TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.031