自動(dòng)裝彈機(jī)測試性驗(yàn)證平臺需求與方案設(shè)計(jì)

羅建華,王慶樹,李 華

(陸軍裝甲兵學(xué)院， 北京 100072)

測試性是指能及時(shí)、可靠地確定產(chǎn)品的狀態(tài)(可工作、不可工作、性能下降)并對其內(nèi)部故障進(jìn)行隔離的能力[1],是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)即被賦予的一種固有屬性。產(chǎn)品的測試性設(shè)計(jì)水平高低對于裝備的維修保障水平、戰(zhàn)備完好性以及全壽命周期費(fèi)用等方面都有著決定性的作用[2]。近年來，隨著通信、計(jì)算機(jī)以及總線控制技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，操作規(guī)程日趨簡單，功能實(shí)現(xiàn)日趨智能,測試性設(shè)計(jì)的地位凸顯,與之對應(yīng)的測試性驗(yàn)證工作更顯重要[3]。測試性驗(yàn)證(試驗(yàn))是指通過注入一定數(shù)量故障的方式使產(chǎn)品發(fā)生故障,進(jìn)而用測試性設(shè)計(jì)規(guī)定的測試方法進(jìn)行檢測與隔離,并按其結(jié)果來估計(jì)判斷產(chǎn)品的測試性水平的過程,最終成為決定接收或拒收的依據(jù)[4]。

自動(dòng)裝彈機(jī)是一種機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，工作流程持續(xù)時(shí)間相對短暫，故障征兆較少且一旦出現(xiàn)后不易排除。在自動(dòng)裝彈機(jī)的測試性檢測、驗(yàn)證方面，張振山等[5]開發(fā)了一套便攜式智能故障檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對自動(dòng)裝彈機(jī)主要電氣部件的綜合測試。李向榮等[6]利用petri網(wǎng)構(gòu)建了自動(dòng)裝彈機(jī)故障模型，并建立了狀態(tài)方程與關(guān)聯(lián)矩陣，提高了故障的快速診斷推理效率。李培富等[7]設(shè)計(jì)了一種基于DSP控制的自動(dòng)裝彈機(jī)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的可測試性有了一定提高，操作也更加簡便。張振山等[8]研發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)對電控系統(tǒng)的故障檢測,也可以考核程控盒的技術(shù)狀況。邵思杰等[9]設(shè)計(jì)了一種安裝于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)與程控盒之間的故障注入器，通過改變控制信號的方式實(shí)現(xiàn)了故障仿真注入。

針對測試性驗(yàn)證的需求,本文基于故障注入技術(shù),面向自動(dòng)裝彈機(jī)系統(tǒng)這一具體對象設(shè)計(jì)了一種測試性驗(yàn)證平臺,為自動(dòng)裝彈機(jī)使用期間的測試性驗(yàn)證提供了一種設(shè)計(jì)思路。

1 自動(dòng)裝彈機(jī)工作原理

自動(dòng)裝彈機(jī)主要由執(zhí)行部件(旋轉(zhuǎn)輸彈機(jī)、提升機(jī)、推彈機(jī)、開窗機(jī)構(gòu)、拋殼機(jī)、火炮閉鎖器)、控制系統(tǒng)(程控盒)、顯示系統(tǒng)(彈量指示器)、PC機(jī)(裝彈操縱臺、彈種選擇開關(guān)、裝彈按鈕、調(diào)炮器)、信息反饋系統(tǒng)(閂體觸點(diǎn)、后坐觸點(diǎn))和控制電纜等部分組成。本平臺主要對自動(dòng)裝彈機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行測試性驗(yàn)證，該系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和電源組成。各系統(tǒng)功能如下：

1) 控制模塊：通過多種傳感器采集各類狀態(tài)信號，并對執(zhí)行部件進(jìn)行管理。

2) 驅(qū)動(dòng)模塊：接收各類控制信號，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件進(jìn)行動(dòng)作。

3) 電源：為控制系統(tǒng)供電并通過電壓、電流信號的變化監(jiān)控系統(tǒng)供電狀態(tài)。

如圖1所示，其工作流程如下：控制系統(tǒng)接收到PC機(jī)的命令后向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，開啟自動(dòng)裝填流程:驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向執(zhí)行部件按照時(shí)序發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作指令；執(zhí)行部件在按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)指令執(zhí)行動(dòng)作后，觸點(diǎn)開關(guān)判定是否按照正常程序完成動(dòng)作，并將完成信息反饋給控制系統(tǒng)；該信息由控制系統(tǒng)采集、分析后判定執(zhí)行部件工作狀態(tài)(正常、故障)，并將結(jié)果上傳給彈量指示器顯示。

圖1 自動(dòng)裝彈機(jī)系統(tǒng)工作流程框圖

2 驗(yàn)證平臺需求分析

自動(dòng)裝彈機(jī)測試性驗(yàn)證平臺通過故障注入的方式對某型坦克自動(dòng)裝彈機(jī)測試性設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。針對這一基本問題，驗(yàn)證平臺的構(gòu)建可以分解為自動(dòng)裝彈機(jī)控制信號模擬、測試性設(shè)計(jì)與測試性驗(yàn)證3個(gè)關(guān)鍵問題：

1) 自動(dòng)裝彈機(jī)控制信號模擬

在控制模塊經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊輸出控制指令后，自動(dòng)裝彈機(jī)六大執(zhí)行部件執(zhí)行各動(dòng)作程序，同時(shí)控制模塊采集各執(zhí)行部件有關(guān)狀態(tài)信息，爾后再按照一定的程序經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊輸出下一組的驅(qū)動(dòng)信號。因此，盒箱中的控制模塊主要就是按照設(shè)計(jì)好的既定邏輯和時(shí)序，控制各類信號的傳遞。在對自動(dòng)裝彈機(jī)進(jìn)行故障注入過程中，無論采用何種方式，其最終結(jié)果都是通過改變控制模塊發(fā)出的控制信號來實(shí)現(xiàn)。基于驗(yàn)證平臺的需求，控制信號模擬應(yīng)完成以下兩個(gè)方面的功能：一是能夠采集和模擬各執(zhí)行部件的狀態(tài)信號，二是能夠模擬各類控制信號。

2) 測試性設(shè)計(jì)

根據(jù)驗(yàn)證平臺需求，針對自動(dòng)裝彈機(jī)的測試性設(shè)計(jì)主要完成以下測試功能：性能檢測、故障檢測、故障隔離。性能檢測指在產(chǎn)品連續(xù)工作的同時(shí)，對選定的性能參數(shù)進(jìn)行周期性的觀察，以確定產(chǎn)品是否按照既定要求工作的過程。故障檢測指發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在故障的過程。故障隔離指把故障定位到具體可實(shí)施維修或更換的產(chǎn)品組成單元的過程。

3) 測試性驗(yàn)證

根據(jù)GJB2547A—2012要求，應(yīng)選擇一定數(shù)量的典型故障，并將其注入到自動(dòng)裝彈機(jī)控制系統(tǒng)(程控盒)，從而對其測試性設(shè)計(jì)水平進(jìn)行驗(yàn)證。故障注入是指采用人工方式有針對性的模擬特定故障，并將其施加于被測對象，同時(shí)觀測、收集測試診斷系統(tǒng)所輸出的檢測、隔離成敗結(jié)果，進(jìn)而評價(jià)被測對象的測試性水平[10]。故障注入通常由4個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：選擇故障，執(zhí)行注入，監(jiān)視行為，分析結(jié)果[11]。

3 測試性驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)

3.1 測試性驗(yàn)證方法

根據(jù)測試性驗(yàn)證要求,需對被測系統(tǒng)進(jìn)行故障注入。設(shè)被測單元(UUT)由若干模塊組成,試驗(yàn)時(shí),利用故障注入器將預(yù)選的典型故障樣本注入到系統(tǒng)相應(yīng)部分,以造成系統(tǒng)的故障，從而驗(yàn)證被測系統(tǒng)的內(nèi)部測試設(shè)備(BIT)的各項(xiàng)測試性指標(biāo)。其注入原理如圖2所示。由原理圖可知，最簡便易行的方法是將故障注入到各模塊或各個(gè)模塊的連接處,但事實(shí)上很難實(shí)現(xiàn)每次都可以找到可注入的等效故障樣本。

圖2 測試性驗(yàn)證原理框圖

故障注入技術(shù)有多種分類方法，常見的有按試驗(yàn)對象和運(yùn)行環(huán)境分為基于模擬環(huán)境中的故障注入和基于真實(shí)原型系統(tǒng)(物理)中的故障注入方法，按照所注入的類型分為硬件注入和軟件注入等。第一種分類方法容易理解，第二種的區(qū)別在于硬件注入主要是通過附加外接硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)，軟件注入則是通過修改存儲器或寄存器的指令或狀態(tài)信號來進(jìn)行模擬[12]。對于自動(dòng)裝彈機(jī)而言，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積龐大，仿真平臺開發(fā)困難且發(fā)生故障難以修復(fù)，而程控盒控制模塊的主要功能就是按照一定的邏輯和時(shí)序來控制各類信號的傳遞，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是在程控盒驅(qū)動(dòng)模塊的輸出信號作用下響應(yīng)執(zhí)行各類動(dòng)作，因而可借鑒軟件故障注入的思想，對程控盒的輸入/輸出信號進(jìn)行疊加，通過修改存儲器內(nèi)容對自動(dòng)裝彈機(jī)系統(tǒng)的有關(guān)信號進(jìn)行控制，模擬執(zhí)行部件和程控盒控制指令的各類故障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障注入。

3.2 測試性驗(yàn)證平臺構(gòu)建

如圖3示,自動(dòng)裝彈機(jī)測試性驗(yàn)證平臺總共選取了10種故障信號進(jìn)行注入,通過FPGA控制模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。所有故障信號由故障注入系統(tǒng)統(tǒng)一管理,通過上位機(jī)下達(dá)各類控制指令。同時(shí),控制模塊接收各執(zhí)行部件和閂體觸點(diǎn)、后坐觸點(diǎn)反饋的信號。通過分析回傳的狀態(tài)信號檢測和隔離故障。

選取的故障注入信號及導(dǎo)致的故障現(xiàn)象如表1所示。

圖3 自動(dòng)裝彈機(jī)測試性驗(yàn)證平臺硬件框圖

表1 故障注入信號與對應(yīng)結(jié)果

3.3 工作流程

驗(yàn)證平臺工作流程如圖4所示。系統(tǒng)上電開始運(yùn)行,首先配置通信，而后進(jìn)行硬件初始化,檢測采集自動(dòng)裝彈機(jī)各執(zhí)行部件輸出的狀態(tài)信號，然后等待運(yùn)行。自檢結(jié)束后，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，根據(jù)用戶選擇注入相應(yīng)的故障。此時(shí)自動(dòng)裝彈流程繼續(xù)運(yùn)行,上位機(jī)將發(fā)現(xiàn)執(zhí)行部件輸出的狀態(tài)信號存在異常,通過分析之后將異常信號進(jìn)行隔離,并將診斷結(jié)果在上位機(jī)上顯示。每進(jìn)行一次新的故障注入,都要先取消上次所選故障。

圖4 自動(dòng)裝彈機(jī)測試性驗(yàn)證平臺工作流程框圖

4 結(jié)束語

驗(yàn)證平臺在程控盒的輸入/輸出信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行了故障注入，尚未考慮程控盒控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及電源自身故障，對自動(dòng)裝彈機(jī)整體的故障種類和數(shù)量設(shè)計(jì)得還不夠全面。今后需進(jìn)一步關(guān)注邏輯級、芯片管腳級等方面的故障，為自動(dòng)裝彈機(jī)測試性設(shè)計(jì)做更加完善的驗(yàn)證。