電子信息裝備綜合保障技術與保障性設計

杜 丹，王 凱，崔生保

(1.陸軍裝備部駐石家莊地區第一軍事代表室，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32382部隊，北京 100072；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

近年來，隨著軍隊信息化進程的加快，高新技術電子信息裝備大量投入使用，電子信息裝備的作戰地位與作用日益突出，帶來裝備保障工作量日趨加大和復雜化，裝備綜合保障工程在整個裝備研制工作中的地位也變得愈加重要和突出。

裝備綜合保障是指在裝備的壽命周期內，為滿足系統戰備完好性要求，降低壽命周期費用，綜合考慮裝備的保障問題，確定保障性要求，進行保障性設計，規劃并研制保障資源，及時提供裝備所需保障的一系列管理和技術活動[1-2]。

對電子信息裝備而言，隨著電子系統功能不斷完善，電子線路日趨復雜，對測試和維修保障也產生了測試流程復雜、測試時間長、維修保障困難和維修費用高等諸多問題，這些問題嚴重影響了電子信息裝備的完好性和壽命周期。如何在最短的時間內，花費最少就能夠利用有效的檢測手段，快速準確地檢測出電子系統的狀態，快速發現和定位故障，并能夠將故障隔離到最小可更換單元已成為一個不可回避的難題和迫切需要解決的問題。

1 機內測試技術

1.1 BIT測試

BIT是指系統、設備內部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力[3-4]。BIT的重要功能是把設備故障隔離到現場可更換單元(LRU) 或現場可更換模塊(LRM)，BIT也可以在修復性維修活動或系統重構成降級模式后檢驗系統的工作能力。BIT的任務是保證基層級維修，兼顧中繼級和基地級維修。

BIT設計已成為一種常用的測試性設計方法及手段，要求與系統、設備的設計工作同步進行。 BIT通過良好的結構化和層次性設計，對被測試單元(如芯片)、可置換組件(如電路板卡) 和系統等各級故障實現故障檢測隔離的自動化，大量減少了維修資料、通用測試設備、備件補給庫存以及維修人員數量，從而降低產品全壽命周期費用。

目前，BIT的任務已不僅僅限于檢測、診斷，還包含控制、保護，具有綜合狀態監測、復雜故障診斷、精確故障定位、反饋控制和關鍵部件保護等多種功能，其結構日漸復雜、功能日漸強大，正發展成為一個集狀態監控、故障診斷與隔離于一體的綜合測試系統[5-6]。

1.2 JTAG測試

邊界掃描技術(JTAG)是由聯合測試行動組在IEEE1149.1標準中提出的一項主要針對大規模集成電路芯片測試的標準化測試方法。其主要原理為在圍繞芯片內部功能邏輯四周，內部功能模塊與管腳之間，靠近芯片管腳的位置設置串行移位寄存器組，構成一條測試鏈路，即串行移位寄存鏈。通過給測試鏈路輸入測試數據，分析比較輸出結果達到測試芯片內部功能、互連狀態以及管腳是否正常等一系列測試。還可以檢測板級芯片與芯片之間的互連情況。利用JTAG技術，在測試模式下，可以比較全面地了解集成電路芯片的內部故障、電路板的互連以及相互間影響[7]。

JTAG的作用主要體現在以下方面：

① JTAG使用標準化的測試接口、測試總線結構以及測試信號協議，使測試設備可以做到通用化和模塊化，減小測試設備的體積與規模，JTAG通常只需要4根信號線就可以完成對電路的測試；

② JTAG具有開放性的結構，可以很容易引入其他測試性設計技術，豐富測試設備的測試功能；

③ JTAG對芯片管腳的測試可以做到100%的故障覆蓋率，且能實現高精度的故障定位。

IEEE1149.1標準主要針對器件級數據電路部分進行測試，為滿足模擬電路及信號、以及板級、系統級測試需求，JTAG又相繼推出了IEEE1149.4，IEEE1149.5，IEEE1149.7等一系列標準，大大提高了JTAG的測試能力及應用領域，已成為實現BIT測試、改善裝備BIT性能和提高測試性的重要手段，非常適合電子信息裝備現場維修的要求[8]。

1.3 系統融合測試

初期的測試技術往往將工作系統和測試系統分離開來，工作系統負責系統工作目標和任務的完成，而測試系統負責對工作系統進行檢測、測試和設備維修。

隨著集成電路的發展，單一芯片內部集成的電路越來越多，電子信息設備功能越來越復雜，體積越來越小。使得可以將更多的BIT功能設計放入單設備內，電子設備具備更強大的故障檢測、隔離和定位功能。同時，基于無線互連和遠程檢測的技術越來越受到重視，測試系統和工作系統趨于組織融合和功能相互疊加的趨勢，工作系統一方面能夠被測試系統所檢測；另一方面又為測試系統提供必要的測試模塊、測試電路、測試設備以及測試系統所需要的其他分系統(通信子系統、網管子系統等)的技術支撐和保障。測試系統和工作系統趨于組織融合示意如圖1所示。

圖1 測試系統和工作系統趨于組織融合示意Fig.1 Convergence trend of test system and work system

系統融合測試技術采用分布式檢測、集中式控制和處理的分級體系架構。分布式檢測保證了檢測的實時性、全面性。集中式控制和處理保證了測試工作的主動性和全面性，通過匯集系統整體檢測結果并加以綜合處理，縮短故障診斷時間，降低系統虛警率，有效地提高了系統的可用度，通過故障統計分析及性能評估等，可以為裝備的優化設計提供數據和信息。

2 機外測試技術

2.1 ATE/ATS自動測試

由于BITE駐于目標設備內部，所以會不可避免地導致目標設備功耗、質量的增加，不可能完全完成故障隔離和達到較高的故障隔離率要求。采用專門的自動測試設備可以將體積、質量較大的測試部分放置于目標設備之外，對目標設備進行更加全面和深入的測試。2種測試方法相結合，能夠對目標設備進行更全面的測試和綜合保障維護。

自動測試系統(ATS)是指利用計算機控制，能夠實現自動化測試的系統，是對那些能自動完成信號激勵產生、信號測量、數據分析處理、測試結果輸出和顯示的一類系統的統稱[9]。ATS通常在標準的測控系統或儀器總線(CAMAC、GPIB、VXI、PXI、LXI等)的基礎上組建而成，具有高速度、高精度、多功能、多參數和寬測量范圍等眾多特點[10-13]。

早期的ATS通常為專用型，是針對具體型號設備的測試研制的，專用型測試系統功能相對單一，也沒有統一的接口標準，不同測試系統之間無法做到兼容和通用，導致整個測試系統數量和體積龐大。新一代ATS正朝著模塊化、通用化、智能化方向發展，其典型特點是采用開放式體系架構，系統之間、系統內部軟硬件之間采用標準化接口。

虛擬儀器技術是由美國國家儀器公司提出的一種將計算機技術和網絡技術應用于儀器領域的先進測試技術。通過虛擬儀器技術，用戶可以根據不同的測試應用場合和測試需要定制自己的虛擬測試儀器，完成測試任務，虛擬儀器技術的發展以及在計量測試領域的應用為ATE設計提供了新的思路和方向。

在ATE中應用虛擬儀器與傳統儀器相比，具有很多優勢[14]：

(1)體積小，機動性強

虛擬儀器技術依靠計算機的數據計算和處理優勢，可使用示波器模塊、頻譜分析儀模塊等替代傳統的示波器、頻譜分析儀等臺式儀器，從而使系統的體積和連接電纜減少，使設備結構緊湊，更適合現場服務的機動化保障需要。

(2)穩定性好，可靠性高

虛擬儀器采用的技術具有嚴格的技術規范，系統中的一個模塊與其他模塊在工作時互不干擾，這些都可以使整個系統的可靠性提高，間接保障ATE的使用可靠性。

(3)性價比高

虛擬儀器技術是一種基于商業現成可用(COTS)技術的可重配置的平臺，具有很高的性價比。

(4)開發效率高，靈活性強

利用虛擬儀器技術，任何一個使用者都可以通過修改軟件，方便地改變、增減儀器系統的功能與規模，有“軟件就是硬件”之說。

2.2 基于ATE/ATS的綜合測試保障系統

通指裝備綜合測試保障系統是一種典型的電子信息裝備綜合測試保障系統，可以實現狀態監測、故障診斷、故障修復、器材籌供和信息管理等一體化技術保障。可用于系統級測試和故障定位，也可用于通信裝備離位狀態下的自動測試、診斷，提供比機內測試更充分的測試和更完整詳細的分析。

通指裝備綜合測試保障系統由硬件平臺、軟件平臺和測試程序集(TPS)組成。系統采用先進的虛擬儀器技術，硬件體系結構采用流行的PXI/GPIB體系結構，軟件采用LabVIEW圖形化開發平臺，在訂購商用貨架測試模塊的基礎上，新研部分專用通信測試模塊，開發各個裝備測試程序集，并進行系統集成，具有硬件可靠性高、軟件可移植性和擴充性強，整個系統具有極高的性價比等優點。

系統硬件平臺組成如圖2所示。

圖2 通指裝備綜合保障系統硬件組成Fig.2 Hardware component of integrated support system for communication & command equipment

系統主要由主控計算機、PXI主機箱、數字激勵/響應模塊、任意波形發生器模塊、數字示波器模塊、數字多用表模塊、頻率計/計數器模塊、射頻調制信號源模塊、微波調制信號源模塊、調制信號分析儀模塊、開關模塊、下變器/功率計模塊、頻譜分析儀模塊、音頻分析模塊、串口測試模塊、A/E1口測試模塊、K口測試模塊以及程控電源等組成。其中A/E1口測試模塊、K口測試模塊是新研制的專用通信測試模塊。

系統軟件平臺組成如圖3所示。測試程序集包括與被測裝備(含系統級和電路板級)相對應的測試程序(TP)、測試操作和幫助文檔，測試專用線纜/轉接板等配套裝置。本系統所含TP在開發完成后均預裝在系統的主控計算機中，使用時可直接加載執行。用戶也可使用本系統軟件平臺提供的TP開發功能自行開發、修改或調試測試程序。

圖3 系統軟件體系結構Fig.3 Diagram of system software architecture

3 裝備保障性設計

3.1 系統總體保障性設計要求

① 應將保障性要求作為性能要求的組成部分。從論證階段開始就考慮保障問題，使有關保障的要求有效地影響裝備設計。通過保障性分析權衡并確定保障性設計要求和保障資源要求。構建裝備保障系統平臺，保障資源應與裝備同步研制。

② 從全系統的角度對裝備的零部件進行通用性和互換性設計。在裝備設計階段，全系統的角度制定設計標準和規范，使裝備零部件的互換性和通用性增強，提高裝備的維修保障性[15]。

③ 在項目系統研制階段充分論證，制定統一的裝備保障接口規范，規劃一致的裝備保障通信協議，確保裝備與保障資源以及保障資源相互之間有良好的設計接口，技術協調、配套。

3.2 設備保障性設計要求

可靠性和維修性是裝備保障性的關鍵設計特性。除了從可靠性方面提高裝備保障能力外，從維修性方面特別是可測性方面提高裝備保障能力應注重以下幾點[16]：

(1)為了使系統設備工作穩定可靠并能依靠自身快速自檢、發現和定位故障，在綜合衡量成本、體積、重量的情況下，設備應具備一定的BIT能力，實現初步故障檢測和故障隔離能力。

(2)為了使ATE能夠有效地、自動地完成故障檢測，并將故障隔離到規定的產品層次上，被測設備在設計制造時應符合下列規范：

① 被測設備應特設測試模式，置于該模式時，不需再進行復雜設置，即可進行測試。

② 被測設備應設有遙控口(維護口、監控口和網管口等)，便于ATE能夠自動控制被測設備的工作參數。

③ 每個現場可更換單元均應設測試點，測試點應能通過外部連接器可達，測試點信號特性必須符合安全要求。

⑤ 提供測試要求文件。

4 結束語

隨著電子信息系統功能的不斷完善，單純研究故障診斷的理論和方法已不能滿足需求，應該是在產品設計、使用及維護維修全過程考慮其綜合保障的問題。靠BITE和ATS自動故障定位，靠免調試更換備件排除故障，大大降低了對使用現場人員維修水平的要求，是裝備保障性工作的努力方向。