機載顯控設備測試性設計

劉 江

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引言

測試性是指產品自身能否準確、及時地確定其自身工作狀態(可工作、不可工作或性能下降)并隔離出內部故障的一種設計特性[1]。測試性作為機載航空電子設備基本設計特性，產品自身測試性設計的好壞直接決定了該設備感知自身工作狀態(正常、故障和降級)并自動隔離出內部故障點的能力[2]。隨著航空技術以及電子技術的發展，機載航空電子設備向數字化、自動化、綜合化、智能化的方向在快速發展[3]。近年來，測試性設計方式、方法隨著用戶的要求發生了變化。以往產品的測試性設計理念越來越難以滿足用戶對現代機載航空電子設備測試性設計的要求[4]。

在飛機交付使用后，機載設備一旦出現故障，能不能快速、正確地檢測、隔離出故障從而快速修復，有賴于完善的測試性設計[5]。采用科學、合理的測試性設計方法，通過在產品測試、生產、使用等過程中增加監測手段，對設備內部的工作狀態進行自動檢測，對故障點進行自動診斷和隔離，可以提高武器裝備的故障檢測率，有效地提升戰備完好性和戰時利用率，同時降低維修人力和其它資源的要求，進一步達到精簡保障內容的最終目的[6]。

產品的測試性設計通常是指在產品內部嵌入式BIT設計和固有測試性設計[7]。BIT檢測主要是設備對自身進行系統BIT檢測和故障點隔離，這是作為測試性檢測的主要手段。產品的故障檢測設計，必須要考慮經費、技術難度、體積及重量等各種綜合要素，一般BIT檢測率難以達到90%以上的水平，也就是說，至少還有10%的概率要依靠人工輔助檢測進行故障檢測[8]。人工檢測主要是依靠人工介入對設備進行操作或者觀察，使設備的故障點暴露出來。因此，發展人工智能輔助監測和故障綜合診斷技術是目前開展BIT檢測改進、降低故障虛警率的重要途徑，也是國內外重點研究領域[9]。測試性設計這一研究領域，將來的研究重點將會向綜合性測試診斷方面傾斜[10]。

機載顯控設備，作為飛行員與飛機間的人機接口重要設備，負責將飛行員對飛機的相關操作轉換為控制數據送至相應設備，并回顯交聯設備狀態參數供飛行員參考。顯控設備作為機載設備的終端，在測試性設計與實現方面既有劣勢也有優勢。

測試性設計所考慮的問題是在設備設計功能的一開始就要把設備的測試性設計一并考慮在內[11]。本文針對顯控設備自身固有特性，充分利用BIT檢測、人工輔助檢測相結合的方式開展測試性設計，有效提高機載顯控設備的故障檢測率，滿足了用戶要求。本文測試性設計主要針對故障檢測率指標開展，限于篇幅未對故障隔離率設計進行表述。

1 顯控設備測試性需求分析

某型機載顯控設備，用戶要求設備故障檢測率≥90%。顯控設備的硬件構架，主要由電源模塊、I/O模塊、CPU模塊、鍵盤、液晶顯示屏等硬件模塊組成，如圖1所示。

圖1 某型顯控設備模塊組成

根據產品的硬件組成以及產品特點可以看出，機載顯控設備屬于座艙內的人機交互產品，與其他機載電子設備的“黑匣子”工作方式有較大差異性。顯控設備的人機交換部件，如液晶顯示屏以及鍵盤，作為設備的末端，直接與人進行信息交互。

根據用戶設備故障檢測率≥90%要求，在人工不介入操作的情況下，單純依靠檢測電路進行BIT檢測，需要引入大量第三方檢測電路。如對顯示屏的末端顯示質量進行回環檢測，需要在第三方檢測電路增加獨立攝像頭采集圖像，并增加處理器對圖象進行算法處理分析，測算出顯示屏的顯示質量，以判定其是否工作正常。由此引入的開發成本、技術設計難度也極大增加。機載電子設備第三方BIT檢測電路本身也會發生故障和虛警，從而降低整個設備的基本可靠性[12]。從大量應用中得出結論，常規BIT檢測雖然在提高武器效能方面起著積極作用，但是由于第三方檢測電路設計不夠完善、成本投入等方面的限制，在產品設計好投入實際使用后，容易出現一系列問題，如實際檢測和診斷能力差、故障虛警率較高等問題[13]。因此，在做設備故障檢測設計時，我們應當把測試性整體放到首位，并從實際可操作性和長期維修費用的基本觀點出發，在機內BIT檢測與機外人工輔助檢測之間作綜合權衡設計[14]。

通過對顯控設備的功能組成特征進行分析，產品具有天然的固有測試性特征：

1)產品提供全彩色高分辨率液晶顯示窗口可以直接指示產品的工作狀態；

2)產品控制鍵盤上的控制要素(發光部件、操控部件)工作狀態直觀呈現給使用維護者；

3)產品對外提供多通道HB6096總線接口，支持BIT檢測結果上報。

通過制定測試性設計準則，有效結合BIT檢測與人工檢測方式，完成對設備測試點的總體布局，具體設計準則如下：

1)收集產品設計FMECA數據，開展顯控設備測試性建模，并根據模型進行故障檢測率數據分析，尋找設備測試性設計薄弱點；

2)針對有處理器的CPU模塊、I/O模塊、液晶顯示屏(電路部分)，重點開展BIT測試性覆蓋；

3)針對有人工交互的接觸部件，如液晶顯示屏、鍵盤等，重點開展人工輔助檢測設計，通過設置自檢及維護操作頁面，人工輔助檢測設備內模塊的健康狀況并將結果顯示在液晶顯示屏上或上報中央維護系統；

4)迭代測試性模型，得到完善設計后的測試性指標并與用戶設計要求進行對比，如不滿足要求進一步改進設計。

2 顯控設備測試性設計

2.1 BIT測試性設計

2.1.1 整機BIT測試性設計

顯控設備整機BIT測試性架構見圖2，設計架構描述如下：

圖2 顯控設備整機BIT測試性架構設計

1)CPU模塊是整機的BIT維護中心；

2)CPU模塊通過機內總線控制管理I/O模塊，啟動I/O模塊進入總線收發內部閉環檢測；

3)CPU模塊通過通信串口，啟動液晶顯示屏自檢，并接受液晶顯示屏回傳的自檢結果；

4)所有的檢測結果通過視頻信號發送到液晶顯示屏上顯示。

2.1.2 模塊級BIT測試性設計

1)CPU模塊BIT測試性設計:

CPU模塊的ARM處理器、NVRAM、SDRAM和FLASH器件是保證整個設備操作系統正常運行的必要器件。

根據產品的設計要求，當產品完成測試性檢測后，須將檢測結果按照用戶的軟件接口協議要求，通過HB6096總線發送到中央維護系統。若單純依靠第三方BIT檢測電路，必然需要額外增加設計一套CPU最小系統電路才能滿足用戶要求的總線接口設計。按此設計，產品的設計成本以及電路復雜度將大幅增加，且引入大量第三方檢測電路后，產品自身的可靠性指標必然降低，同時產品的虛警率也將上升。因此，BIT設計方案，需要適當地控制第三方測試電路以及元器件的規模，盡可能的采用設備自身的功能硬件、軟件來實現，減少專用硬件的設計比例[15]。在提高故障檢測率的同時，也要防止引入BIT測試電路導致的虛警問題[16]。

通過對設備整機的設計構架綜合評估，可以充分利用產品自身的功能特點，即把ARM處理器作為整個設備檢測核心器件，默認處理器工作正常，當處理器自身故障時整個設備直接為故障狀態。NVRAM、SDRAM和FLASH器件直接掛接在處理器總線上，故障檢測流程如圖3所示。

圖3 CPU模塊BIT檢測流程

CPU模塊BIT檢測設計流程說明如下：

(1)各個功能單元的故障檢測結果存儲在全局變量BIT_FLAG中；

(2)BIT開始執行后，首先將BIT_FLAG變量清零；

(3)依次執行SDRAM、FLASH、NVRAM、以太網接口及時鐘的檢測；

(4)若某個硬件單元出現故障，則將BIT_FLAG中對應的位置“1”；若功能正常則BIT_FLAG置為“0”；

(5)完成后自動進入下一個硬件單元的檢測。各功能單元檢測完成后，將BIT_FLAG的值作為故障判據返回給上層應用軟件使用。

2)I/O模塊BIT測試性設計：

由于設備對外HB6096 總線協議以及RS422協議均在I/O模塊FPGA內部采用IP-CORE方式實現。可通過在FPGA內對各個HB6096總線接收、發送通道，RS422總線接收、發送通道預置寄存器控制指令，當需要進行BIT檢測時，將各個總線通道進行閉環檢測，并最后輸出檢測結果上報CPU模塊，最終在液晶顯示屏顯示檢測結果。

3)液晶顯示屏BIT測試性設計：

利用液晶顯示屏與CPU模塊之間的RS232串口，實現液晶顯示屏的檢測控制指令下發以及檢測結果回傳。液晶顯示屏接收到用戶主機CPU模塊發來的啟動自檢命令后，進行自檢，并向用戶主機回傳自檢結果，檢測內容詳見表1。

表1 液晶顯示屏自檢結果狀態位

2.2 人工檢測設計

2.2.1 不能BIT檢測模式分類

通過對顯控整機FMECA數據整理以及建模分析結果，得到其不能實現BIT檢測，故障危害度為Ⅰ級和Ⅱ級的故障模式，主要分為2大類：

1)鍵盤按鍵功能故障，包含以下故障模式：

(1)按鍵信號連接故障；

(2)按鍵供電電路故障。

2)液晶屏顯示故障，包含以下故障模式：

(1)液晶顯示屏供電連接故障；

(2)液晶屏視頻處理單元輸出視頻信號異常；

(3)液晶屏末端顯示板工作異常；

(4)液晶屏玻璃損壞。

該兩類故障模式均為人機交互類故障。通過對現有設備構架進行分析，可以借助人工檢測實現以上故障模式的測試性覆蓋。

2.2.2 人工檢測啟動設計

通過在CMS(中央維護系統)增加對顯控設備人工檢測啟動指令，實現對顯控設備鍵盤、液晶顯示屏的測試性覆蓋，啟動自檢流程如圖4所示。

圖4 啟動顯控自檢流程

啟動顯控自檢流程說明如下：

1)CMS通過HB6096總線向顯控設備發送人工檢測指令；

2)顯控設備響應指令后自動進入人工輔助測試工作模式；

3)顯控CPU處理器根據設計程序分別進行鍵盤按鍵、液晶顯示屏等不能實現BIT檢測的故障模式，通過人工介入輔助檢測確定是否有故障點；

4)將檢測結果在液晶屏顯示的同時通過HB6096總線上報CMS系統進行記錄。

2.2.3 人工檢測流程設計

顯控設備通過設計測試維護顯示界面以及交互操作響應，以覆蓋2.2.1章節不能實現BIT檢測的故障模式，人工檢測流程設計如圖5所示。

圖5 人工檢測流程

人工檢測流程說明如下：

1)在產品進入人工檢測模式后，通過鍵盤提示燈以1 Hz頻率的閃爍，提示設備人工輔助檢測開始；

2)液晶顯示屏設計維護界面，通過人工對液晶顯示屏的顯示質量進行觀察、確認；

3)為避免設備自身液晶屏黑屏的故障模式時不能目視檢測的弊端，軟件設計時默認5 s未收到人工對液晶顯示質量良好的確認數據，CPU模塊自動向CMS上報液晶顯示屏故障；

4)在液晶顯示檢測正常后，鍵盤提示燈以10 Hz頻率閃爍，提示設備進入鍵盤檢測模式；

5)在鍵盤按鍵維護界面，通過顯示屏提示人工對鍵盤每個按鍵進行按擊、確認；

6)為避免設備自身按鍵失效不能手動確認按鍵結果的故障模式，軟件設計默認每個按鍵3 s未收到人工按鍵良好確認，CPU模塊自動向CMS上報鍵盤模塊故障。

2.2.4 人工檢測模塊實現

人工檢測功能主要由CPU模塊軟件實現。CPU模塊接收到CMS系統測試指令后，進入維護模式。

1)液晶顯示屏顯示故障檢測流程如圖6所示；

圖6 液晶顯示屏顯示故障檢測流程

2)鍵盤按鍵故障檢測流程如圖7所示。

圖7 鍵盤按鍵故障檢測流程

通過人工輔助檢測的方式，以較小的代價即可檢測出顯控產品除BIT故障檢測方式覆蓋外，設備末端部件液晶屏顯示質量及按鍵操作響應等故障模式。

2.3 故障隔離與虛警

CPU模塊是整機測試性中央樞紐。當設備內其他模塊或對外交聯總線未按時上報CPU模塊自檢結果或者CPU模塊未成功接收對方自檢信息，默認采用“主對從錯”的判斷機制，即默認CPU模塊為正常，交聯對方為故障狀態，以此隔離故障模糊組。

整機檢測內部模塊故障以及對外總線故障，采用了多次重傳機制，當主控CPU檢測到某內部模塊或某總線通道故障時，先記錄此故障狀態，隨后重復三次檢測對方均為故障，才判定此故障為真值，以此避免虛警的產生。

3 測試性建模與分析結果系統軟件設計

測試性建模是作為設備測試性分析與評價的一種有效方法[17]。測試性模型是設備組成或故障模式與測試點之間相關邏輯關系的表達示意圖，主要用來說明故障點與測試點之間的邏輯關系以及對測試資源的占用關系[18]。通過測試性模型描述整個設備的測試性方案，在此基礎上由仿真分析可得到設備測試性方案能否滿足用戶要求的測試性指標[19]。

根據設備的FMECA數據，通過對設備的各個模塊及模塊間的功能以及相關性分析，可以建立出設備的故障測試模型[20]。本項目采用北京聯合信標公司“TADS測試性建模與分析軟件”對某型機載顯控設備RTU建立測試性模型如圖8所示。

圖8 某型顯控設備RTU測試性建模部分截圖

圖8中，RTU設備測試性建模流程說明如下：

1)按照建模軟件要求，根據RTU設備的具體功能，在設備左側的各個輸入端口標明流入設備端信號的特征，在設備右側的各個輸出端口標明流出設備端信號的特征，包括信號類型、流入或流出屬性等；

2)構建設備SRU級模塊組成關系，標明各模塊輸入輸出接口，按照設計信號流關系連接各模塊接口；

3)通過模塊之間的信號交聯傳輸關系，可以得到整個設備的信號傳遞路徑以及信號轉換關系；

4)從FMECA分析得到各模塊的故障模式及故障模式失效率數據，將模塊所有導入的故障模式與相關輸入輸出建立關聯，并定義這些故障模式影響的輸出信號；

5)在模塊間或模塊內部，根據具體的故障模式以及產品故障檢測設計，合理設置故障檢測點，標明測試行為及檢測的具體信號(注：圖8中因故障檢測點均在各個模塊內部，在圖中未能顯示出故障檢測點標記)；

6)運行整個模型，開展建模分析，得到故障檢測率結果。

通過測試性仿真建模，得到某型機載顯控設備故障檢測率結果如表2所示。

表2 測試性分析表格

4 結束語

通過測試性設計及建模分析結果，可以看出某型機載顯控設備在不借助人工介入輔助檢測的情況下，單純依靠BIT檢測測試性覆蓋不夠，產品故障檢測率指標較低只有74.72%；通過開展人工輔助檢測設計，可以檢測出其余18.54%的故障模式。因此，將BIT檢測設計與人工輔助檢測設計相結合，整機故障檢測率可提高到93.26%，滿足用戶故障檢測率≥90%的指標要求。

本研究為機載人機交互類設備測試性設計提供了參考，如航電顯示終端、音頻控制單元等機載設備。通過人工檢測設計與BIT檢測設計合理結合，以較小的代價有效提高了設備故障檢測率。