基于BIT 設計的電子設備驗證平臺

靳為東，趙杰，申雙榮

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

隨著電子設備信息化與數字化的快速發展，結構也變得高度集成化和復雜化，電子設備的BIT 設計與其功能設計存在脫節和缺乏規范性，使得BIT 功能電路本身成為了電子設備中的一個不可控風險。在BIT 設計時電子設備的設計已經定型，無法對電子設備功能、結構、體積等相關設計進行更改，盡管在電子設備BIT 設計時有考慮可測性設計，但是由于設備本身的設計已經定型，無法進行根本的更改，使得電子設備的BIT 的引入和電子設備本身功能及指標的保證之間形成了一種不可調和的矛盾。電子設備內部的高度集成和測算總線資源的有限都給電子設備的性能測試、綜合診斷、健康管理和現場維修檢測都帶來了挑戰，因此針對電子設備系統進行基于BIT 和功能一體化設計的電子設備驗證平臺的設計和實現非常重要。

1 基于BIT 設計的電子設備驗證平臺的總體設計

本文介紹了基于BIT 設計的電子設備驗證平臺的總體設計方案和相應的設計步驟，并結合典型研究案例實物完成了電子設備驗證平臺的設計和實現。首先針對典型研究案例進行了故障模式分析和基于多信號測試性建模的測試點優選；然后基于測試性建模測點優選基礎上完成原電子設備BIT 設計的整改，來完成BIT 采集單元設計；接著通過設計的故障注入系統完成對典型案例實物的故障模擬和故障注入；最后驗證平臺配套的數據監測與診斷軟件基于多總線傳輸來獲取BIT 采集單元上傳的狀態監測數據，基于統計分析對典型研究案例實物的測點來完成對應的數據監測與綜合診斷。

基于BIT 設計的電子設備驗證平臺的設計流程，主要包括測性分析建模、BIT 設計、故障注入系統和數據監測與診斷軟件四個功能單元。本論文基于BIT 設計的電子設備驗證平臺總體實現方案如圖1 所示，主要包括兩方面內容：第一是基于測試性分析的電子設備的BIT 設計，第二是基于BIT 設計的電子設備的性能驗證。基于測試性分析的電子設備的BIT 設計，從設計之初就開始對整個電子設備進行測試性分析，并且設計標準化的BIT 采集單元和配套的BIT 設計軟件。基于BIT 設計的電子設備的性能驗證，開發了相應的驗證平臺，配合相應的故障注入系統，基于故障檢測率和故障隔離率等指標，來對電子設備進行BIT 設計后的性能驗證。

圖1 基于BIT 設計的電子設備驗證平臺總體設計

由圖1 可知，基于BIT 設計的電子設備驗證平臺總體的設計步驟如下：

（1）測試性分析：首先對電子設備硬件單元的各子功能框圖進行分析，選擇出提供能表征各個功能單元的的故障模式和測試點，然后在故障檢測率和隔離率等指標約束下，通過可視化測試性建模與分析軟件對電子設備進行多信號建模來完成測試性分析來完成測點優選。

（2）BIT 設計：以電子設備功能單元進行測試性分析優選的測點的基礎上，在電子設備的硬件實物在設計之初預留對應的測試點和對應數據傳輸的總線資源，并把電子設備對應的測點與設計的BIT 采集單元進行連接，結合多信號測試性分析和BIT 采集單元進行電子BIT 設備的一體化設計，來完成基于BIT 設計的電子設備。

（3）故障注入系統設計：包括軟故障注入和硬故障注入兩種工作模式。軟故障注入首先通過基于BIT 設計的電子設備的多故障模式來建立對應的故障知識庫，然后設計的故障注入軟件基于總線層對電子設備的原數據傳輸通信接口進行故障模擬和注入，最終來實現模擬電子設備實際發生的對應故障模式；硬故障注入模式是基于通過專用的硬件注入單元對電子設備的物理層進行故障注入，來完成對底層硬件的短路或者強制引腳變化等故障操作。

（4）性能驗證：通過BIT 采集單元對基于BIT 設計的電子設備的測點進行多維數據的實時監測和采集，并把相應的監測數據通過預留的多總線資源將數據上傳到監測與診斷軟件完成數據監測和綜合診斷，基于統計分析算法等來完成電子設備對應的綜合診斷結果，結合故障檢測率和故障隔離率等指標，完成基于BIT 設計后的電子設備驗證平臺性能驗證。

2 基于BIT 設計的典型案例的電子設備驗證平臺構建

本文電子設備的典型研究案例實物選擇VPX 高速數字收發模塊為例，主要由高速A/D 采集單元、D/A 信號生成單元、FPGA 單元、DSP 單元、高速時鐘單元、DDR3 內存單元和PCIE 橋等組成。基于測試性分析建模和BIT 設計，來實現對VPX 高速數字收發模塊典型應用案例來搭建基于BIT設計的電子設備驗證平臺，結合配套的故障注入系統、監測與診斷軟件，來完成后續對電子設備驗證平臺的性能驗證。

■2.1 測試性建模與分析

本文首先對VPX 高速數據收發模塊相應的功能單元進行故障類型分析整理，然后通過可視化測試性建模與分析軟件對被測對象進行測試性建模，測試性建模優選后的測點如表1 所示。在表1 中，通過選擇采用VPX 高速數據收發模塊兩路時鐘信號10 MHz_1 和10MHz_2 作為頻率信號的監測點，來檢測AD 和DA 時鐘的是否正常工作；其余為VPX高速數據收發模塊各功能單元的供電電壓為監測點，如果電壓不正常說明相應的供電電壓有問題，或者相應的功能單元出現故障。

表1 VPX高速數據收發模塊的測點優選

■2.2 BIT 設計

基于BIT 設計的VPX 高速數字收發模塊的結構框圖如圖2 所示，包括兩部分：其中一部分為對VPX 高速數字收發模塊進行電路整改來引出對應的測點到連接器單元；另外一部分為BIT 采集單元的設計，支持電壓、頻率、波形等多維測試數據的采集，以及支持以太網、串口等多總線數據傳輸。

圖2 基于BIT 設計的高速數字收發模塊結構框

基于BIT 設計的VPX 高速數字收發模塊流程包括：在對VPX 高速數字收發模塊功能單元進行測試性分析獲取優選測點的基礎上，來進行基于BIT 設計的高速數字收發模塊。在不改變高速數字收發模塊功能電路的內部電路結構前提下，把表1 中優選的測點引出到連接器單元；通過設計的BIT 采集單元對應的連接器對高速數字收發模塊功能單元中預留的連接器進行相應測點連接，來完成VPX 高速數字收發模塊功能電路中的電壓、頻率等多維數據的狀態監測與采集，然后BIT 采集單元通過總線資源把監測的數據傳輸到平臺配套的監測與診斷軟件，來完成后續電子設備驗證平臺的綜合診斷和性能驗證。

■2.3 故障注入系統設計

（1）軟故障注入

軟故障注入基于總線層的方式實現對被測對象的故障注入與模擬。首先根據表1 的VPX 高速數字收發模塊的測試點和故障類型進行相關“故障類型編碼”，通過模擬其實際的故障模式來完成故障知識庫的建立；然后故障注入軟件通過總線與基于BIT 設計的高速數字收發模塊的BIT 采集單元建立通信連接；最后故障注入軟件導入故障模式列表，分別設置選擇不同故障的故障注入次數和故障模式，開展對高速數字收發模塊進行故障注入試驗來模擬實際測試通道的故障。

（2）硬故障注入

硬故障注入主要是在VPX 高速數字收發模塊的物理層進行故障注入。首先通過對模塊各功能單元電路的實際工作原理進行分析，確定模塊物理層進行硬件故障注入所需的故障應力類型、故障應力量值和施加方式；然后通過專用的硬件注入模塊和輔助測試儀器來完成對底層硬件的短路、開路或者強制引腳變化，來完成對高速數字收發模塊實際的電源類或短路類等故障類型的注入。

■2.4 電子設備驗證平臺的搭建

在前面對VPX 高速數字收發模塊完成測試性分析、BIT設計和故障注入系統的設計基礎上，本文基于BIT 設計的高速數字收發模塊來搭建的驗證平臺實物如圖3 所示。圖3左側為裝配在VPX 機箱的基于BIT 設計的高速數字收發模塊，圖3 右側為嵌入式測試監測與診斷軟件界面，來完成對模塊的數據監測、綜合診斷和性能驗證。

圖3 基于BIT 設計的高速數字收發模塊電子設備驗證平臺

為了實現VPX 高速數據收發模塊的綜合診斷和性能驗證，首先嵌入式測試監測與診斷軟件作為TCP 服務器與BIT 采集單元的TCP 客戶端建立以太網通信，上位機通過發送指令來控制BIT 采集單元的加電BIT、啟動BIT 和周期BIT 的工作模式切換，來完成電壓、頻率等多維數據采集和上傳；然后對高速數據收發模塊進行基于總線層的軟故障注入和基于物理層的硬故障注入，來模擬高速數據收發模塊實際發生該故障模式產生的故障現象和故障數據；最后嵌入式測試監測與診斷軟件基于統計分析算法對BIT 采集單元上傳的相關監測數據的分析與綜合診斷，來完成構建的基于BIT 設計的電子設備驗證平臺的故障診斷率、故障隔離率、評估指標數值等相關性能驗證。

3 結束語

本文簡要陳述了基于BIT 設計的電子設備驗證平臺總體方案和相關設計步驟，著重描述了基于BIT 設計的典型案例的電子設備驗證平臺構建。本文以VPX 高速數字收發模塊作為典型案例進行基于BIT 設計的電子設備驗證平臺的搭建，完成了對該模塊的測試性分析的測點優選、BIT 設計、基于軟件和硬件的故障注入系統的設計、平臺配套軟件的綜合診斷和性能驗證。本文通過搭建基于BIT 設計典型案例電子設備驗證平臺，解決電子設備實物進行嵌入式設計和驗證難的問題，實現嵌入式測試能力與標準化的提升，能夠為有效的為電子設備的嵌入式測試與健康管理提供驗證支撐。