摘 要:裝備測試性設計的好壞直接影響了它在使用過程中發(fā)生故障時的診斷效率，對裝備質量進行考核和評估時，測試性能指標是一個重要的參數(shù)。分析了幾種測試性驗證評估方法，選擇使用更合理的超幾何分布驗證方法，并使用虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI進行界面設計和編程，將這一理論方法應用于實踐，可提高準確率，縮短時間，在工程和實踐中具有很高的使用價值。

關鍵詞:測試性; LabWindows/CVI; 驗證評估; 故障診斷

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0043-03

Testability Demonstration and Evaluation Based on LabWindows/CVI

YIN Yuan-wei， MA Yan-heng， LI Gang， HUANG Guan-zhong

(Optical and Electronic Engineering Department，Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract: The design of the equipments′ testability directly impacts the diagnose efficiency in the process of its usage. The index of the equipment testability is an important parameter in the evaluation and demonstration. Some methods of the testability evaluation and demonstration are analyzed， the more reasonable hypergeometric method should be used. Labwindows/CVI can be used to design the interface and program， which can improve the rate of exactness and shorten the time. It has high value in project and practice.

Keywords: testability; Labwindows/CVI; demonstration and evaluation; fault diagnosis

0 引 言

測試性是裝備的一種設計特性[1]，測試性的好壞直接影響了裝備性能的高低以及在使用過程中發(fā)生故障時檢測時間的長短。改善測試性是改進電子裝備系統(tǒng)設計，提高性能，簡化維修保障工作和提高效費比的最有效途徑[2]。在對裝備質量進行考核時，測試性指標是很重要的方面。目前，對測試性的驗證評估缺乏科學有效的措施和方法，還沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)標準。本文分析現(xiàn)有的測試性驗證評估方法，使用更加合理的超幾何分布法。該方法不僅需要的樣本量較少，而且準確率更高，縮短了時間，是一種更為有效的方法。根據(jù)這一理論方法指導，使用更人性化的LabWindows/CVI編程語言，進行界面設計和編程實現(xiàn)，將其應用到工程實踐中去。

1 測試性驗證及指標

1.1 測試性驗證

測試性這一術語是1975年首先由F.Liour等人在《設備自動測試設計》一文提出的[2]，隨后相繼用于診斷電路設計及研究等各個領域。測試性是指能及時準確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能降低)并隔離其內(nèi)部故障的一種設計特性。對裝備戰(zhàn)備完好性、任務成功性、壽命周期及維修人力具有顯著的影響。在系統(tǒng)研制的不同階段應分別實施測試性分析、設計和驗證，保證系統(tǒng)具有所要求的測試性。由于現(xiàn)有的裝備大部分未展開測試性設計及驗證，而且設計之前也沒有考慮測試性問題，所以測試性較差，發(fā)生故障時所需要的檢測時間太長，檢測準確率較低。因此，應更加注意裝備在研制之前的測試性設計，將合適的測試性設計方案應用于每個系統(tǒng)或設備的初步設計中，對選用的測試性設計方案進行定性分析和評價[3]，保證能達到所要求的測試性水平。為確定裝備是否滿足規(guī)定的測試性要求，需要對測試性進行驗證。檢驗其測試性是否合乎要求，掌握裝備檢查發(fā)現(xiàn)異常的能力、檢測和隔離故障的能力以及用于預計測試性指標模型的有效性等。

1.2 測試性指標

對測試性進行驗證，要明確驗證的要求和內(nèi)容。測試性定量指標主要有故障檢測率(Fault Detection Rate，F(xiàn)DR)、故障隔離率(Fault Isolation Rate，F(xiàn)IR)和虛警率(False Alarm Rate，F(xiàn)AR)[4-5] 。

(1) 故障檢測率(FDR):一般定義是在規(guī)定的時間內(nèi)，通過給定測點能夠在規(guī)定工作時間T內(nèi)正確檢測到故障數(shù)ND與規(guī)定工作時間T內(nèi)發(fā)生故障總數(shù)NT之比，用百分數(shù)表示。數(shù)學公式為:

FDR=NDNT×100%

(1)

(2) 故障隔離率(FIR):在規(guī)定時間內(nèi)，通過電路所提供的測點能夠在規(guī)定條件下用規(guī)定方法使正確隔離刀小于等于L個可更換單元的故障數(shù)NL與同一時間內(nèi)檢測到的故障數(shù)ND之比，用百分數(shù)表示。數(shù)學公式為:

FIR=NLND×100%

(2)

(3) 虛警率(FAR):規(guī)定工作時間內(nèi)，發(fā)生虛警數(shù)NFA與同一時間內(nèi)的故障檢測總數(shù)之比，當通過測點檢測到被測單元有故障，而實際上該單元沒有發(fā)生故障。數(shù)學公式為:

FAR=NFANF+NFA×100%

(3)

式中:NF為真實故障檢測數(shù)。由于虛警率的產(chǎn)生因素較多，包括電路本身、環(huán)境因素、人為因素等。所以在進行測試驗證時，通常采用故障檢測率和故障隔離率。

2 幾種驗證評估方法分析

FDR和FIR是電子裝備測試性最主要的兩個指標，目前國內(nèi)外普遍采用的指標驗證方法有兩種:二項分布法和正態(tài)分布法。還有一種超幾何分布法，所需抽樣樣本量小，費用低，更加科學合理[6] 。

2.1 二項分布法

國軍標中采用二項分布法對FDR和FIR進行驗證，其數(shù)學模型為:從樣本總體N中抽取n個試驗樣本，每次抽樣為0~1分布，即或是成功或是失敗，設成功的概率為q，那么失敗的概率為1-q。在n次抽樣中，成功i次的概率由二項分布來表達，即:

P(n，i，q)=niqi(1-q)n-i

(4)

二項分布法的判別準則規(guī)定:n次抽樣中允許失敗的次數(shù)不超過r次，如果試驗中實際失敗的次數(shù)r′≤r，則判為合格，否則判為不合格。

2.2 正態(tài)分布法

正態(tài)分布法數(shù)學模型為:根據(jù)拉普拉斯定理，當n→∞時，二項分布近似為正態(tài)分布，二項分布P(n，k，p)趨近正態(tài)分布N(np，nq，q)，即:

P(n，k，p)=nkpkqn-k≈12πnpqe-(k-np)22npq

(5)

正態(tài)分布法的判別準則規(guī)定為:若成功率規(guī)定值為qS，對n個樣本中失敗的次數(shù)進行統(tǒng)計分析，正態(tài)分布置信度1-α的成功率單側置信上、下限為qU，qL，有:

qS≥qL接收，否則拒收;

qS≥qU接收，否則拒收。

試驗樣本量n的確定方法有:

n=(Z1-α/2)2qS(1-qS)δ2

(6)

式中:Z1-α/2為標準中心正態(tài)分布上側1-α/2分位點;δ為允許偏差，推薦值δ=003～07，δ=001～005。

2.3 超幾何分布法

采用抽樣檢驗的方式，依照超幾何分布，在n次抽樣試驗中，失敗次數(shù)為r次的概率為:

P[X=(n-r)]=Cn-rNq#8226;CrN-Nq/CnN

(7)

在n次試驗中，失敗次數(shù)不大于r(成功次數(shù)大于等于n-r次)的概率定義為超幾何分布函數(shù)，其數(shù)學模型為:

P[X≥(n-r)]=∑ni=n-r(CiNq#8226;Cn-iN-Nq/CnN)

(8)

當樣本總體N足夠大，以至于每抽去一個樣本對整個樣本空間的成功率影響甚微時，不放回抽取可以近似看成有放回抽取，那么超幾何分布可以用二項分布近似，即若N→∞時，有:

Cn-rNq#8226;CrN-Nq/CnN→Cn-rnqn-r(1-q)r

(9)

2.4 三種方法分析

使用二項分布法的條件:

(1) 樣本總體數(shù)量未知;

(2) 每次抽樣相互獨立，具有獨立同分布;

(3) 確定抽樣方案需給定參數(shù)α，β，q0和q1。

正態(tài)分布法的使用條件:

(1) 樣本總體為未知量;

(2) 樣本量n→∞，該要求在工程上不現(xiàn)實;

(3) 確定樣本量和進行判決需給定參數(shù)α，qS。

超幾何分布法的條件:

(1) 樣本總量N可以比較小;

(2) 需給出參數(shù)α，β，q0和q1。

分析結果:超幾何分布法所得試驗樣本量小，可以使驗證試驗更加快速和節(jié)省費用。這是因為分布總體的確定性，減小了試驗的風險，在不增加使用方和承制方風險的情況下，采用超幾何分布法可以減少若干樣本量，所以采用超幾何分布法進行編程實現(xiàn)。

3 LabWindows/CVI編程實現(xiàn)

通過上述分析，確定了測試性驗證的方法，使用LabWindows/CVI編程語言，將超幾何分布法進行工程實現(xiàn)。

3.1 語言介紹

該語言是National Instruments公司(簡稱NI公司)推出的交互式C語言開發(fā)平臺，可以在多種操作系統(tǒng)(Windows 98/XP/NT/2000，Mac OS和UNIX)下運行，它的特點如下[7-9]:交互式程序開發(fā);功能強大的函數(shù)庫;靈活的程序調(diào)試手段;高效的編程環(huán)境;開放式框架結構;集成式的開發(fā)環(huán)境。這些特點大大增強了該語言的功能，為語言開發(fā)人員提供了理想的軟件開發(fā)平臺。作為虛擬儀器軟件開發(fā)工具，可將計算機資源和儀器硬件有機地融為一體，有效地使用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量控制能力，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲和分析處理。開發(fā)者可以利用界面感強的優(yōu)點，通過面板、控件和菜單的設計和靈活的編程語言，完成所需功能。目前在國內(nèi)外已經(jīng)得到了較為廣泛的使用。

3.2 界面創(chuàng)建與編程實現(xiàn)

界面設計主要包括創(chuàng)建用戶界面、在代碼文件中編寫功能程序、運行和調(diào)試等。按照要實現(xiàn)的功能和合理的結構設置，設計出如圖1所示的界面。

圖1 界面設計及編程實現(xiàn)圖

首先，創(chuàng)建用戶界面的過程。根據(jù)所用的參數(shù)和將要實現(xiàn)的功能，設計出如圖界面，其中包括樣本總量、最低可接受值、設計目標、使用方風險和承制方風險，并且各個數(shù)值根據(jù)要求設置，可以修改。其次，屬性修改和路徑匹配。在界面中，用到NUMERIC，TABLE，COMMANDBUTTON等控件。由于界面有多個彈出界面，所以應對面板進行區(qū)分，例如PANEL1，PANEL2，PANEL3等。調(diào)用時，應確認調(diào)用的路徑，明確是在那個面板中進行的。最后，進行程序設計。在控件設置完畢后，系統(tǒng)會自動生成一些代碼，主要的功能程序在源程序中添加即可。下面列舉一些用到的程序語句[10]:

GetCtrlVal(panelHandle3，PANEL3_NUMERIC_1，value1); GetCtrlVal(panelHandle3，PANEL3_NUMERIC_2，value2);

GetCtrlVal(panelHandle3，PANEL3_NUMERIC_3，value3);

SetTableCellVal(panelHandle3，PANEL3_TABLE，MakePoint(1，1)，n);

SetTableCellVal(panelHandle3，PANEL3_TABLE，MakePoint(1，2)，r);

所實現(xiàn)的功能就是通過運算，得出抽樣方案，以供選擇使用，然后與實際操作中得出的結論相比較，以判斷該裝備的測試性設計得是否合格。

4 結 語

介紹了裝備測試性在進行質量考核時的重要作用，其測試性的好壞就是裝備性能的好壞。在進行驗證評估時所參考的測試性指標，都是對測試性進行驗證的定量指標。分析了驗證評估的幾種方法，通過比較，得出使用超幾何分布法進行驗證時所需樣本量更小，而且準確率很高。使用虛擬編程語言進行界面設計，使之用于工程實踐中，為以后的類似工作提供了參考。

參考文獻

[1]原航空工業(yè)部第三零一研究所.GJB2547-95裝備測試性大綱[S].北京:國防科學技術工業(yè)委員會，1996.

[2]曾天翔.電子設備測試性及診斷技術[M].北京:航空工業(yè)出版社，1996.

[3]連光耀，黃考利，陳建輝，等.裝備測試性設計關鍵技術研究[J].儀器儀表學報，2006(22):1196-1197.

[4]王立兵，黃雪峰.電子設備固有測試性評價方法研究[J].現(xiàn)代電子技術，2008，31(21):78-80.

[5]王立兵，馬彥恒，李澤天.PSPICE仿真的測試性驗證方法[J].火力與指揮控制，2009(12):131-134.

[6]馬彥恒，韓九強，李剛.測試性評估與驗證的超幾何分布方法[J].西安交通大學學報，2009，43(3):42-45.

[7]孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[8]史君成，張淑偉，律淑珍.LabWindows虛擬儀器設計[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[9]王建新，楊世鳳.LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京:化學工業(yè)出版社，2006.

[10]郝立坤，楊鎖昌.基于LabWindows/CVI的虛擬信號發(fā)生器的設計[J].儀表技術，2008(9):18-19，59.