摘 要:隨著我國新型航空電子系統(tǒng)的加速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)綜合度和復(fù)雜度越來越高，以LRM為基礎(chǔ)的綜合航空電子系統(tǒng)將成為主要的發(fā)展方向，這為系統(tǒng)的測試和維修提出了更高的要求。而LRM的BIT技術(shù)是其中一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，在研究基于LRM的航空電子結(jié)構(gòu)和LRM組成的基礎(chǔ)上提出了LRM內(nèi)部3級組合BIT方法，并對該方法做了較詳細(xì)的描述。該方法在LRM的設(shè)計(jì)以及功能改進(jìn)過程中，可以提高LRM的自檢測能力，降低BIT實(shí)現(xiàn)難度。

關(guān)鍵詞: 航空電子系統(tǒng); LRM; BIT; 自動(dòng)測試設(shè)備

中圖分類號(hào):TP306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)11-0010-04

Study on BIT of Aviation Electronic System Based on LRM

ZHU Can-shi， AN Li

(Engineering College， Air Force Engineering University， Xi’an 710038， China)

Abstract: The integration and complexity of avionics system are improved with the high speed development of new avio-nics system in China， LRM-based integrated avionics system will be the main direction of development of an integrated avionics system， which provides a high demand for testing and maintaining the system. The LRM approach within the three combined BIT is researched based on composition and avionics′ structure LRM， and a more detailed description of the method is proposed. The LRM self-testing capability can be improved and the difficulty of BIT implementation can be reduced in the process of LRM design and functional improvement.

Keywords: aviation electronic systems; LRM; BIT; automatic test equipment

航空電子系統(tǒng)是戰(zhàn)斗機(jī)上的一個(gè)重要子系統(tǒng)，它決定著其作戰(zhàn)性能。隨著航空電子系統(tǒng)綜合度和復(fù)雜度的不斷提高，其測試性和維修性對整個(gè)航空電子系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力、生存能力、維修過程、保障費(fèi)用諸方面的影響越來越大。只有具備良好的可維護(hù)性，系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用、維護(hù)難度和全壽命周期費(fèi)用才能得到降低，飛機(jī)利用率及系統(tǒng)可用性才能得到提高;同時(shí)，軍用飛機(jī)是在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的，只有具有良好的測試性，系統(tǒng)的可靠性及作戰(zhàn)質(zhì)量才能得到保證。測試性的內(nèi)涵主要包括自動(dòng)測試設(shè)備(ATE)和BIT兩個(gè)方面。傳統(tǒng)的測試主要利用外部的測試儀器(ETE)對被測設(shè)備進(jìn)行測試。ATE費(fèi)用高、種類多、操作復(fù)雜、人員培訓(xùn)困難，而且只能離線檢測。隨著航空電子系統(tǒng)對維修性和測試性要求的不斷提高，迫切需要其本身具備檢測、隔離故障的能力，因此BIT技術(shù)在航電系統(tǒng)測試性研究中占據(jù)了重要的地位，同時(shí)也成為維修性、測試性領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

1 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展

航空電子技術(shù)已成為航空領(lǐng)域中最活躍的研究和發(fā)展門類，世界各國均投入大量的人力物力資源，研究和探索新的航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并努力在各新型飛機(jī)上進(jìn)行實(shí)踐和驗(yàn)證。各類新的概念、結(jié)構(gòu)和成功的應(yīng)用范例層出不窮。20世紀(jì)90年代以來，美國、歐洲、俄羅斯都開展了第五代戰(zhàn)機(jī)的研究工作，歐洲聯(lián)合研制的“歐洲戰(zhàn)斗機(jī)”EF2000和“陣風(fēng)”，俄羅斯的新一代多用途隱身戰(zhàn)斗機(jī)S-37和I.44，美國的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)F-22等，都著重研究和探索新的航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1-2]。

20世紀(jì)80年代初，美國空軍萊特實(shí)驗(yàn)室提出了“寶石柱”計(jì)劃。該計(jì)劃旨在為先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略飛行器定義和建立綜合航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出了LRM(外場可更換模塊)的概念。美國新一代戰(zhàn)斗機(jī)F-22的航空電子系統(tǒng)是“寶石柱”計(jì)劃十分成功的應(yīng)用范例。F-22的航空電子設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)了綜合化，這種高度的綜合化體現(xiàn)在三個(gè)不同方面:對飛行員而言，可在一個(gè)顯示器上看到所有經(jīng)過處理的相關(guān)信息，還可獲得戰(zhàn)場態(tài)勢評估結(jié)果，這樣大大減輕了飛行員的工作負(fù)荷;對軟件工程師而言，綜合化意味著各種功能軟件能夠迅速調(diào)用共享數(shù)據(jù)，共享信息的利用大大提高了信息處理的速度和可信度;從硬件角度講，綜合化由通用的組件、模塊、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線和操作系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體框架，實(shí)現(xiàn)信息的處理和傳送[3]。

“寶石柱” 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下:

(1) 整個(gè)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在功能劃分上從聯(lián)合式結(jié)構(gòu)的縱向劃分變成橫向劃分，提出了功能區(qū)的概念，由面向子系統(tǒng)任務(wù)功能綜合演變?yōu)槊嫦蛉齻€(gè)功能管理區(qū)的高級綜合系統(tǒng)。

(2) 采用了模塊化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(3) 系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)?！皩毷庇?jì)劃定義的航空電子結(jié)構(gòu)劃分為三層:高速公用信息處理層、管理層、執(zhí)行層。

(4)由集中式控制分布式處理發(fā)展為分布式控制分布式處理。采用高度光纖數(shù)據(jù)總線構(gòu)成雙余度的通信鏈路，提高通信容量，適應(yīng)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換的需要。

(5)全系統(tǒng)的容錯(cuò)和重構(gòu)模式按任務(wù)管理區(qū)的劃分重新安排資源使功能損失最小。

2 基于LRM的航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 模塊化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從航電系統(tǒng)的發(fā)展史可以總結(jié)航空電子系統(tǒng)正朝著模塊化綜合化方向發(fā)展，而F-22和F-35上的航空電子系統(tǒng)都已經(jīng)是模塊化的航空電子系統(tǒng)。模塊化航空電子系統(tǒng)是指通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化通用功能模塊組合，通過加載與硬件無關(guān)的軟件，完成航空電子各個(gè)設(shè)備功能的系統(tǒng)[4]。在模塊化航空電子系統(tǒng)中，各個(gè)子功能都是建立在通用功能模塊之上，而通用功能模塊在機(jī)載資源基礎(chǔ)上通過加載不同的軟件完成具體的功能。如圖1所示。

圖1 模塊化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于模塊化航空電子系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)就是將一些航空組件(如雷達(dá)、導(dǎo)航、通信)整合到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái)上，為了避免這些組件的相互影響，必需將它封裝在綜合區(qū)域之中，這也是組建模塊化航空電子系統(tǒng)的基本手段。綜合區(qū)域是分層的結(jié)構(gòu)，可以分成多層，而每一層只有幾個(gè)模塊，也可以將綜合區(qū)域分成一層或者兩層，而每一層有許多模塊。模塊化的航空電子系統(tǒng)如圖2所示。

模塊化航空電子系統(tǒng)由核心處理系統(tǒng)和非核心處理系統(tǒng)組成，核心系統(tǒng)包含了若干個(gè)機(jī)柜，而每個(gè)機(jī)柜上裝載了一定數(shù)量的通用功能模塊，通過在通用模塊上加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)航空電子如雷達(dá)信號(hào)處理、通信/導(dǎo)航/識(shí)別、外掛管理等特殊功能。非核心設(shè)備包括信號(hào)采集設(shè)備、顯示設(shè)備、傳感器設(shè)備等。

圖2 由LRM構(gòu)成的航空電子系統(tǒng)

2.2 LRM的一般組成

LRM是組成新的航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在這方面國內(nèi)現(xiàn)已有標(biāo)準(zhǔn)GJB 1422《標(biāo)準(zhǔn)電子模塊總規(guī)范》、HB 7091《機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)電子模塊的設(shè)計(jì)要求》、HB 7092《機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)電子模塊的采用要求》和GJB 2354《機(jī)載計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)要求》，與前3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的美軍標(biāo)分別為MIL-M-28787C，MIL-STD-1389D和MIL-STD-1378E。美國在MIL-M-28787D中規(guī)定了機(jī)載設(shè)備用標(biāo)準(zhǔn)電子模塊，它與MIL-STD-1389D，MIL-STD-1378E一起配套使用，促進(jìn)了美國航空電子模塊化的發(fā)展，如F-22上采用了符合上述3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求的SEM-E型模塊。編制GJB 1422時(shí)由于沒有考慮機(jī)載設(shè)備上的應(yīng)用情況，所以不能與HB 7091，HB 7092很好地配套使用[5]。

從這些標(biāo)準(zhǔn)中可以總結(jié):LRM是系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)上和功能上相對獨(dú)立的各類通用單元的總稱。LRM具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和接口，其內(nèi)建的自檢功能可將故障定位并隔離至LRM一級，通常帶有保護(hù)外殼并支持熱插拔。LRM結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LRM結(jié)構(gòu)

從LRM的概念中可以得出LRM具有以下特點(diǎn):

(1) 足夠的BIT能力。通過自帶電路，如模塊測試維護(hù)(MTM)總線，能鑒別模塊本身是否出現(xiàn)故障。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)性和互換性。模塊按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸、接口(包括物理接口，電氣接口，冷卻接口與數(shù)據(jù)傳輸接口等)及功能。同一類模塊，相互間可以互換。

(3) 功能的獨(dú)立性。每個(gè)模塊都有明確的接口，單個(gè)模塊能實(shí)現(xiàn)相對獨(dú)立的任務(wù)。

LRM按照其電路結(jié)構(gòu)可以分為三類，即數(shù)字型LRM、微波型LRM以及數(shù)?；旌闲蚅RM[6]。

2.3 系統(tǒng)重構(gòu)

航空電子的模塊化設(shè)計(jì)本身并不能提高其可靠性和可維修性，相反，由于模塊化提高了系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度，使得整個(gè)系統(tǒng)可靠性和可維修性降低了。然而，可靠性是保證戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵要素，越來越受到人們的重視，而關(guān)于如何增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，提高系統(tǒng)的可靠性方面引入了許多新的概念，在這些新概念的支持下，航空電子系統(tǒng)才實(shí)現(xiàn)了高可靠性。其中系統(tǒng)重構(gòu)就是其中最為重要的一種。

系統(tǒng)重構(gòu)是在對系統(tǒng)的功能任務(wù)和體系結(jié)構(gòu)的深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，在具有有效的模塊故障檢測與診斷技術(shù)前提下，通過完善的系統(tǒng)邏輯來實(shí)現(xiàn)資源的高度共享，以提高任務(wù)完成率的一門綜合技術(shù)。

模塊化航空電子系統(tǒng)基于系統(tǒng)重構(gòu)的容錯(cuò)管理分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于重構(gòu)的容錯(cuò)管理

系統(tǒng)級故障監(jiān)控和管理負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的故障處理，分系統(tǒng)級故障監(jiān)控和管理負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)所有模塊的故障處理，模塊級故障監(jiān)控和管理負(fù)責(zé)模塊本身的故障處理。當(dāng)出現(xiàn)自身不能處理的故障情況時(shí)，則逐級上報(bào)，由更高一層的故障管理負(fù)責(zé)處理。

管理過程說明如下:

(1) 故障監(jiān)控:故障監(jiān)控由各軟/硬件模塊中的故障檢測單元檢測到相關(guān)軟/硬件故障后均向操作系統(tǒng)中的OS-HM服務(wù)報(bào)告，然后統(tǒng)一由OS-HM服務(wù)模塊向系統(tǒng)管理的故障監(jiān)控程序報(bào)告。故障監(jiān)控程序最終負(fù)責(zé)故障的確認(rèn)，并將確認(rèn)的故障告知故障處理模塊進(jìn)行處理。

(2) 故障管理:故障管理程序接收故障監(jiān)控模塊的確認(rèn)故障消息;確定下一個(gè)配置狀態(tài)并通知配置管理程序進(jìn)行重構(gòu);重構(gòu)完成后接收配置管理程序來的配置狀態(tài)消息。此外，故障管理程序還負(fù)責(zé)故障源的進(jìn)一步識(shí)別與定位(從BIT獲得進(jìn)一步的信息)、相關(guān)故障的確定、向上一層故障管理報(bào)告故障及故障的登記。故障管理模塊根據(jù)現(xiàn)有的功能需求和可用資源來調(diào)用藍(lán)圖中的數(shù)據(jù)庫以確定配置狀態(tài)，并把新的配置狀態(tài)傳送給配置管理單元。

(3) 重構(gòu):重構(gòu)也是將邏輯功能映射到物理資源的過程。其各種映射關(guān)系均在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定并存放在藍(lán)圖數(shù)據(jù)庫中供運(yùn)行時(shí)調(diào)用。當(dāng)物理資源不能滿足邏輯功能的需要時(shí)，則同樣從藍(lán)圖獲得在設(shè)計(jì)過程中確定的該資源情況下邏輯功能的降級版本。通過步驟(1)，(2)，配置管理單元中已經(jīng)有了配置信息，通過對硬件資源的重新配置，系統(tǒng)可以繼續(xù)執(zhí)行其原有的邏輯功能。

3 基于LRM的航空電子系統(tǒng)三級BIT

無論故障監(jiān)控還是故障管理都需要BIT技術(shù)的支持，因而BIT是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)?；贚RM航空電子系統(tǒng)的BIT結(jié)構(gòu)和容錯(cuò)結(jié)構(gòu)類似，可以分為3個(gè)層次，如圖5所示。

圖5 航空電子系統(tǒng)BIT的分層結(jié)構(gòu)

由圖5可以得出LRM的BIT是整個(gè)系統(tǒng)最底層的BIT技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)和系統(tǒng)級BIT技術(shù)的基礎(chǔ)，而BIT是為故障監(jiān)控任務(wù)提供有效故障信息的主要途徑，因而LRM的BIT即為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)的基礎(chǔ)。下面從系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障時(shí)的重構(gòu)來說明LRM BIT的重要作用，整個(gè)流程如圖6所示。

(1) 當(dāng)由LRM的BIT單元發(fā)現(xiàn)硬件故障后，由硬件抽象層軟件將故障向OS-HM服務(wù)報(bào)告。

(2) OS-HM服務(wù)進(jìn)一步將故障匯總到系統(tǒng)管理的故障監(jiān)控軟件。

(3) 故障監(jiān)控軟件根據(jù)故障進(jìn)行確認(rèn)。如果故障確認(rèn)，則報(bào)告故障管理程序。

(4) 故障管理程序根據(jù)藍(lán)圖信息確定重構(gòu)后的配置狀態(tài)，并啟動(dòng)配置管理進(jìn)行重構(gòu)。

(5) 配置管理完成重構(gòu)后，告知故障管理，確認(rèn)現(xiàn)行配置狀態(tài)。

因而LRM的BIT是系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障時(shí)進(jìn)行重構(gòu)的基礎(chǔ)。

圖6 發(fā)生硬件故障時(shí)的重構(gòu)

4 LRM的三級組合BIT

結(jié)合LRM自身的電路特點(diǎn)以及要使其具有完善的BIT應(yīng)該包括的內(nèi)容，提出了LRM內(nèi)的三級組合BIT模型。

LRM的BIT主要由模塊支持單元來控制和實(shí)現(xiàn)，其完善的BIT設(shè)計(jì)應(yīng)該包括:

時(shí)間基準(zhǔn)測試:時(shí)鐘和各項(xiàng)時(shí)鐘基準(zhǔn)測試。

電源測試:電源電壓和電流測試，電源失效檢測。

板上芯片間互聯(lián)測試:檢測引腳交互連接故障。

芯片功耗測試和電源管理:檢測失效芯片的電流異常并進(jìn)行故障隔離。

CPU測試:上電時(shí)基于CPU指令對CPU功能進(jìn)行測試。

存儲(chǔ)器測試:上電時(shí)對程序寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行測試。

互操作性測試:模塊級BIT對芯片內(nèi)BIT的控制和互動(dòng)測試。

I/O接口測試:I/O端口和內(nèi)部后續(xù)通道測試。

總線接口測試:包括總線接口狀態(tài)測試和總線通信協(xié)議測試。

根據(jù)上述內(nèi)容把LRM的BIT分成3個(gè)級別，即芯片級BIT、組件級BIT和模塊級BIT。各級BIT定義及任務(wù)如下:

芯片級BIT:完成芯片自檢測，為組件級BIT提供故障信息。

組件級BIT:本文的組件是指組成LRM的同一類芯片或電路的集合，它的BIT完成組件的自測試，包括互聯(lián)測試，功能測試等，需要專用的BIT微處理器支持或共用LRM內(nèi)的核心處理器，為模塊級BIT提供故障信息。

模塊級BIT:完成整個(gè)模塊BIT信息的綜合處理，主要目的綜合把握BIT的作用和效果，降低BIT的虛警概率，為上級系統(tǒng)提供更加可靠的BIT信息，減少上級系統(tǒng)的故障處理負(fù)擔(dān)。

三級BIT的有機(jī)結(jié)合才能有效地實(shí)現(xiàn)LRM故障的檢測和隔離。

5 結(jié) 語

概述了航空電子綜合化模塊化的發(fā)展過程，分析了基于LRM的航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及LRM的一般組成;研究了旨在提高航空電子系統(tǒng)可靠性的重構(gòu)技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)技術(shù)，并從硬件重構(gòu)的過程來說明了LRM BIT的重要作用。在以上工作的基礎(chǔ)上，又提出了LRM內(nèi)部的三級組合BIT，并給出相應(yīng)的定義和所要完成的任務(wù)。

不同類型的LRM的BIT方法不盡相同，但是同一類的LRM的BIT技術(shù)卻有著很強(qiáng)的通用性，因此根據(jù)LRM分類來研究其BIT技術(shù)更加有效。日后工作可以對每一類的LRM深入研究，研究工作按芯片級，組件級和模塊級展開。在芯片級研究上可以選擇BIST等如今比較熱門的芯片自測試方法進(jìn)行重點(diǎn)研究。在組件級研究上，則首先應(yīng)對LRM的組成硬件進(jìn)行組件劃分，對所劃分出來的組件進(jìn)行故障建模，對所建立的模型尋找合適BIT方法。在模塊級研究上應(yīng)重點(diǎn)解決組件級和芯片級BIT產(chǎn)生的虛警問題，對智能BIT進(jìn)行深入研究和適當(dāng)應(yīng)用，綜合把握整體的BIT效果和性能。

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