沈顯照

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230031)

1 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展，雷達(dá)功能不斷增強(qiáng)，系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，這對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性和可操作性等技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。在雷達(dá)的研制過(guò)程中，對(duì)于可靠性可以采用一些有效的技術(shù)來(lái)提高，但由于元器件老化失效、外部環(huán)境劣化等各種因素的限制，可靠性不可能無(wú)限制地提高。作為雷達(dá)系統(tǒng)研制的一種優(yōu)化方案，在雷達(dá)系統(tǒng)可靠性一定的前提下適當(dāng)增加可靠的冗余設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備，以便提高雷達(dá)的可靠性和可維護(hù)性，為此，現(xiàn)代雷達(dá)中進(jìn)行了可測(cè)試性設(shè)計(jì)(DFT—design for testability)。在現(xiàn)有的DFT方案中，常用的有邊界掃描(BS—boundary scan)技術(shù)和內(nèi)建測(cè)試(BIT—built－in test)技術(shù)［1］。前者常用于互連測(cè)試，后者側(cè)重于功能測(cè)試。

具體來(lái)說(shuō)，BIT是提高電路系統(tǒng)可靠性并減少系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用的關(guān)鍵技術(shù)。它通過(guò)附加在電路系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行在線故障自檢測(cè)［2］。通過(guò)在系統(tǒng)中加入BIT，可以達(dá)到屏蔽故障影響、提高系統(tǒng)可靠性的目的。完善的BIT設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)可靠性技術(shù)的關(guān)鍵，它還是實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)和重構(gòu)的基礎(chǔ)。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)雷達(dá)的機(jī)內(nèi)測(cè)試，要求越來(lái)越高，因此，雷達(dá)系統(tǒng)的使用方和研制方都必須在研制初期就進(jìn)行故障檢測(cè)和性能檢測(cè)的論證和設(shè)計(jì)。

2 BIT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)測(cè)試的目的在于提高系統(tǒng)和設(shè)備的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，減少對(duì)維修人員和其它資源的要求，降低壽命周期費(fèi)用，并為管理提供必要的信息。隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷應(yīng)用，雷達(dá)電子設(shè)備的復(fù)雜程度越來(lái)越高，雷達(dá)機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)顯得越來(lái)越重要。美國(guó)空軍從70年代未就開(kāi)始重視武器系統(tǒng)的測(cè)試性，將其提高到與可靠性及維護(hù)性一樣的高度。由此不難看出BIT在現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備中的重要性。

機(jī)內(nèi)測(cè)試是通過(guò)附加在電路系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行在線(on－line)的故障自檢測(cè)［3］，將測(cè)試手段嵌入到武器系統(tǒng)之中，成為系統(tǒng)的組成部分，因此也稱(chēng)為機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備(BITE)。這是近年來(lái)，逐漸尋找到的提高武器系統(tǒng)的測(cè)試性和作戰(zhàn)效能的最為有效的技術(shù)途徑，是提高電路系統(tǒng)可靠性并減少系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用的關(guān)鍵技術(shù)［3，4］。采用BIT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，它最容易實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)在工作過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)視，從而能最有效地保證武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。當(dāng)然，也可用于維修前的觀察和診斷以及在研制過(guò)程中作為輔助的調(diào)試手段。

2.1 設(shè)計(jì)原則

由于軍用電子裝備對(duì)質(zhì)量和可靠性要求很高，因而測(cè)試設(shè)備對(duì)軍用武器裝備的保障具有舉足輕重的作用。對(duì)于BIT系統(tǒng)的模塊必須考慮其通用性，兼容性和標(biāo)準(zhǔn)接口［5，6］。

BIT的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則:

a.分系統(tǒng)在雷達(dá)中雖處于輔助地位，但卻是全局性的一個(gè)分系統(tǒng)。因而B(niǎo)IT的設(shè)計(jì)必須從系統(tǒng)的方案論證開(kāi)始，并和系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。在當(dāng)前開(kāi)展雷達(dá)系統(tǒng)模塊化的工作中，應(yīng)當(dāng)把BIT模塊補(bǔ)充到各個(gè)雷達(dá)主通路模塊設(shè)計(jì)中去。

b.設(shè)置BIT的目的是通過(guò)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)故障定位和性能測(cè)試。這明顯的提高使用性和可操作性。因而，BIT的設(shè)置應(yīng)盡量不影響主通路的工作。當(dāng)機(jī)內(nèi)檢測(cè)可能影響雷達(dá)主通路時(shí)，就應(yīng)考慮機(jī)外檢測(cè)。

c.設(shè)置的檢測(cè)要考慮到覆蓋面。特別是在功能塊和關(guān)鍵部件處不影響雷達(dá)主通路的前提下，要保證設(shè)置有相關(guān)測(cè)試點(diǎn)，在硬件設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)有困難的情況下，盡量考慮用軟件檢測(cè)的方法。并使硬件和軟件二者有機(jī)結(jié)合，以提高檢測(cè)概率。

d.由于雷達(dá)體制和作用的不同，在進(jìn)行方案論證和設(shè)計(jì)過(guò)程中，模塊要考慮到通用性、兼容性和擴(kuò)充性，并使二者有機(jī)結(jié)合。因此，模塊的定型要具有通用性好或兼容性好，并能考慮到標(biāo)準(zhǔn)接口，可以與不常用的設(shè)備接口。而且能隨著技術(shù)的發(fā)展，有一定的擴(kuò)充功能。

e.設(shè)計(jì)的模塊要有搭積木的功能。這就反過(guò)來(lái)要求在進(jìn)行雷達(dá)主通路方案論證和系統(tǒng)或分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要給模塊設(shè)計(jì)留有足夠的空間。

2.2 基本功能

a.具備在線實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，包括被動(dòng)的連續(xù)檢測(cè)和主動(dòng)的程序檢測(cè);

b.故障檢測(cè)和定位功能，可以定位到可更換單元;c.BIT要有自我檢測(cè)功能，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)正確;d.提供兼容的和標(biāo)準(zhǔn)的BIT接口，I/O及軟件接口;

e.友好的人機(jī)交互界面;

f.具有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新測(cè)試和參與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

2.3 BIT的指標(biāo)

在設(shè)計(jì)BIT系統(tǒng)時(shí)，必須考慮到它的技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)樗鼘?shí)際上表示了BIT系統(tǒng)的檢測(cè)和故障隔離的能力。技術(shù)指標(biāo)的確定與所采用的BIT檢測(cè)方式等因素有關(guān)，BIT的主要指標(biāo)［7］有:

故障檢測(cè)率、故障隔離率。這二個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)了BIT系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測(cè)故障的概率，它的百分比越高，表明BIT系統(tǒng)的準(zhǔn)確度越高。

故障發(fā)現(xiàn)時(shí)間、故障隔離時(shí)間。這二個(gè)指標(biāo)反映了BIT系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和切換時(shí)間，時(shí)間越短，表明BIT系統(tǒng)處理速度越快。

我們常用的是故障檢測(cè)率、虛警率、故障發(fā)現(xiàn)時(shí)間這三個(gè)指標(biāo)。由于雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的不同，對(duì)BIT的主要指標(biāo)的要求不同。同時(shí)，在設(shè)計(jì)BIT系統(tǒng)時(shí)，要考慮到雷達(dá)主通路和關(guān)鍵部件以及系統(tǒng)和后勤支援設(shè)備的情況，因而確定具體的數(shù)值只能由雷達(dá)系統(tǒng)本身的要求來(lái)確定。

3 雷達(dá)BIT的硬件組成

對(duì)于BIT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用分布式檢測(cè)，集中式控制和處理的多機(jī)系統(tǒng)。采用分布式檢測(cè)可以保證檢測(cè)的覆蓋面和容易做到選取標(biāo)準(zhǔn)模塊，而且能夠適應(yīng)模塊化發(fā)展的需要。但是控制方式和處理方式則需要集中式。我們知道，雷達(dá)系統(tǒng)是個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，任一地方出現(xiàn)的故障并不完全孤立的，只有匯集系統(tǒng)的整個(gè)信息并加以綜合，才能確定故障的位置或其性能指標(biāo)，才能提高檢測(cè)概率，降低系統(tǒng)的虛假概率，改善系統(tǒng)的維修性，提高系統(tǒng)的可用度。

雷達(dá)BIT的硬件一般由4個(gè)部分的電路組成:采樣和檢測(cè)、接口緩沖、主控、人機(jī)接口，其框圖見(jiàn)圖1。

圖1 BIT系統(tǒng)框圖

3.1 采樣和檢測(cè)

采樣和檢測(cè)電路分布于雷達(dá)各分機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，主要完成對(duì)各分機(jī)內(nèi)關(guān)鍵信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換處理和狀態(tài)識(shí)別。

首先是信號(hào)采集。由于設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)有各種量的變化，由此會(huì)產(chǎn)生不同的信息?？梢愿鶕?jù)不同的診斷需要，選擇能表征設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號(hào)，同時(shí)將需要檢測(cè)的信號(hào)從整個(gè)系統(tǒng)工作的信號(hào)流程中分離出來(lái)，然后進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換，如模數(shù)轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換等等，再與標(biāo)定的門(mén)限值進(jìn)行比較和檢測(cè)，生成相應(yīng)的故障信息。

檢測(cè)可以是在線的也可以是離線的。在線檢測(cè)是指在雷達(dá)整機(jī)正常工作的同時(shí)，對(duì)各分機(jī)內(nèi)設(shè)定的檢測(cè)單元進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，不影響雷達(dá)的整機(jī)工作。而離線檢測(cè)是將被檢測(cè)單元脫離整機(jī)工作進(jìn)行檢查，此時(shí)，BIT將切斷被檢測(cè)單元與整機(jī)的聯(lián)系，在其輸入端輸入正常工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)在其輸出端監(jiān)控輸出信號(hào)的狀態(tài)以達(dá)到檢測(cè)目的。

VEGFR2基因多態(tài)性與貝伐珠單抗聯(lián)合化療一線治療晚期非小細(xì)胞肺癌患者療效的關(guān)系(梅 雪)(11):1055

從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，出現(xiàn)了以數(shù)字波形采集和處理技術(shù)為核心的微機(jī)多功能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字波形采集與處理等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更多的參數(shù)在線監(jiān)測(cè)［9～11］。在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識(shí)別、數(shù)據(jù)庫(kù)等各項(xiàng)功能。如圖2所示:其基本原理是設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)中，利用各種測(cè)量工具測(cè)其工作電壓等特征參數(shù)，采用相應(yīng)形式的傳感器，將被測(cè)信號(hào)(電的或非電的)抽取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成為監(jiān)測(cè)裝置可以檢測(cè)到的標(biāo)準(zhǔn)形式信號(hào)，輸入數(shù)字信號(hào)采集裝置，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和特征提取。

圖2 在線檢測(cè)原理

檢測(cè)傳感器是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的入口器件，其靈敏度和性能的優(yōu)劣直接影響測(cè)量精度，進(jìn)而使數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生大的誤差，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠正確運(yùn)行的前提就是要求傳感器靈敏、可靠、線性度好，能夠不失真的轉(zhuǎn)換被測(cè)信號(hào)。對(duì)于不同的被測(cè)信號(hào)，采用的傳感器的形式也會(huì)有所不同。

3.2 接口緩沖

接口及緩沖處理模塊由遠(yuǎn)程收發(fā)、光電隔離、緩沖處理、譯碼驅(qū)動(dòng)等電路組成，它構(gòu)建了一個(gè)良好的輸入、輸出接口通道，從而保障了BIT主控機(jī)與數(shù)據(jù)采樣電路之間可靠的數(shù)據(jù)通訊/交換。其原理如圖3所示。

圖3 接口緩沖電路原理圖

由于雷達(dá)BIT的數(shù)據(jù)采樣電路分布于雷達(dá)各分機(jī)，BIT主機(jī)與各采樣電路之間相隔較遠(yuǎn)，普通的驅(qū)動(dòng)電路已不能保障有效的數(shù)據(jù)通訊。而通常雷達(dá)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊只限于數(shù)據(jù)處理、終端顯示等幾個(gè)分機(jī)，不能涵蓋所有分機(jī)，因此靠硬件電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程收發(fā)仍然十分必要。差分傳送是專(zhuān)用的長(zhǎng)線傳輸電路，能可靠地抑制干擾、保障通訊順利。此外它還具備多負(fù)載能力，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要在一路接收(或發(fā)送)端上并掛多路發(fā)送(或接收)，從而構(gòu)成總線系統(tǒng)，方便通訊。對(duì)于某些分機(jī)(如發(fā)射機(jī))的BIT信號(hào)，由于其電流電壓較大、干擾較強(qiáng)，需采用光電隔離輸入，將其與BIT地址數(shù)據(jù)總線隔離開(kāi)，以避免干擾，提高工作可靠性。

對(duì)于系統(tǒng)間的傳輸總線，從發(fā)展眼光看，系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間，分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間采用網(wǎng)絡(luò)方式比較實(shí)用、可靠。因?yàn)樗鼈兛捎靡桓S電纜相連，連接線大為減少，并減少了接口的復(fù)雜性。而且在未來(lái)的雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)的主通路的分系統(tǒng)之間用網(wǎng)絡(luò)接口已成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 主控處理

主控模塊是BIT系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)各功能模塊的控制，并對(duì)前端送來(lái)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，綜合各種信息，給出最終的故障診斷結(jié)果。

在設(shè)計(jì)的某雷達(dá)系統(tǒng)中，主控處理原則上是建立在雷達(dá)分布式多微機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用分散測(cè)試和集中處理、顯示的三級(jí)層次結(jié)構(gòu)，第一層:整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的主控層，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)各種信息的集中管理和顯示，具有良好的人機(jī)交互能力。其硬件是由光柵顯示插件板和微型計(jì)算機(jī)模塊組成。第二層:通信鏈路層，主要將主控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的控制命令按要求發(fā)送到特定的串口，相應(yīng)的下位控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)具體的命令解釋;收集各下位計(jì)算機(jī)上報(bào)的雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)、故障信息轉(zhuǎn)發(fā)給主控層的主控計(jì)算機(jī)。其硬件由計(jì)算機(jī)插件、通信接口插件組成，最多可實(shí)現(xiàn)8個(gè)串口的通信管理能力。第三層:設(shè)備層，主要接收通信鏈路層發(fā)來(lái)的控制命令并具體解釋執(zhí)行，產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào);對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的各故障信號(hào)進(jìn)行采集并通過(guò)通信鏈路層上報(bào)給主控計(jì)算機(jī)。這層控制根據(jù)BITE簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的原則盡可能利用各分系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)處理能力，如信號(hào)處理的單片機(jī)、終端系統(tǒng)本身的計(jì)算機(jī)，它們通過(guò)串口通訊與第二層通信鏈路層進(jìn)行信息交換，而對(duì)接收、天饋、發(fā)射等系統(tǒng)則由測(cè)控接口插件將監(jiān)控信息轉(zhuǎn)換為約定的接口信號(hào)，通過(guò)第二層送第一層主控計(jì)算機(jī)。

3.4 人機(jī)接口

人機(jī)接口由監(jiān)控顯示屏和操控按鍵組成，可顯示雷達(dá)各分機(jī)系統(tǒng)故障診斷結(jié)果并接受人工干預(yù)，從而完成BIT主機(jī)與操作人員之間的人機(jī)交流。

4 軟件設(shè)計(jì)

利用故障樹(shù)建立雷達(dá)故障方程。故障樹(shù)建立的最終目的是為了得到最小割集，通常使用下行法。這種算法是沿故障樹(shù)自上往下進(jìn)行，即從頂事件開(kāi)始，依次將上層事件置換成下層事件，遇到“與”關(guān)系將輸入橫向?qū)懗?，遇到“或”關(guān)系將輸入豎向?qū)懗?，直到底事件全部置換為止。故障樹(shù)建立過(guò)程是通過(guò)對(duì)故障的因果關(guān)系進(jìn)行邏輯分析，即把結(jié)果放在邏輯關(guān)系的頂部(頂事件)，將原因放在其底部(底事件)，運(yùn)用故障樹(shù)分析的方法，由因到果，自頂?shù)降走M(jìn)行分析，最終建樹(shù)，并寫(xiě)出故障方程式。

故障樹(shù)的軟件算法實(shí)現(xiàn)采用靜態(tài)順序查找表的方法從表中第一個(gè)記錄開(kāi)始，逐個(gè)進(jìn)行記錄的關(guān)鍵字和給定值的比較，若某個(gè)記錄的關(guān)鍵字和給定值比較相等，則查找成功，找到所查記錄，反之，若直到第n個(gè)記錄某關(guān)鍵字和給定值比較都不等，則表明表中沒(méi)有所查記錄，查找結(jié)束。具體步驟如下:

圖4 故障排隊(duì)表

a.對(duì)系統(tǒng)的所有底事件進(jìn)行排隊(duì)，建立一個(gè)故障排隊(duì)表，按順序編號(hào)。如圖4所示。

b.根據(jù)故障樹(shù)及其得出的故障方程，對(duì)所有“與”關(guān)系(稱(chēng)具有相關(guān)性)的節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)向下相關(guān)故障源表，若是“或”關(guān)系的節(jié)點(diǎn)填空值null。前面已提到這種相關(guān)性原則是本系統(tǒng)中的，但實(shí)際中也局部加入了系統(tǒng)交叉節(jié)點(diǎn)，基于BIT控制器的大存貯量和高運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題。相關(guān)故障源表如圖5所示。如此，按圖故障排隊(duì)表中的順序?qū)⒚恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)所有的向下相關(guān)故障序號(hào)放在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，組成一個(gè)向下相關(guān)故障源表。

圖5 相關(guān)故障源表

c.建立一個(gè)故障相關(guān)索引表，它是由相關(guān)源故障表中每一個(gè)故障號(hào)的首地址和相關(guān)源個(gè)數(shù)建立而成的，見(jiàn)圖6。

d.為使故障相關(guān)定位準(zhǔn)確，又要及時(shí)消除偶然性故障和故障被排除后故障的消失這對(duì)矛盾，采取時(shí)間區(qū)域相關(guān)處理，即BIT控制器6次循環(huán)查詢?nèi)珯C(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再2次進(jìn)行故障樹(shù)的運(yùn)算，最終得到的故障排序表中的保留故障為最終故障，并報(bào)出該故障所有LRU。

圖6 故障關(guān)系索引表

軟件算法流程見(jiàn)圖7所示。

圖7 軟件算法流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

BIT是現(xiàn)代電子產(chǎn)品提高可維修性、縮短平均維修時(shí)間的一種常用手段。雷達(dá)BIT通過(guò)良好的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，將測(cè)試單元和可更換單元細(xì)化到印制板，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)隔離的自動(dòng)化，大大減少了維修資料、通用測(cè)試設(shè)備及維修人員的數(shù)量，在降低費(fèi)用的同時(shí)，更保障了產(chǎn)品的可靠性和可維修性。同時(shí)，我們不能孤立地去設(shè)計(jì)BIT系統(tǒng)，或者說(shuō)，BIT的設(shè)計(jì)應(yīng)明確包含在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中或合同中，必須從最初的方案論證開(kāi)始，采用自上而下，逐步漸進(jìn)的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。作為BIT工程師，必須熟悉雷達(dá)系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測(cè)試信號(hào)及全機(jī)測(cè)試定時(shí)關(guān)系能全面考慮，這對(duì)成功設(shè)計(jì)BIT系統(tǒng)是非常重要的。

［1］曾天翔.電子設(shè)備測(cè)試性及診斷技術(shù)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1996.

［2］Walker R K.Built In Test(BIT)Utilization for Improved Supportability of the F-20 Aircraft［C］.In:Proceedings of AUTOTEST-CON，New York:IEEE，1985.446 ～449.

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