吳紅平

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所　嘉興　314033)

艦船內(nèi)部通信設(shè)備BIT測試設(shè)計(jì)研究*

吳紅平

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所嘉興314033)

摘要論文針對艦船內(nèi)部通信設(shè)備的現(xiàn)場維護(hù)實(shí)際需求，本著實(shí)用性的原則，對用戶終端設(shè)備和交換傳輸設(shè)備這兩類最重要的內(nèi)部通信設(shè)備的BIT測試框架、實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了探討，希望對內(nèi)部通信設(shè)備的測試性設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞艦船; 內(nèi)部通信; 測試性; 內(nèi)建自測試; 自動測試設(shè)備

Class NumberTN219

1引言

信息化條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭對裝備的保障性提出了更高要求，特別是對執(zhí)行遠(yuǎn)洋作訓(xùn)任務(wù)的艦船平臺，由于遠(yuǎn)離岸基保障力量支撐，需要更多地依賴艦船自身力量進(jìn)行裝備維修和保養(yǎng)，對裝備自身固有保障能力要求更高，而測試性是固有保障性的核心要素，豐富完善的測試能力是減少保障設(shè)備和費(fèi)用、提高保障效率的最有效手段[1]。測試性主要包括機(jī)內(nèi)測試BIT(Built-in Test)和自動測試設(shè)備ATE(Auto Test Equipment)測試兩方面內(nèi)容[2]。

BIT是指系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)嵌的故障檢測和隔離能力，可以將故障隔離到外場可更換單元FRU(Field Replaceable Unit)級別，BIT技術(shù)是改善系統(tǒng)或設(shè)備測試性與診斷能力的基本途徑。ATE對被測設(shè)備施加激勵并對其輸出響應(yīng)進(jìn)行分析評估來完成性能測試和故障診斷，可以將故障隔離至更低的層級和更小的顆粒度，更適合在基地級和中繼級維修使用[2]。BIT和ATE在功能框架、測試資源、測試判據(jù)等方面應(yīng)統(tǒng)籌考慮和兼容設(shè)計(jì)，而BIT設(shè)計(jì)又是基礎(chǔ)，本文主要對內(nèi)部通信設(shè)備的BIT進(jìn)行研究。

2艦船內(nèi)部通信設(shè)備測試性設(shè)計(jì)特殊性分析

艦船內(nèi)部通信設(shè)備作為一種專用的軍事電子設(shè)備，在測試性設(shè)計(jì)中會面臨一些特殊的限制因素：

1)內(nèi)部通信設(shè)備是融合了多種軟件和硬件技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，是一種典型的網(wǎng)狀分布式系統(tǒng)，體現(xiàn)了通信系統(tǒng)的固有復(fù)雜性。從設(shè)備上看，分為用戶終端、中心節(jié)點(diǎn)、輔助設(shè)備、管理設(shè)備、電源設(shè)備等[3]。絕大部分系統(tǒng)功能均由多個實(shí)體組合完成，故障往往具有多種傳播路徑，加之大部分設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，在進(jìn)行模塊級故障隔離時面臨的困難更加復(fù)雜。

2)從通信處理功能的層次上看，分為應(yīng)用層、交換控制層、傳送層、接入層[4]，故障具有復(fù)雜的跨層次傳遞特點(diǎn)，而且這些處理功能又分布在多個設(shè)備上，縱向和橫向的故障傳播進(jìn)行交叉耦合，單一故障源往往觸發(fā)多重故障告警，給故障隔離進(jìn)一步帶來困難。

3)內(nèi)部通信設(shè)備具有大量的人機(jī)交互接口，用戶的隨機(jī)并發(fā)操作和非常規(guī)操作均可能引起非預(yù)期的間歇性軟故障，這種軟故障重現(xiàn)比較困難，故障的描述和分析往往難以及時入手。

顯然，以上這些復(fù)雜多樣的因素會給測試性的層次劃分、測試點(diǎn)分配、測試電路設(shè)計(jì)、測試數(shù)據(jù)處理帶來諸多挑戰(zhàn)。但是，內(nèi)部通信設(shè)備中內(nèi)置了諸多信號收發(fā)資源和芯片級診斷能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時統(tǒng)籌考慮測試性需求，對這些現(xiàn)成的資源進(jìn)行靈活分配和共享，就可以在不增加或少增加額外硬件資源的情況下滿足BIT所需要的資源需求，從而構(gòu)建工程實(shí)現(xiàn)簡單可靠、現(xiàn)場實(shí)用方便的BIT能力，并可為進(jìn)一步開發(fā)與BIT融合的ATE打下基礎(chǔ)。

3用戶終端設(shè)備測試性設(shè)計(jì)分析

用戶終端設(shè)備是內(nèi)部通信設(shè)備的主要組成設(shè)備，直接面向用戶，使用負(fù)荷較大，損壞概率較高，要求對故障的檢測、顯示、隔離定位要全面、快速和簡單。

用戶終端設(shè)備的組成框圖如圖1所示，主要由控制模塊、人機(jī)接口模塊、音頻處理模塊、線路接口模塊以及公共通信資源模塊組成，包括A接口、D接口、P接口和E接口。其中，A接口為模擬音頻接口、D接口為數(shù)字音頻接口、C接口為協(xié)議數(shù)據(jù)接口、E接口為擴(kuò)展資源接口。

圖1　用戶終端設(shè)備組成框圖

各個模塊之間具有雙向通信接口，采用環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)思想[5～6]，在模塊內(nèi)部增加交叉開關(guān)或利用芯片內(nèi)置的環(huán)回功能在測試點(diǎn)上將接口的收發(fā)信號回環(huán)，根據(jù)接口功能是否正常來判斷故障位于接口的哪一側(cè)，通過逐級使用接口環(huán)回，最終將故障定位至某一特定模塊內(nèi)。

公共通信資源模塊中應(yīng)安排用于測試診斷的資源，如音頻信號發(fā)生器、DTMF電路、誤碼檢測電路、語音提示資源等，這些測試診斷資源與環(huán)繞BIT功能相結(jié)合，可以在模塊級、整機(jī)級實(shí)現(xiàn)多樣化的定性、定量和半定量的測試，并可與交換傳輸設(shè)備和其他用戶設(shè)備相互配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的脫機(jī)或聯(lián)機(jī)測試。

3.1音頻模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

在音頻模塊中面向人機(jī)接口模塊側(cè)增加一個2*2的矩陣開關(guān)，設(shè)置兩個BIT環(huán)繞點(diǎn)，由開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)信號的交叉連接，分別用于A口的內(nèi)環(huán)回和外環(huán)回，其環(huán)繞結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　音頻模塊BIT環(huán)繞示意圖

內(nèi)環(huán)回實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)診斷，其通路為：人機(jī)接口模塊→AI→音頻預(yù)放→AI1→開關(guān)矩陣→AO1→音頻功放→AO→人機(jī)接口模塊。通過該環(huán)回可以檢測音頻通道的模擬部分電路是否正常。

外環(huán)回用于支撐端到端測試，其通路為：線路接口模塊→DI→編解碼電路→AO2→開關(guān)矩陣→AI2→編解碼電路→DO→線路接口模塊。啟動該環(huán)回并與線路接口對端的設(shè)備配合，可以實(shí)現(xiàn)一種端到端的通路檢查。

音頻模塊中插入的矩陣開關(guān)采用低導(dǎo)通電阻的小外形模擬集成電路，信號插損低，器件引腳少，占用空間小，對原有電路影響可忽略，實(shí)現(xiàn)簡單。

3.2線路接口模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

在線路接口模塊中面向音頻處理模塊側(cè)設(shè)置一個矩陣開關(guān)D，面向控制模塊側(cè)設(shè)置一個開關(guān)矩陣C。其環(huán)繞結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　線路接口模塊BIT環(huán)繞示意圖

矩陣開關(guān)D完成DO→DI的環(huán)回，配合音頻處理模塊實(shí)現(xiàn)故障在音頻處理模塊和線路接口模塊間的隔離和定位。矩陣開關(guān)C完成CO→CI的環(huán)回，配合控制模塊實(shí)現(xiàn)故障在控制模塊和線路接口模塊間的隔離和定位。

線路接口電路通常由通信ASIC芯片構(gòu)成，大都內(nèi)置豐富的環(huán)回能力，開關(guān)矩陣D和開關(guān)矩陣C的全部或部分功能都可由線路接口電路直接完成，對于通信ASIC缺少的環(huán)回處理，可用FPGA在外部附加實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)通信ASIC芯片的不同，可能還支持DI1→DO1及LI→LO外環(huán)回和LO→LI內(nèi)環(huán)回，充分利用這些豐富的內(nèi)置環(huán)回能力，在不增加外部電路的情況下即可實(shí)現(xiàn)深層次的故障隔離。

3.3控制模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

控制模板主要通過軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的環(huán)回，對CI接口收到的數(shù)據(jù)，軟件將其從接收緩沖區(qū)處理后通過CO發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“虛擬”環(huán)回。由于軟件具有并發(fā)處理能力，通過對測試維護(hù)數(shù)據(jù)和常規(guī)控制數(shù)據(jù)并行處理，在用戶終端不中斷正常功能時，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測。

4交換傳輸設(shè)備測試性設(shè)計(jì)分析

交換傳輸設(shè)備是內(nèi)部通信設(shè)備的核心設(shè)備，也是最復(fù)雜的設(shè)備，采用模塊化設(shè)計(jì)，其發(fā)生故障時影響面大，易產(chǎn)生虛警，要求故障檢測及時、隔離定位方便。

各個模塊之間具有雙向接口，同樣，采用環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)思想，通過逐級使用接口環(huán)回，最終將故障定位至某一特定模塊內(nèi)。

4.1交換傳輸設(shè)備組成

交換傳輸設(shè)備的組成框圖如圖4所示，主要由接入模塊、交換模塊、傳輸模塊、主控模塊、公共通信資源模塊、電源模塊、可選的測試模塊組成，包括U接口、V接口、W接口、E接口和C接口。其中，U接口對應(yīng)用戶終端側(cè)接口、L接口對應(yīng)傳輸線路側(cè)接口、V接口和W接口為內(nèi)部總線接口、C接口為協(xié)議數(shù)據(jù)接口、E接口為擴(kuò)展資源接口。

公共通信資源模塊中應(yīng)安排用于測試診斷的資源，如音頻信號發(fā)生器、誤碼檢測電路等，其用途與用戶終端中的資源模塊類似，但資源種類更加豐富。利用資源模塊，可以實(shí)現(xiàn)多個層級的定性、定量或半定量的測試，以支撐例行檢查、修復(fù)性維修驗(yàn)證等操作。

測試模塊相當(dāng)于內(nèi)裝的ATE設(shè)備，具有音頻信號發(fā)生器、DTMF電路、誤碼測試電路等專用測試資源，通過自定義測試總線與各模塊相連。同時，測試模塊可具有JTAG控制器，經(jīng)由IEEE1149.1總線與各模塊的TAP端口相連，在測試模塊驅(qū)動下，對各個模塊進(jìn)行掃描診斷。測試模塊可進(jìn)行故障模擬和注入，強(qiáng)化故障隔離能力。

與用戶終端中的環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)思想類似，在模塊的接口處設(shè)置測試點(diǎn)，增加交叉開關(guān)或利用芯片內(nèi)置的環(huán)回功能在測試點(diǎn)上將接口的收發(fā)信號回環(huán)，根據(jù)接口功能是否正常來判斷故障位于接口的哪一側(cè)，通過逐級使用接口環(huán)回，最終將故障定位至某一特定模塊內(nèi)。

4.2接入模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

在接入模塊中面向數(shù)據(jù)交換模塊側(cè)設(shè)置一個矩陣開關(guān)D。其環(huán)繞結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

矩陣開關(guān)D完成VO→VI的內(nèi)環(huán)回和UI→UO的外環(huán)回。VO→VI內(nèi)環(huán)回與主控模塊、傳輸模塊、公共資源模塊等配合，可實(shí)現(xiàn)故障在接入模塊與數(shù)據(jù)交換模塊間的隔離和定位。UI→UO外環(huán)回，在遠(yuǎn)端用戶終端配合下，可實(shí)現(xiàn)故障在內(nèi)通接入設(shè)備與用戶設(shè)備間的隔離和定位。

圖5　接入模塊BIT環(huán)繞示意圖

線路接口電路通常由通信ASIC芯片構(gòu)成，大都內(nèi)置多種環(huán)回能力，開關(guān)矩陣D的全部或部分功能可由線路接口電路直接完成，對于通信ASIC缺少的環(huán)回處理，需要權(quán)衡是否用FPGA在外部實(shí)現(xiàn)。部分線路接口芯片具有線路質(zhì)量測量能力[7]，可對線路進(jìn)行日常監(jiān)測維護(hù)。

4.3傳輸模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

在傳輸模塊中面向數(shù)據(jù)交換模塊側(cè)設(shè)置一個矩陣開關(guān)D。其環(huán)繞結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6　傳輸模塊BIT環(huán)繞示意圖

與接入模塊類似，傳輸模塊的線路接口電路一般由通信ASIC芯片構(gòu)成，大都內(nèi)置豐富的多級環(huán)回能力，開關(guān)矩陣D的全部或部分功能都可由線路接口電路直接完成。由于傳輸模塊與數(shù)據(jù)交換模塊間的接口速率較高，一般不適合通過FPGA等外加電路來實(shí)現(xiàn)環(huán)回。

通過在傳輸模塊上執(zhí)行環(huán)繞BIT，可以實(shí)現(xiàn)傳輸模塊與數(shù)據(jù)交換模塊間的故障隔離，也可配合對端的交換傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)備間故障隔離。

4.4數(shù)據(jù)交換模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)交換模塊與接入模塊、傳輸模塊、控制模塊等采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口連接，利用其固有的數(shù)據(jù)交換能力，在軟件控制下，將每一個接口的輸入交換到輸出，即可實(shí)現(xiàn)外部環(huán)回的效果，從而支撐數(shù)據(jù)交換模塊與其外圍模塊間的故障隔離能力的實(shí)現(xiàn)。

4.5控制模塊環(huán)繞BIT設(shè)計(jì)

與用戶終端的控制模塊BIT設(shè)計(jì)相似，控制模板軟件對CI接口收到的數(shù)據(jù)，將其從接收緩沖區(qū)處理后通過CO接口發(fā)送出去，在不需要額外硬件條件下即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“虛擬”環(huán)回。通過與遠(yuǎn)端用戶終端的控制模塊相互配合，可實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時在線監(jiān)測。

4.6基于邊界掃描的BIT設(shè)計(jì)

邊界掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代由IEEE發(fā)展的一種主流測試技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對芯片及電路板的全面診斷，能夠測試器件損壞、互連電路的開路和短路等，可以在電路工作的同時進(jìn)行檢測，真正實(shí)現(xiàn)了在線檢測[8]。同時，可用于進(jìn)行程序/數(shù)據(jù)的加載和調(diào)試，能夠減少很多不必要的模塊拆裝操作。

根據(jù)IEEEll49.1標(biāo)準(zhǔn)，基于邊界掃描的測試框架如圖7所示，各模塊間采用Multi-Drop方式連接，可以簡化背板的布線。邊界掃描系統(tǒng)主要是由內(nèi)嵌在測試模塊中的邊界掃描測試控制器和位于其他模塊中的測試接入控制器構(gòu)成。測試模塊的邊界掃描控制功能主要由CPU電路以及邊界掃描測試總線控制器芯片組成；各從模塊上則使用多端口TAP橋接芯片，實(shí)現(xiàn)多條掃描鏈。測試模塊的CPU模塊與測試控制上位機(jī)進(jìn)行通信，對測試指令進(jìn)行解析，通過邊界掃描測試總線控制器將測試指令與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滿足IEEEll49.1標(biāo)準(zhǔn)的接口信號，通過JTAG總線送入被測模塊的邊界掃描測試結(jié)構(gòu)中并接收來自被測模塊的響應(yīng)。

圖7　平臺JTAG掃描測試結(jié)構(gòu)示意圖

5系統(tǒng)級測試性設(shè)計(jì)分析

內(nèi)部通信設(shè)備的系統(tǒng)級測試性關(guān)注重點(diǎn)是端到端通道的連通性和用戶業(yè)務(wù)功能正確與否，也可以用于自動化的系統(tǒng)功能測試，主要在例行檢查、故障現(xiàn)象確認(rèn)和修復(fù)驗(yàn)證階段使用，故障檢測后的故障隔離則需要調(diào)用設(shè)備級和單元級的測試功能來完成。

內(nèi)部通信設(shè)備中的系統(tǒng)級業(yè)務(wù)有兩種典型的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)，一種為點(diǎn)到點(diǎn)連接，另一種為點(diǎn)到多點(diǎn)，端到端的通道連通性正確與否是決定業(yè)務(wù)功能正確與否的關(guān)鍵因素，所以系統(tǒng)性測試的核心即是綜合調(diào)用各節(jié)點(diǎn)上的測試資源來完成端到端連通性的測試[9]。下面分別討論兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下語音通信功能的端到端連接通性測試方案。

5.1點(diǎn)到點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)

點(diǎn)到點(diǎn)連接方式下進(jìn)行系統(tǒng)級測試時涉及到四個實(shí)體，分別為測試控制臺、終端A、終端B、傳輸網(wǎng)絡(luò)(由多個交換傳輸設(shè)備組成)。對于部分簡單的測試，測試控制臺的部分軟件也可以內(nèi)嵌于終端中，在終端上即可完成測試的操作控制。

測試控制臺完成測試過程的總控和結(jié)果采集分析。測試開始時，測試控制臺向終端A、終端B、傳輸網(wǎng)絡(luò)下達(dá)測試控制命令，將它們的狀態(tài)置為測試狀態(tài)；然后，測試控制臺上人工或調(diào)用測試腳本自動下達(dá)測試指令，同時連續(xù)對測試響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示。

圖8　點(diǎn)到點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)級測試構(gòu)成示意圖

始發(fā)終端A依據(jù)測試類型和測試控制臺的指令啟動相應(yīng)的測試電路。測試可分為定性測試和定量測試，也可分為開環(huán)測試和閉環(huán)測試。在定量測試模式下，由終端A發(fā)送特定編碼信號，在終端B上進(jìn)行解碼并統(tǒng)計(jì)丟包率等參數(shù)，將結(jié)果上報給測試控制臺，終端B上也可以將接收的信號處理后再回送給終端A，可構(gòu)成雙向閉環(huán)測試；在具體實(shí)現(xiàn)時，使用FPGA即可簡單實(shí)現(xiàn)，硬件開銷小[10]。在定性測試模式下，由終端A發(fā)送特定節(jié)律的音頻信號，在終端B上用電路定性檢測，或者以聲、光方式顯示給測試配合人員判斷，完成通道連通性的定性判斷。定性測試模式比較適合技術(shù)層次較低的使用或維護(hù)人員，有較好的工程實(shí)用性，是定量測試的重要補(bǔ)充。

5.2點(diǎn)到多點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)

點(diǎn)到多點(diǎn)連接方式下的系統(tǒng)級測試與點(diǎn)到點(diǎn)連接方式下基本相同，但由于涉及的實(shí)體更多，控制更加復(fù)雜。而且，往往在交換傳輸設(shè)備處進(jìn)行了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)或混合處理，導(dǎo)致信號的不對稱，常規(guī)的雙向定量測試難以實(shí)現(xiàn)，一般只能進(jìn)行單向定量或定性測試。

6結(jié)語

隨著海軍作訓(xùn)任務(wù)頻度的提高，遠(yuǎn)離岸基維護(hù)力量支持的艦載綜合內(nèi)部通信系統(tǒng)對裝備固有測試性要求越來越高，工程上實(shí)現(xiàn)簡單、操作方便易用的BIT功能是提高艦載綜合內(nèi)部通信系統(tǒng)固有測試能力的基本途徑。

本文對艦載綜合內(nèi)部通信系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的BIT進(jìn)行了分析，針對典型的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)通信連接提出進(jìn)行系統(tǒng)級測試的基本思路。設(shè)備級的BIT測試設(shè)計(jì)已經(jīng)在某工程項(xiàng)目中成功運(yùn)用，而系統(tǒng)級BIT測試有待于在新的研制項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)。

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Testability of Internal Communication Equipment in Naval Vessels

WU Hongping

(No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing314033)

AbstractFocusing on the field maintenance requirements of ships intercom sets and based on the principle of practicality,this paper discusses BIT framework design and implementation methods of user terminal device and switching transmission device which are the two most important internal communication equipment, and provides a reference to the testability design of ships intercom sets.

Key Wordsnaval vessels, internal communication, testability, BIT, ATE

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月17日

作者簡介：吳紅平,女,工程師，研究方向：通信電子設(shè)備的通用質(zhì)量特性管理。

中圖分類號TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.031