(1.航空工業(yè)北控所，北京 100176； 2.航空工業(yè)計(jì)算所，西安 710000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器交聯(lián)的部件逐步增多，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜，大大的增加了發(fā)動(dòng)機(jī)控制器測(cè)試和維修的難度。

一個(gè)系統(tǒng)其可靠性[1]再高，也不可能保證永遠(yuǎn)正常工作，使用者和維修者要掌握其健康狀況，要確知有無(wú)故障或何處發(fā)生了故障，這就要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)試。而測(cè)試性設(shè)計(jì)恰恰是在產(chǎn)品的最初設(shè)計(jì)階段，充分考慮系統(tǒng)的架構(gòu)以及可靠性要求，針對(duì)各功能單元測(cè)試性分配要求完成的設(shè)計(jì)。[2]通過(guò)測(cè)試性設(shè)計(jì)，可以讓使用者和操作者實(shí)時(shí)了解其運(yùn)行狀態(tài)，并在產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)采取措施。

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行了測(cè)試性設(shè)計(jì)，并以模擬接口電路為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以使發(fā)動(dòng)機(jī)控制器在使用過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)反映出發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的故障情況，讓使用者或操作者能夠依據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)準(zhǔn)確判斷出控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1 測(cè)試性功能

測(cè)試性功能設(shè)計(jì)主要是使發(fā)動(dòng)機(jī)控制器滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、故障隔離等功能。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能：通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器關(guān)鍵特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制器正常運(yùn)行以及任務(wù)可靠性、安全性。

故障檢測(cè)功能：通過(guò)故障檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器發(fā)生的故障，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制器任務(wù)可靠性和安全性。

故障隔離功能：通過(guò)故障隔離快速的將系統(tǒng)故障定位于可更換單元上，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制器維修效率、縮短維修時(shí)間。

2 測(cè)試性工作模式

在本文中，針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2種機(jī)內(nèi)測(cè)試(Built-In Test，BIT)，[3]分別為上電BIT和周期BIT，上電BIT用于任務(wù)前，周期BIT用于任務(wù)中，任務(wù)結(jié)束后所有故障均會(huì)存儲(chǔ)于地面維護(hù)設(shè)備中，任務(wù)后可以采用地面維護(hù)設(shè)備檢查。

上電BIT：上電BIT在系統(tǒng)通電后立即開(kāi)始工作，只運(yùn)行一次。進(jìn)行規(guī)定范圍的測(cè)試，包括對(duì)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)法驗(yàn)證的重要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，且無(wú)需地面維護(hù)人員的介入。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)只進(jìn)行自檢測(cè)。

周期BIT：周期BIT在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)工作，從上電BIT結(jié)束，應(yīng)用軟件開(kāi)始執(zhí)行，執(zhí)行周期分為5 ms、20 ms、60 ms和180 ms 4種，一直運(yùn)行至系統(tǒng)下電。

3 模擬接口電路測(cè)試性設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了產(chǎn)品的測(cè)試性，將產(chǎn)品劃分為不同的功能單元，對(duì)于每個(gè)關(guān)鍵的功能單元都考慮其測(cè)試性，并具有測(cè)試支持電路，每個(gè)功能單元可以單獨(dú)測(cè)試，測(cè)試程序可以將故障通路定義到功能單元。[4-5]下面以模擬接口電路為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1.1 上電/周期BIT設(shè)計(jì)思路

在該發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中，模擬接口電路分別為PT100型熱電阻傳感器接口、KTM型熱電偶傳感器接口、硅壓阻型壓力傳感器接口、轉(zhuǎn)速傳感器接口等。針對(duì)這些模擬接口電路，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用了電壓求和的方法，通過(guò)基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生一個(gè)參考電壓，然后將該參考電壓引入后級(jí)的運(yùn)算放大器，在產(chǎn)品上電后，通過(guò)A/D采集電路完成這些模擬接口電路輸出狀態(tài)的采集，通過(guò)軟件設(shè)定的電壓變化窗口，完成上電BIT。

另針對(duì)模擬接口的各傳感器是否正常連接以及信號(hào)的超差，在本文中設(shè)計(jì)了傳感器的開(kāi)路測(cè)試以及超差檢測(cè)，當(dāng)外部傳感器處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，這些接口電路的輸出為某一在正常信號(hào)變化范圍以外的固定值，當(dāng)外部傳感器信號(hào)輸出超差時(shí)，接口電路輸出的值與參考電壓進(jìn)行和差放大，最終2種情況均通過(guò)A/D采集電路完成這些模擬接口電路輸出狀態(tài)的采集，經(jīng)軟件進(jìn)行判斷，完成周期BIT。具體的功能原理框圖如圖1所示。

圖1 模擬接口電路功能原理框圖

3.1.2 電路中各功能單元的BIT設(shè)計(jì)思路

1)開(kāi)路檢測(cè)功能。

在信號(hào)濾波模塊中加入開(kāi)路檢測(cè)功能單元。開(kāi)路檢測(cè)上/下拉電壓可將電壓的范圍控制在可工作的區(qū)域或電壓滿偏范圍內(nèi)，利用后端的A/D采集電路，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集后的電壓，確認(rèn)傳感器的正常/開(kāi)路狀態(tài)。

2)信號(hào)調(diào)理功能。

信號(hào)調(diào)理模塊中使用比較器，將參考電壓與傳感器電壓同時(shí)輸入比較器，比較器輸出比較結(jié)果，后端可連接比例調(diào)節(jié)電路，在最終輸出端采用A/D采集電路讀出比較結(jié)果是否在允許的誤差范圍內(nèi)，即可判斷信號(hào)調(diào)理功能單元的正常狀態(tài)。

3)比例調(diào)節(jié)功能。

比例調(diào)節(jié)部分使用運(yùn)算放大器，放大器的輸入端輸入?yún)⒖茧妷?，比例調(diào)節(jié)功能單元的輸出端的電壓在允許的誤差范圍內(nèi)，即可判斷信號(hào)比例調(diào)節(jié)功能單元的正常狀態(tài)。

4)多路選擇開(kāi)關(guān)。

基準(zhǔn)源配置電路的參考電壓與多路選擇開(kāi)關(guān)相連，確定參考電壓值，通過(guò)A/D采集可判斷多路選擇開(kāi)關(guān)的正常狀態(tài)，若正常則可再相繼判斷傳感器輸入信號(hào)的正常狀態(tài)。

3.1.3 該硬件設(shè)計(jì)在應(yīng)用中的創(chuàng)新點(diǎn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)中，控制器的結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜，而通用的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要在現(xiàn)場(chǎng)可編門(mén)陣列(field programmable gate arrays，F(xiàn)PGA)中進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)，然而FPGA的可利用資源極其有限，在控制器關(guān)鍵電路中采用此種設(shè)計(jì)，即傳感器信號(hào)及功能單元BIT的檢測(cè)和監(jiān)控通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)和A/D采集電路進(jìn)行，不僅完成了測(cè)試性的功能設(shè)計(jì)，更大大節(jié)省了FPGA的硬件資源。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在該控制器中，按照各BIT的測(cè)試時(shí)機(jī)，首先對(duì)上電BIT的結(jié)果進(jìn)行判斷，僅當(dāng)上電BIT無(wú)故障時(shí)，才進(jìn)入軟件的下一分支。當(dāng)周期BIT發(fā)生故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器及時(shí)進(jìn)行保護(hù)性停車(chē)，并將系統(tǒng)的輸出設(shè)置為安全態(tài)。

運(yùn)行該功能的軟件按照順序依次為初始化處理、上電BIT檢測(cè)、判斷是否有關(guān)鍵故障，如果有關(guān)鍵故障接收并處理串口命令并上報(bào)狀態(tài)參數(shù)與故障信息。如果無(wú)關(guān)鍵故障則進(jìn)行模擬接口電路數(shù)據(jù)采集與處理，之后進(jìn)入周期BIT程序、判斷是否有關(guān)鍵故障，如果有關(guān)鍵故障接收并處理串口命令并上報(bào)狀態(tài)參數(shù)與故障信息。如果無(wú)關(guān)鍵故障，發(fā)送正常數(shù)據(jù)包并上報(bào)狀態(tài)參數(shù)與故障信息。模擬接口電路BIT軟件總體流程圖如圖2所示。

圖2 模擬接口電路BIT軟件流程圖

4 模擬接口電路測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估

4.1 測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估流程

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估的一般過(guò)程分為以下幾個(gè)階段：故障模式影響及危害性分析(Failure Modes Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)[6]、測(cè)試性試驗(yàn)大綱、測(cè)試性試驗(yàn)程序、試驗(yàn)前準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施、試驗(yàn)報(bào)告。基本流程圖見(jiàn)圖3。

萊考夫指出，由于“算術(shù)是物體集合”隱喻，因此，他所列舉的這些語(yǔ)言學(xué)的表達(dá)也被應(yīng)用于加法和減法的算術(shù)運(yùn)算。例如，如果把4個(gè)蘋(píng)果和5個(gè)蘋(píng)果加起來(lái)，會(huì)得到多少個(gè)蘋(píng)果？如果從5個(gè)蘋(píng)果中減去2個(gè)蘋(píng)果，會(huì)剩下多少個(gè)蘋(píng)果？2加3會(huì)得到5。從5減去2，還剩3。他指出，從隱喻中可以推斷出加法產(chǎn)生了更大(更多)的東西，減法產(chǎn)生了更小(更少)的東西。因此，像“大”(big)和“小”(small)這樣的單詞(它們表示物體和物體集合的大小)，也被用于數(shù)字，就像“5和7哪個(gè)大？”與“2比4小”一樣。[2]56

圖3 測(cè)試性驗(yàn)證評(píng)估流程圖

4.2 測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估方法

4.2.1 測(cè)試性驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

測(cè)試性試驗(yàn)驗(yàn)證流程中試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方法選擇是整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程中重要的組成部分。方案設(shè)計(jì)中需要根據(jù)預(yù)期指標(biāo)要求確定初步樣本量，根據(jù)GJB2547A-2012[7]中的要求，選取以下方法。按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算得到滿足條件的一組樣本量(n，c)，在多組樣本量中選取大于∑ni的最小值作為初步樣本量n。(其中∑ni為受試產(chǎn)品相應(yīng)層級(jí)故障模式總和，詳細(xì)計(jì)算公式如下所述。)

(1)

其中：n為初步樣本量；c為合格判定數(shù)；R1為接受概率為β時(shí)的故障檢測(cè)率，即相應(yīng)預(yù)期指標(biāo)值；β為訂購(gòu)方風(fēng)險(xiǎn)，此處給定β=0.2。

4.2.2 測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施方法

測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施主要在受試產(chǎn)品中注入一定數(shù)量的故障，[8]目前故障注入方法主要包括：開(kāi)路故障注入方法、短路故障注入方法、轉(zhuǎn)接線故障注入方法、軟件故障注入方法。

開(kāi)路故障注入方法：測(cè)試設(shè)備與被試品的連接，通過(guò)對(duì)元器件的焊上和焊下，或插拔元器件實(shí)現(xiàn)故障的模擬。

短路故障注入方法：將短路探針與被試品引腳相接觸，或與被試品內(nèi)/外部電連接器引腳相接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的在/離線模擬，或者通過(guò)改變輸入級(jí)電流大小實(shí)現(xiàn)故障模擬。

轉(zhuǎn)接板/線故障注入方法：將被試品通過(guò)接口適配器(兩個(gè)或兩個(gè)以上接口)連接，通過(guò)改變轉(zhuǎn)接板鏈路連接結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)信號(hào)等實(shí)現(xiàn)故障的在/離線模擬。

軟件故障注入方法：通過(guò)改變被試品軟件代碼實(shí)現(xiàn)故障模擬，軟件故障注入主要分為編譯期故障注入和運(yùn)行期故障注入。

4.2.3 測(cè)試性評(píng)估方法

本次驗(yàn)證需驗(yàn)證產(chǎn)品故障檢測(cè)率和故障隔離率，故障檢測(cè)率和故障隔離率采用點(diǎn)估計(jì)法進(jìn)行評(píng)估。

(2)

式中，γ：故障檢測(cè)率或故障隔離率的點(diǎn)估計(jì)值；

M1：對(duì)于計(jì)算故障檢測(cè)率來(lái)說(shuō)，M1是用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)；對(duì)于計(jì)算故障隔離率來(lái)說(shuō)，M1是用規(guī)定的方法正確隔離到小于等于L(L=1,2,3)個(gè)可更換單元的故障數(shù)；

M2：對(duì)于計(jì)算故障檢測(cè)率來(lái)說(shuō)，M2是故障總數(shù)；對(duì)于計(jì)算故障隔離率來(lái)說(shuō)，M2是用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)。

4.2.4 測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施流程

測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)先選取硬件故障注入的方式，測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的實(shí)施流程如圖4所示。

圖4 測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施流程圖

4.3 模擬接口電路測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估

4.3.1 FMECA

對(duì)模擬接口電路進(jìn)行FMECA分析如表1所示。FMECA中包含了模擬接口電路中各功能模塊的故障模式及故障模式產(chǎn)生的原因，對(duì)各級(jí)影響，檢測(cè)方式，故障率和嚴(yán)酷度等級(jí)等信息。

4.3.2 方案設(shè)計(jì)

提取FMECA表中關(guān)鍵參數(shù)(假定技術(shù)協(xié)議中規(guī)定了該電路的故障檢測(cè)率為98%)，采用基于準(zhǔn)隨機(jī)序列的簡(jiǎn)單隨機(jī)方法進(jìn)行抽樣和樣本量分配，結(jié)果如表2所示。

表1 模擬接口電路FMECA表

表2 模擬接口電路樣本量分配表

4.3.3 驗(yàn)證實(shí)施

按照抽取的樣本量個(gè)數(shù)建立備選故障樣本庫(kù)，本次備選樣本庫(kù)遍歷功能電路所有的故障模式，由于某些故障模式樣本量較大，需選取的樣本數(shù)目較多，因此在此只列出了部分樣本，如表3所示。

按照測(cè)試性驗(yàn)證實(shí)施流程圖中的步驟對(duì)模擬量接口電路進(jìn)行故障注入，并記錄實(shí)施結(jié)果。

4.3.4 指標(biāo)評(píng)估

根據(jù)故障檢測(cè)判據(jù)，對(duì)模擬接口電路注入故障的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，同時(shí)根據(jù)本文中介紹的數(shù)據(jù)評(píng)估方法，對(duì)模擬接口電路測(cè)試性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)表4。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行了測(cè)試性設(shè)計(jì)，以其中的模擬接口電路為例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明并采用故障注入方式對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行了測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)。該測(cè)試性硬件設(shè)計(jì)主要采用多路選擇開(kāi)關(guān)和A/D電路，節(jié)省了FPGA資源。驗(yàn)證結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以將故障快速定位到某一功能模塊，并隔離到該功能電路，極大的提高了系統(tǒng)維護(hù)的效率。

表3 模擬接口電路備選故障樣本庫(kù)

表4 模擬接口電路評(píng)估結(jié)果