劉 江

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引言

測試性是指產(chǎn)品自身能否準(zhǔn)確、及時(shí)地確定其自身工作狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并隔離出內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[1]。測試性作為機(jī)載航空電子設(shè)備基本設(shè)計(jì)特性，產(chǎn)品自身測試性設(shè)計(jì)的好壞直接決定了該設(shè)備感知自身工作狀態(tài)(正常、故障和降級(jí))并自動(dòng)隔離出內(nèi)部故障點(diǎn)的能力[2]。隨著航空技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載航空電子設(shè)備向數(shù)字化、自動(dòng)化、綜合化、智能化的方向在快速發(fā)展[3]。近年來，測試性設(shè)計(jì)方式、方法隨著用戶的要求發(fā)生了變化。以往產(chǎn)品的測試性設(shè)計(jì)理念越來越難以滿足用戶對(duì)現(xiàn)代機(jī)載航空電子設(shè)備測試性設(shè)計(jì)的要求[4]。

在飛機(jī)交付使用后，機(jī)載設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，能不能快速、正確地檢測、隔離出故障從而快速修復(fù)，有賴于完善的測試性設(shè)計(jì)[5]。采用科學(xué)、合理的測試性設(shè)計(jì)方法，通過在產(chǎn)品測試、生產(chǎn)、使用等過程中增加監(jiān)測手段，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)診斷和隔離，可以提高武器裝備的故障檢測率，有效地提升戰(zhàn)備完好性和戰(zhàn)時(shí)利用率，同時(shí)降低維修人力和其它資源的要求，進(jìn)一步達(dá)到精簡保障內(nèi)容的最終目的[6]。

產(chǎn)品的測試性設(shè)計(jì)通常是指在產(chǎn)品內(nèi)部嵌入式BIT設(shè)計(jì)和固有測試性設(shè)計(jì)[7]。BIT檢測主要是設(shè)備對(duì)自身進(jìn)行系統(tǒng)BIT檢測和故障點(diǎn)隔離，這是作為測試性檢測的主要手段。產(chǎn)品的故障檢測設(shè)計(jì)，必須要考慮經(jīng)費(fèi)、技術(shù)難度、體積及重量等各種綜合要素，一般BIT檢測率難以達(dá)到90%以上的水平，也就是說，至少還有10%的概率要依靠人工輔助檢測進(jìn)行故障檢測[8]。人工檢測主要是依靠人工介入對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作或者觀察，使設(shè)備的故障點(diǎn)暴露出來。因此，發(fā)展人工智能輔助監(jiān)測和故障綜合診斷技術(shù)是目前開展BIT檢測改進(jìn)、降低故障虛警率的重要途徑，也是國內(nèi)外重點(diǎn)研究領(lǐng)域[9]。測試性設(shè)計(jì)這一研究領(lǐng)域，將來的研究重點(diǎn)將會(huì)向綜合性測試診斷方面傾斜[10]。

機(jī)載顯控設(shè)備，作為飛行員與飛機(jī)間的人機(jī)接口重要設(shè)備，負(fù)責(zé)將飛行員對(duì)飛機(jī)的相關(guān)操作轉(zhuǎn)換為控制數(shù)據(jù)送至相應(yīng)設(shè)備，并回顯交聯(lián)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)供飛行員參考。顯控設(shè)備作為機(jī)載設(shè)備的終端，在測試性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面既有劣勢也有優(yōu)勢。

測試性設(shè)計(jì)所考慮的問題是在設(shè)備設(shè)計(jì)功能的一開始就要把設(shè)備的測試性設(shè)計(jì)一并考慮在內(nèi)[11]。本文針對(duì)顯控設(shè)備自身固有特性，充分利用BIT檢測、人工輔助檢測相結(jié)合的方式開展測試性設(shè)計(jì)，有效提高機(jī)載顯控設(shè)備的故障檢測率，滿足了用戶要求。本文測試性設(shè)計(jì)主要針對(duì)故障檢測率指標(biāo)開展，限于篇幅未對(duì)故障隔離率設(shè)計(jì)進(jìn)行表述。

1 顯控設(shè)備測試性需求分析

某型機(jī)載顯控設(shè)備，用戶要求設(shè)備故障檢測率≥90%。顯控設(shè)備的硬件構(gòu)架，主要由電源模塊、I/O模塊、CPU模塊、鍵盤、液晶顯示屏等硬件模塊組成，如圖1所示。

圖1 某型顯控設(shè)備模塊組成

根據(jù)產(chǎn)品的硬件組成以及產(chǎn)品特點(diǎn)可以看出，機(jī)載顯控設(shè)備屬于座艙內(nèi)的人機(jī)交互產(chǎn)品，與其他機(jī)載電子設(shè)備的“黑匣子”工作方式有較大差異性。顯控設(shè)備的人機(jī)交換部件，如液晶顯示屏以及鍵盤，作為設(shè)備的末端，直接與人進(jìn)行信息交互。

根據(jù)用戶設(shè)備故障檢測率≥90%要求，在人工不介入操作的情況下，單純依靠檢測電路進(jìn)行BIT檢測，需要引入大量第三方檢測電路。如對(duì)顯示屏的末端顯示質(zhì)量進(jìn)行回環(huán)檢測，需要在第三方檢測電路增加獨(dú)立攝像頭采集圖像，并增加處理器對(duì)圖象進(jìn)行算法處理分析，測算出顯示屏的顯示質(zhì)量，以判定其是否工作正常。由此引入的開發(fā)成本、技術(shù)設(shè)計(jì)難度也極大增加。機(jī)載電子設(shè)備第三方BIT檢測電路本身也會(huì)發(fā)生故障和虛警，從而降低整個(gè)設(shè)備的基本可靠性[12]。從大量應(yīng)用中得出結(jié)論，常規(guī)BIT檢測雖然在提高武器效能方面起著積極作用，但是由于第三方檢測電路設(shè)計(jì)不夠完善、成本投入等方面的限制，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)好投入實(shí)際使用后，容易出現(xiàn)一系列問題，如實(shí)際檢測和診斷能力差、故障虛警率較高等問題[13]。因此，在做設(shè)備故障檢測設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)把測試性整體放到首位，并從實(shí)際可操作性和長期維修費(fèi)用的基本觀點(diǎn)出發(fā)，在機(jī)內(nèi)BIT檢測與機(jī)外人工輔助檢測之間作綜合權(quán)衡設(shè)計(jì)[14]。

通過對(duì)顯控設(shè)備的功能組成特征進(jìn)行分析，產(chǎn)品具有天然的固有測試性特征：

1)產(chǎn)品提供全彩色高分辨率液晶顯示窗口可以直接指示產(chǎn)品的工作狀態(tài)；

2)產(chǎn)品控制鍵盤上的控制要素(發(fā)光部件、操控部件)工作狀態(tài)直觀呈現(xiàn)給使用維護(hù)者；

3)產(chǎn)品對(duì)外提供多通道HB6096總線接口，支持BIT檢測結(jié)果上報(bào)。

通過制定測試性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有效結(jié)合BIT檢測與人工檢測方式，完成對(duì)設(shè)備測試點(diǎn)的總體布局，具體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

1)收集產(chǎn)品設(shè)計(jì)FMECA數(shù)據(jù)，開展顯控設(shè)備測試性建模，并根據(jù)模型進(jìn)行故障檢測率數(shù)據(jù)分析，尋找設(shè)備測試性設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)；

2)針對(duì)有處理器的CPU模塊、I/O模塊、液晶顯示屏(電路部分)，重點(diǎn)開展BIT測試性覆蓋；

3)針對(duì)有人工交互的接觸部件，如液晶顯示屏、鍵盤等，重點(diǎn)開展人工輔助檢測設(shè)計(jì)，通過設(shè)置自檢及維護(hù)操作頁面，人工輔助檢測設(shè)備內(nèi)模塊的健康狀況并將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上或上報(bào)中央維護(hù)系統(tǒng)；

4)迭代測試性模型，得到完善設(shè)計(jì)后的測試性指標(biāo)并與用戶設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，如不滿足要求進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 顯控設(shè)備測試性設(shè)計(jì)

2.1 BIT測試性設(shè)計(jì)

2.1.1 整機(jī)BIT測試性設(shè)計(jì)

顯控設(shè)備整機(jī)BIT測試性架構(gòu)見圖2，設(shè)計(jì)架構(gòu)描述如下：

圖2 顯控設(shè)備整機(jī)BIT測試性架構(gòu)設(shè)計(jì)

1)CPU模塊是整機(jī)的BIT維護(hù)中心；

2)CPU模塊通過機(jī)內(nèi)總線控制管理I/O模塊，啟動(dòng)I/O模塊進(jìn)入總線收發(fā)內(nèi)部閉環(huán)檢測；

3)CPU模塊通過通信串口，啟動(dòng)液晶顯示屏自檢，并接受液晶顯示屏回傳的自檢結(jié)果；

4)所有的檢測結(jié)果通過視頻信號(hào)發(fā)送到液晶顯示屏上顯示。

2.1.2 模塊級(jí)BIT測試性設(shè)計(jì)

1)CPU模塊BIT測試性設(shè)計(jì):

CPU模塊的ARM處理器、NVRAM、SDRAM和FLASH器件是保證整個(gè)設(shè)備操作系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要器件。

根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)產(chǎn)品完成測試性檢測后，須將檢測結(jié)果按照用戶的軟件接口協(xié)議要求，通過HB6096總線發(fā)送到中央維護(hù)系統(tǒng)。若單純依靠第三方BIT檢測電路，必然需要額外增加設(shè)計(jì)一套CPU最小系統(tǒng)電路才能滿足用戶要求的總線接口設(shè)計(jì)。按此設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本以及電路復(fù)雜度將大幅增加，且引入大量第三方檢測電路后，產(chǎn)品自身的可靠性指標(biāo)必然降低，同時(shí)產(chǎn)品的虛警率也將上升。因此，BIT設(shè)計(jì)方案，需要適當(dāng)?shù)乜刂频谌綔y試電路以及元器件的規(guī)模，盡可能的采用設(shè)備自身的功能硬件、軟件來實(shí)現(xiàn)，減少專用硬件的設(shè)計(jì)比例[15]。在提高故障檢測率的同時(shí)，也要防止引入BIT測試電路導(dǎo)致的虛警問題[16]。

通過對(duì)設(shè)備整機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)架綜合評(píng)估，可以充分利用產(chǎn)品自身的功能特點(diǎn)，即把ARM處理器作為整個(gè)設(shè)備檢測核心器件，默認(rèn)處理器工作正常，當(dāng)處理器自身故障時(shí)整個(gè)設(shè)備直接為故障狀態(tài)。NVRAM、SDRAM和FLASH器件直接掛接在處理器總線上，故障檢測流程如圖3所示。

圖3 CPU模塊BIT檢測流程

CPU模塊BIT檢測設(shè)計(jì)流程說明如下：

(1)各個(gè)功能單元的故障檢測結(jié)果存儲(chǔ)在全局變量BIT_FLAG中；

(2)BIT開始執(zhí)行后，首先將BIT_FLAG變量清零；

(3)依次執(zhí)行SDRAM、FLASH、NVRAM、以太網(wǎng)接口及時(shí)鐘的檢測；

(4)若某個(gè)硬件單元出現(xiàn)故障，則將BIT_FLAG中對(duì)應(yīng)的位置“1”；若功能正常則BIT_FLAG置為“0”；

(5)完成后自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)硬件單元的檢測。各功能單元檢測完成后，將BIT_FLAG的值作為故障判據(jù)返回給上層應(yīng)用軟件使用。

2)I/O模塊BIT測試性設(shè)計(jì)：

由于設(shè)備對(duì)外HB6096 總線協(xié)議以及RS422協(xié)議均在I/O模塊FPGA內(nèi)部采用IP-CORE方式實(shí)現(xiàn)。可通過在FPGA內(nèi)對(duì)各個(gè)HB6096總線接收、發(fā)送通道，RS422總線接收、發(fā)送通道預(yù)置寄存器控制指令，當(dāng)需要進(jìn)行BIT檢測時(shí)，將各個(gè)總線通道進(jìn)行閉環(huán)檢測，并最后輸出檢測結(jié)果上報(bào)CPU模塊，最終在液晶顯示屏顯示檢測結(jié)果。

3)液晶顯示屏BIT測試性設(shè)計(jì)：

利用液晶顯示屏與CPU模塊之間的RS232串口，實(shí)現(xiàn)液晶顯示屏的檢測控制指令下發(fā)以及檢測結(jié)果回傳。液晶顯示屏接收到用戶主機(jī)CPU模塊發(fā)來的啟動(dòng)自檢命令后，進(jìn)行自檢，并向用戶主機(jī)回傳自檢結(jié)果，檢測內(nèi)容詳見表1。

表1 液晶顯示屏自檢結(jié)果狀態(tài)位

2.2 人工檢測設(shè)計(jì)

2.2.1 不能BIT檢測模式分類

通過對(duì)顯控整機(jī)FMECA數(shù)據(jù)整理以及建模分析結(jié)果，得到其不能實(shí)現(xiàn)BIT檢測，故障危害度為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)的故障模式，主要分為2大類：

1)鍵盤按鍵功能故障，包含以下故障模式：

(1)按鍵信號(hào)連接故障；

(2)按鍵供電電路故障。

2)液晶屏顯示故障，包含以下故障模式：

(1)液晶顯示屏供電連接故障；

(2)液晶屏視頻處理單元輸出視頻信號(hào)異常；

(3)液晶屏末端顯示板工作異常；

(4)液晶屏玻璃損壞。

該兩類故障模式均為人機(jī)交互類故障。通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備構(gòu)架進(jìn)行分析，可以借助人工檢測實(shí)現(xiàn)以上故障模式的測試性覆蓋。

2.2.2 人工檢測啟動(dòng)設(shè)計(jì)

通過在CMS(中央維護(hù)系統(tǒng))增加對(duì)顯控設(shè)備人工檢測啟動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯控設(shè)備鍵盤、液晶顯示屏的測試性覆蓋，啟動(dòng)自檢流程如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)顯控自檢流程

啟動(dòng)顯控自檢流程說明如下：

1)CMS通過HB6096總線向顯控設(shè)備發(fā)送人工檢測指令；

2)顯控設(shè)備響應(yīng)指令后自動(dòng)進(jìn)入人工輔助測試工作模式；

3)顯控CPU處理器根據(jù)設(shè)計(jì)程序分別進(jìn)行鍵盤按鍵、液晶顯示屏等不能實(shí)現(xiàn)BIT檢測的故障模式，通過人工介入輔助檢測確定是否有故障點(diǎn)；

4)將檢測結(jié)果在液晶屏顯示的同時(shí)通過HB6096總線上報(bào)CMS系統(tǒng)進(jìn)行記錄。

2.2.3 人工檢測流程設(shè)計(jì)

顯控設(shè)備通過設(shè)計(jì)測試維護(hù)顯示界面以及交互操作響應(yīng)，以覆蓋2.2.1章節(jié)不能實(shí)現(xiàn)BIT檢測的故障模式，人工檢測流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 人工檢測流程

人工檢測流程說明如下：

1)在產(chǎn)品進(jìn)入人工檢測模式后，通過鍵盤提示燈以1 Hz頻率的閃爍，提示設(shè)備人工輔助檢測開始；

2)液晶顯示屏設(shè)計(jì)維護(hù)界面，通過人工對(duì)液晶顯示屏的顯示質(zhì)量進(jìn)行觀察、確認(rèn)；

3)為避免設(shè)備自身液晶屏黑屏的故障模式時(shí)不能目視檢測的弊端，軟件設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)5 s未收到人工對(duì)液晶顯示質(zhì)量良好的確認(rèn)數(shù)據(jù)，CPU模塊自動(dòng)向CMS上報(bào)液晶顯示屏故障；

4)在液晶顯示檢測正常后，鍵盤提示燈以10 Hz頻率閃爍，提示設(shè)備進(jìn)入鍵盤檢測模式；

5)在鍵盤按鍵維護(hù)界面，通過顯示屏提示人工對(duì)鍵盤每個(gè)按鍵進(jìn)行按擊、確認(rèn)；

6)為避免設(shè)備自身按鍵失效不能手動(dòng)確認(rèn)按鍵結(jié)果的故障模式，軟件設(shè)計(jì)默認(rèn)每個(gè)按鍵3 s未收到人工按鍵良好確認(rèn)，CPU模塊自動(dòng)向CMS上報(bào)鍵盤模塊故障。

2.2.4 人工檢測模塊實(shí)現(xiàn)

人工檢測功能主要由CPU模塊軟件實(shí)現(xiàn)。CPU模塊接收到CMS系統(tǒng)測試指令后，進(jìn)入維護(hù)模式。

1)液晶顯示屏顯示故障檢測流程如圖6所示；

圖6 液晶顯示屏顯示故障檢測流程

2)鍵盤按鍵故障檢測流程如圖7所示。

圖7 鍵盤按鍵故障檢測流程

通過人工輔助檢測的方式，以較小的代價(jià)即可檢測出顯控產(chǎn)品除BIT故障檢測方式覆蓋外，設(shè)備末端部件液晶屏顯示質(zhì)量及按鍵操作響應(yīng)等故障模式。

2.3 故障隔離與虛警

CPU模塊是整機(jī)測試性中央樞紐。當(dāng)設(shè)備內(nèi)其他模塊或?qū)ν饨宦?lián)總線未按時(shí)上報(bào)CPU模塊自檢結(jié)果或者CPU模塊未成功接收對(duì)方自檢信息，默認(rèn)采用“主對(duì)從錯(cuò)”的判斷機(jī)制，即默認(rèn)CPU模塊為正常，交聯(lián)對(duì)方為故障狀態(tài)，以此隔離故障模糊組。

整機(jī)檢測內(nèi)部模塊故障以及對(duì)外總線故障，采用了多次重傳機(jī)制，當(dāng)主控CPU檢測到某內(nèi)部模塊或某總線通道故障時(shí)，先記錄此故障狀態(tài)，隨后重復(fù)三次檢測對(duì)方均為故障，才判定此故障為真值，以此避免虛警的產(chǎn)生。

3 測試性建模與分析結(jié)果系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試性建模是作為設(shè)備測試性分析與評(píng)價(jià)的一種有效方法[17]。測試性模型是設(shè)備組成或故障模式與測試點(diǎn)之間相關(guān)邏輯關(guān)系的表達(dá)示意圖，主要用來說明故障點(diǎn)與測試點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系以及對(duì)測試資源的占用關(guān)系[18]。通過測試性模型描述整個(gè)設(shè)備的測試性方案，在此基礎(chǔ)上由仿真分析可得到設(shè)備測試性方案能否滿足用戶要求的測試性指標(biāo)[19]。

根據(jù)設(shè)備的FMECA數(shù)據(jù)，通過對(duì)設(shè)備的各個(gè)模塊及模塊間的功能以及相關(guān)性分析，可以建立出設(shè)備的故障測試模型[20]。本項(xiàng)目采用北京聯(lián)合信標(biāo)公司“TADS測試性建模與分析軟件”對(duì)某型機(jī)載顯控設(shè)備RTU建立測試性模型如圖8所示。

圖8 某型顯控設(shè)備RTU測試性建模部分截圖

圖8中，RTU設(shè)備測試性建模流程說明如下：

1)按照建模軟件要求，根據(jù)RTU設(shè)備的具體功能，在設(shè)備左側(cè)的各個(gè)輸入端口標(biāo)明流入設(shè)備端信號(hào)的特征，在設(shè)備右側(cè)的各個(gè)輸出端口標(biāo)明流出設(shè)備端信號(hào)的特征，包括信號(hào)類型、流入或流出屬性等；

2)構(gòu)建設(shè)備SRU級(jí)模塊組成關(guān)系，標(biāo)明各模塊輸入輸出接口，按照設(shè)計(jì)信號(hào)流關(guān)系連接各模塊接口；

3)通過模塊之間的信號(hào)交聯(lián)傳輸關(guān)系，可以得到整個(gè)設(shè)備的信號(hào)傳遞路徑以及信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)系；

4)從FMECA分析得到各模塊的故障模式及故障模式失效率數(shù)據(jù)，將模塊所有導(dǎo)入的故障模式與相關(guān)輸入輸出建立關(guān)聯(lián)，并定義這些故障模式影響的輸出信號(hào)；

5)在模塊間或模塊內(nèi)部，根據(jù)具體的故障模式以及產(chǎn)品故障檢測設(shè)計(jì)，合理設(shè)置故障檢測點(diǎn)，標(biāo)明測試行為及檢測的具體信號(hào)(注：圖8中因故障檢測點(diǎn)均在各個(gè)模塊內(nèi)部，在圖中未能顯示出故障檢測點(diǎn)標(biāo)記)；

6)運(yùn)行整個(gè)模型，開展建模分析，得到故障檢測率結(jié)果。

通過測試性仿真建模，得到某型機(jī)載顯控設(shè)備故障檢測率結(jié)果如表2所示。

表2 測試性分析表格

4 結(jié)束語

通過測試性設(shè)計(jì)及建模分析結(jié)果，可以看出某型機(jī)載顯控設(shè)備在不借助人工介入輔助檢測的情況下，單純依靠BIT檢測測試性覆蓋不夠，產(chǎn)品故障檢測率指標(biāo)較低只有74.72%；通過開展人工輔助檢測設(shè)計(jì)，可以檢測出其余18.54%的故障模式。因此，將BIT檢測設(shè)計(jì)與人工輔助檢測設(shè)計(jì)相結(jié)合，整機(jī)故障檢測率可提高到93.26%，滿足用戶故障檢測率≥90%的指標(biāo)要求。

本研究為機(jī)載人機(jī)交互類設(shè)備測試性設(shè)計(jì)提供了參考，如航電顯示終端、音頻控制單元等機(jī)載設(shè)備。通過人工檢測設(shè)計(jì)與BIT檢測設(shè)計(jì)合理結(jié)合，以較小的代價(jià)有效提高了設(shè)備故障檢測率。