郭強

【摘要】? ? 針對航空機載電子設備對測試性要求的不斷提高，本文以機載綜合通信導航識別設備為例給出了一種測試性總體設計方案。依據(jù)測試性準則，搭建了一種新型的測試性總體架構，提出了機內(nèi)測試技術和在線檢測技術相結合的測試思想，并闡述了這兩種技術的設計實現(xiàn)方法，經(jīng)工程應用驗證了該方案的可行性和有效性。

【關鍵詞】? ? 測試性預計? ? 機內(nèi)測試? ? 在線檢測? ? 通信導航識別設備

Testability design and application of ICNI equipment

（CETC10， ChengDu 610036）

Abstract： In view of the increasing requirements of airborne electronic equipment for testability， this paper takes integrated communication navigation identification （ICNI） equipment as an example to give a testability overall design scheme. According to the testability criterion， a new overall testability architecture was built， and the idea of combining the built-in test technology with the online test technology was put forward， and the design and implementation methods of the two technologies were described. The feasibility and effectiveness of the scheme were verified by the engineering application.

Key words： testability prediction; built in test; online test; integrated CNI

引言：

隨著航空技術的高速發(fā)展，對機載電子設備的機內(nèi)測試（Built In Test，簡稱BIT）能力和地面檢測系統(tǒng)提出了更高的要求。飛行過程中，由于故障無法立即修復，要求增強設備自主故障診斷、切換和故障隔離能力，以保證系統(tǒng)的任務可靠性。對于地面綜合檢測過程中，要求能夠全面的覆蓋故障，并且能快速、準確、及時地診斷系統(tǒng)狀態(tài)。為實現(xiàn)上述要求，就必須在航空機載電子設備設計之初同步開展測試性設計工作，對于提高設備測試性和診斷技術水平，滿足系統(tǒng)的任務可靠性和安全性具有重要意義。

本文以機載綜合通信導航識別（Integrated Communication Navigation Identification，簡稱ICNI）設備為例，根據(jù)綜合化設備技術特點，提出了一種實際可行的測試性設計方法。

一、測試性要求

1.1 設備架構

ICNI設備作為飛機航電系統(tǒng)的重要組成部分，擔負著空-地、空-空間話音及數(shù)據(jù)通信，無線電導航，進場著陸，敵我識別及交通管制等任務。ICNI設備由模塊化、通用化的射頻信道處理資源、信號處理資源、綜合處理資源等硬件模塊和軟件模塊組成，通過交換矩陣實現(xiàn)路由，在系統(tǒng)內(nèi)部總線的控制管理下，可同時支持多個硬件線程和軟件線程，同時實現(xiàn)多種功能。設備總體架構如圖 1。

1.2 指標要求

ICNI設備采用全新的組織架構大大提高了設備的綜合化程度，對系統(tǒng)測試性也提出更高的要求，主要包括定量要求和定性要求兩方面。

定量要求：在航空電子系統(tǒng)測試性設計中，通常采用故障檢測率（FDR）、故障隔離率（FIR）和虛警率（FAR）三率指標對測試性提出定量要求，比如：FDR≮92%，F(xiàn)IR≮95%，F(xiàn)AR≯2%。

定性要求：根據(jù)故障模式影響分析（FMECA）綜合規(guī)劃各等級故障的監(jiān)控方案，確保高等級故障及時告警;應具有機內(nèi)測試功能，并將故障隔離到現(xiàn)場可更換模塊（LRM）;每個故障隔離測試應設計為與其他所有測試相互獨立;對于BIT不能檢測的故障，采用在線檢測設備的方式進行故障定位。

二、測試性設計

2.1 設計準則

系統(tǒng)測試性設計定義為產(chǎn)品能及時準確地確定其狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的一種設計特性。ICNI設備測試性設計準則如下：

（1）基于產(chǎn)品功能特性設計與測試性設計一體化、測試性與綜保設計一體化的基本思想，同步開展測試性設計與功能特性設計;

（2）從系統(tǒng)的可實現(xiàn)性出發(fā)，按信號在系統(tǒng)中的傳輸流向合理設置測試點，采用系統(tǒng)綜合診斷的方法減少模塊測試電路設計難度;

（3）充分利用系統(tǒng)固有資源，在不增加或少增加機內(nèi)測試電路的前提下，完成應有的測試任務;

（4）系統(tǒng)設計與外部測試設備接口簡單方便，機內(nèi)測試與外部測試相結合，機內(nèi)測試為主，外場測試為輔。

2.2 總體測試架構

ICNI設備故障模式主要包括系統(tǒng)功能性故障以及系統(tǒng)性能指標下降兩方面。針對系統(tǒng)功能性故障，外場優(yōu)先利用BIT系統(tǒng)進行故障檢測與隔離，將故障定位到導致功能故障的LRM，對于部分BIT無法完全隔離到單個LRM的故障模式，利用PMA（便攜式維護裝置）指導維修人員輔助BIT系統(tǒng)開展故障定位。針對系統(tǒng)性能指標下降類型的故障，在外場利用在線檢測設備通過無線或有線連接方式，配合維護BIT對ICNI設備的功能定性或定量指標測試開展故障定位。隔離到LRM后，內(nèi)場利用模塊綜合測試平臺對模塊的功能及性能指標進行離線檢測。ICNI設備測試性設計的總體架構如圖 2所示。

2.3機內(nèi)測試設計

現(xiàn)代航空機載電子設備綜合化、復雜化程度日漸提高，機載電子設備的故障檢測和維修難度增大，從而增加了設備維修和保障成本。為解決這種問題，機載電子設備廣泛采用機內(nèi)自測試技術，機內(nèi)自測試功能可以對電子設備內(nèi)部的故障進行自動檢測、診斷和隔離，大大提高了電子設備中的故障診斷效率和準確性，從而有效地縮短了維修時間，降低了維修和保障費用。

2.3.1工作模式設計

ICNI設備根據(jù)不同的運行階段，設計了四種BIT工作模式：加電BIT、啟動BIT、周期BIT和維護BIT。

加電BIT：加電BIT是ICNI設備每次上電啟動時進行，根據(jù)系統(tǒng)空中、地面等不同的加電狀態(tài)，執(zhí)行不同的加電BIT過程，地面的加電BIT應盡可能地覆蓋ICNI設備的資源。加電BIT運行時，停止系統(tǒng)正常工作流程，不響應任務系統(tǒng)下發(fā)的任何控制命令，通過各LRM內(nèi)部的BIT控制單元獲取自檢狀態(tài)信息，并上報至系統(tǒng)BIT控制單元，再經(jīng)數(shù)據(jù)分析形成自檢與故障報告，可將故障定位到主要的模塊。

周期BIT：周期BIT在設備運行過程中自動按系統(tǒng)、功能、模塊等各自不同的任務周期進行，不影響正常任務的執(zhí)行。周期BIT通過預先設置的檢測點實時監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)功能的狀態(tài)，為系統(tǒng)判斷功能工作狀態(tài)的正常與否提供最初步的依據(jù)。由于周期BIT受測試覆蓋率的影響，其故障診斷和隔離能力較弱，周期BIT的設計更突出其故障的實時探測能力，因此周期BIT也稱為實時BIT。

啟動BIT：啟動BIT由操作員觸發(fā)的BIT，分為全系統(tǒng)的啟動BIT和以功能為單位的功能啟動BIT，在執(zhí)行啟動BIT時相關單元不執(zhí)行正常的工作任務。當收到全系統(tǒng)的啟動BIT命令時，將啟動模塊、功能分別執(zhí)行啟動BIT，并對BIT結果進行初步的綜合診斷。當收到某個功能的啟動BIT時，由于ICNI設備是可重構的，僅在該功能線程當前的資源配置狀態(tài)下執(zhí)行對應功能的啟動BIT。

維護BIT：維護BIT是在地面進行系統(tǒng)維護時由操作員啟動，系統(tǒng)進入維護模式時，將停止ICNI設備的所有正常工作。維護BIT可以由操作員終止，轉回工作模式。在維護模式下結合在線檢測設備對系統(tǒng)的性能指標進行測試，隔離與模塊指標相關的故障。

2.3.2工作層次設計

ICNI設備按運行層次分為系統(tǒng)、功能線程、模塊三個不同層次，基于模塊為基礎、功能為手段，系統(tǒng)為準則的設計思路在不同的層次開展相應的測試性設計。

（1）模塊BIT：模塊為基礎是指ICNI設備BIT是以模塊狀態(tài)的檢測為基礎，針對系統(tǒng)內(nèi)模塊的硬件、軟件進行檢測，以診斷模塊的健康狀況。測試點設置過程結合模塊的FMECA分析及輸入輸出信號分析開展，選擇危害度大、易失效、故障模式關聯(lián)集中的器件或信號作為BIT設計的測試點，可參考下表進行預置與檢測。

（2）功能BIT：功能為手段是指ICNI設備BIT對某一功能故障與否的判斷，是通過功能的BIT來確定的。當系統(tǒng)構成一個獨立的功能線程后，功能BIT對功能線程的主要工作指標進行監(jiān)測，以功能線程的主要功能、性能是否能滿足系統(tǒng)要求作為功能BIT目標。圍繞功能BIT的目標、結合各功能的特點設立功能的BIT測試點，功能BIT是以功能線程的數(shù)字信號處理單元為中心、以功能線程的功能健康狀態(tài)為監(jiān)控手段。ICNI設備的功能BIT包括小環(huán)路自檢和大環(huán)路自檢兩種方式。

小環(huán)路自檢測：數(shù)字信號處理中的功能軟件在收到系統(tǒng)下發(fā)的功能BIT指令后，控制通用接收激勵模塊進入功能BIT測試模式，同時產(chǎn)生測試信號波形，經(jīng)激勵通道產(chǎn)生激勵信號，通過模塊內(nèi)部開關形成自檢信號回環(huán)至接收通道，進入功能軟件進行調(diào)制解調(diào)，功能軟件通過對比發(fā)射及接收信號判斷小環(huán)路通道是否正常。

大環(huán)路自檢測：數(shù)字信號處理中的功能軟件在完成小環(huán)路檢測后進入大環(huán)路檢測，控制所有信道模塊進入功能BIT測試模式，同時產(chǎn)生測試信號波形，經(jīng)激勵通道產(chǎn)生激勵信號，通過射頻交換矩陣和通用功放進入天線接口單元，一部分能量通過耦合形成自檢信號，通過接收通道進入功能軟件進行調(diào)制解調(diào)，功能軟件通過對比發(fā)射及接收信號判斷大環(huán)路通道是否正常。

（3）系統(tǒng)BIT：系統(tǒng)為準則是指ICNI設備內(nèi)模塊的故障由系統(tǒng)BIT綜合給出，對模塊測試點信息、功能BIT信息、總線監(jiān)測信息等各種測試、監(jiān)測信息進行信息融合，根據(jù)系統(tǒng)建立的故障判決準則實現(xiàn)故障的綜合診斷。當系統(tǒng)診斷出故障時，應給出對應的處理策略，包括：降級運行、啟動備份、啟動冗余通道的重構、以及及時維修等。

2.3.3防虛警設計

BIT判斷某個LRM是否故障主要是依據(jù)測試點的測試信號偏離正常值的門限判斷，由于電氣噪聲、載機電源波動以及BIT電路自身等因素的影響，可能會存在BIT指示故障但實際被測項目不存在故障的情況。設計時，需采取如下措施降低故障測試的虛警率：

（1）合理確定參數(shù)的容差：應綜合考慮各種因素的影響，如各部件故障對測量參數(shù)的影響、工作環(huán)境條件的影響、其它有關設備的影響、性能或壽命下降允許極限等。

（2）統(tǒng)籌考慮各級測試容差：一般從基層級到基地級各級測試，測試容差值應逐漸減小。

（3）信號測試的處理：對易受外界電磁環(huán)境影響的檢測點，一般采取濾波、延時、多次判斷后再報警等方式降低信號測量的虛警。

2.4在線檢測設計

對于BIT不能檢測的故障，采用維護BIT結合在線檢測設備的方式進行測試，測試的方法主要采用有線或無線方式，在線檢測設備產(chǎn)生標準激勵波形，通過閉環(huán)自檢的方法對被測設備重要指標進行測試并隔離到模塊，ICNI設備在線檢測設備工作原理如圖 4所示。

接收通道測試：在線檢測設備通過維護接口控制被測設備進入測試模式，再通過內(nèi)部的功能測試模擬器產(chǎn)生測試信號，通過天線接口單元發(fā)送給被測設備，被測設備將接收到的測試信號處理后通過測試接口送回在線檢測設備，由在線檢測設備根據(jù)預先設定的判據(jù)來判斷被測設備接收通道的健康狀態(tài)。

發(fā)射通道測試：在線檢測設備通過維護接口控制被測設備進入測試模式，再控制被測設備產(chǎn)生標準的測試信號并通過發(fā)射通道發(fā)送給在線檢測設備進行信號處理，由在線檢測設備根據(jù)預先設定的判據(jù)來判斷被測設備發(fā)射通道的健康狀態(tài)。

ICNI設備在天線接口單元及射頻交換矩陣模塊上均設置了測試接口，可將發(fā)射通道和接收通道進行分段測試，用于隔離天線接口和接收激勵模塊間的故障，進一步縮小隔離范圍診斷故障。

三、測試性預計

測試性預計可采用數(shù)學模型的方法預計產(chǎn)品測試充分程度，需獲取FMECA資料和可靠性預計數(shù)據(jù)，列出所有的故障模式，掌握故障影響情況和功能單元或部件的故障率以及故障模式發(fā)生的頻數(shù)比，識別出每個故障模式BIT能否檢測。通過下面數(shù)學模型計算各組成部分的故障檢測率（FDR）、故障隔離率（FIR）。

其中：

λi：第i個LRM的故障率;

λDi：第i個LRM可檢測到的故障率;

λLi：可隔離至小于等于L個LRM的第i個部件或故障模式的故障率;

Ni：第i個LRM的數(shù)量。

通過測試性預計技術，可以預計出設備的FDR和FAR，發(fā)現(xiàn)電子設備測試性的薄弱環(huán)節(jié)，提出設計改進措施，并評價設備是否能夠達到規(guī)定的測試性要求。

四、結束語

應用先進的測試性設計技術，對產(chǎn)品進行總體的測試性分析、設計與驗證，已經(jīng)成為航空電子技術未來發(fā)展的必然趨勢。本文針對綜合化通信導航識別設備提出了一種測試性總體設計方案，已在工程項目中得以應用驗證，大大提高了故障檢測率和故障隔離率，滿足了系統(tǒng)的測試性需求，可為其他電子設備的測試性設計提供借鑒和參考。

參? 考? 文? 獻

[1] 田仲，石君友等.系統(tǒng)測試性設計分析與驗證[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2] 龔世明.航空通信導航識別綜合技術的新進展[J].航空電子技術，2000（3） ： 35-43.

[3] 李海偉.航空電子設備研制的測試性設計考慮[A].民用飛機設計與研究，2018.02.015

[4] 常少莉，時鐘，胡泊.基于虛擬仿真的測試性預計技術研究及應用示例.環(huán)境適應性和可靠性，2012，1004-7204.

[5] 張毅.模擬電路測試性仿真驗證平臺設計與實現(xiàn)[D].西安：西安交通大學，2010

[6] 宋麗蔚，李剛.基于的電子設備故障自動注入平臺研究[J].中國測試，2012 ， 38（4） ： 99-102.

[7] ARINC Report 847，Product Development Guidance for Maintainability and Testability （PDMAT） [R].[S.l：s.n]