王 紅，潘安君，楊占才，封錦琦，陳洪全，高 倩

(航空工業(yè)北京長城航空測控技術研究所，北京 101111)

航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測技術是指在系統(tǒng)運行中或基本不拆卸的情況下，使用邊界掃描器件、智能測試芯片、智能監(jiān)控儀器和智能診斷推理等先進嵌入式測試技術，增強傳統(tǒng)機內(nèi)測試(Built-in-Test,BIT)診斷能力，能夠獨立掌握系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，獨立查明產(chǎn)生故障的部位和原因，預知系統(tǒng)的異常和故障動向，以聲、光和顯示屏等多種形式進行信息輸出，并輔助操作人員和維修人員采取必要對策。外軍的實踐證明，嵌入式在線監(jiān)測是提高航空電子系統(tǒng)測試性、維修性和快速維修能力最為簡單有效的技術手段。嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)是未來新一代航空裝備所必須具備的重要系統(tǒng)，是實現(xiàn)傳統(tǒng)BIT能力增強、故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)系統(tǒng)熟化及裝備自主保障的核心關鍵技術。

自歐美等國于20世紀80年代后期開展基于智能BIT的嵌入式監(jiān)測與診斷技術以來，國外相繼在邊界掃描、嵌入式通信協(xié)議、嵌入式監(jiān)控芯片、嵌入式監(jiān)控儀器和先進診斷推理算法等領域開展了大量創(chuàng)新性的研究，并在嵌入式在線監(jiān)測標準、監(jiān)測方法、監(jiān)測工具等方面得到了大量應用，為外軍裝備測試診斷能力提升提供了重要支撐。目前，國內(nèi)航空裝備嵌入式在線監(jiān)測設計一般采用傳統(tǒng)BIT技術，智能BIT還未得到有效應用，新的嵌入式在線監(jiān)測手段也處于空白狀態(tài)，與國外相比還有較大差距。隨著未來超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integration,VLSI)、多核、系統(tǒng)級芯片(System on Chip,SoC)等復雜航空電子系統(tǒng)的不斷應用，為滿足我國未來新型航空電子系統(tǒng)的研制生產(chǎn)對嵌入式在線監(jiān)測技術需求，本文通過對國外近些年來嵌入式在線監(jiān)測技術、標準及開發(fā)工具的深入剖析，在借鑒國外嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，結合國內(nèi)實際需求，提出了國內(nèi)嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)的一些發(fā)展建議，希望能夠為我國未來航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計、開發(fā)和使用起到一定的借鑒作用。

1 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測體系架構

國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測體系架構如圖1所示。

圖1 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測體系架構

國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測體系架構采用分層逐級監(jiān)測與融合的技術方案構建，涵蓋了航空電子產(chǎn)品各個層級，如車間可更換單元(Shop Replaceable Unit,SRU)級(板級)、現(xiàn)場可更換單元(Line Replaceable Unit,LRU)級、分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級和全機級等各個層次。航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)結構層級自下而上主要包括板級嵌入式在線監(jiān)測層(含各個監(jiān)測單元)、LRU級嵌入式在線監(jiān)測層(含各個監(jiān)測控制器)、分系統(tǒng)級嵌入式在線監(jiān)測層、系統(tǒng)級嵌入式在線監(jiān)測層和全機級嵌入式在線監(jiān)測層。其中，板級和LRU嵌入式在線監(jiān)測層以實體形式應用到機載產(chǎn)品中，分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級和全機級嵌入式在線監(jiān)測層既可宿主于原有機載系統(tǒng)中，也可以用一臺獨立控制器實現(xiàn)。高層級的在線監(jiān)測層負責向低一個層級的在線監(jiān)測層發(fā)送測試向量和控制指令。本層級的在線監(jiān)測層負責向上一級的在線監(jiān)測層上報其所屬的所有更低層級的監(jiān)測結果，負責識別監(jiān)測結果并剔除關聯(lián)故障。模板內(nèi)的各個監(jiān)測單元主要針對模擬電器、數(shù)字電路和射頻電路等進行嵌入式在線監(jiān)測，并將監(jiān)測結果傳遞給LRU級的在線監(jiān)測控制器，然后逐層向上一級在線監(jiān)測層進行上報。

2 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測技術

由于電子設備在航空裝備中所占比例和重要性日益突出，以提高運行可靠性為目標的電子設備嵌入式在線監(jiān)測技術近年來得到了廣泛的重視。國外電子產(chǎn)品嵌入式在線監(jiān)測相關技術應用較為廣泛。眾所周知，美國馬里蘭CALCE電子產(chǎn)品和系統(tǒng)中心的電子產(chǎn)品嵌入式在線監(jiān)測技術的水平處于世界領先地位。美國Impact公司采用傳感器參數(shù)和物理損傷模型相融合的方法，實現(xiàn)了航電系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)及開關電源系統(tǒng)的壽命損耗監(jiān)測。美國Ridgetop公司的電子產(chǎn)品主機電路通過設置預警電路實現(xiàn)了故障預測功能，為波音公司阿帕奇直升機和歐洲宇航防務集團(European Aeronautic Defence and Space company,EADS)提供了電子產(chǎn)品PHM解決方案,主要采用SJBIST平臺對美國聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(Joint Strike Flighter,JSF)控制系統(tǒng)關鍵單元進行實時狀態(tài)監(jiān)控與健康管理，并利用RingDown平臺針對飛機開關電源系統(tǒng)開發(fā)了嵌入式在線監(jiān)測原理樣機。自1985年以來，聯(lián)合測試工作組(Joint Test Action Group,JTAG)發(fā)布了與電子器件邊界掃描相關的多項標準，極大地促進了嵌入式在線監(jiān)測技術的應用；自1995年以來，IEEE發(fā)布了嵌入式芯片測試、存儲器件測試、嵌入式儀器測試等多項標準，為航空電子產(chǎn)品嵌入在線監(jiān)測技術的進一步發(fā)展奠定了基礎。

通過對國外相關技術進行深入調(diào)研，得到國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測方法，如表1所示。

表1 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測方法

2.1 針對航空電子產(chǎn)品不同層級的在線監(jiān)測方法

國外電子產(chǎn)品一般采用五級在線監(jiān)測解決方案，主要包括芯片級、組件級、板級、LRU模塊級和系統(tǒng)級。芯片級利用PDK Check工具構建原位測試數(shù)據(jù)庫，可采用金絲雀電路、負偏壓溫度不穩(wěn)定性(Negatiue Bias Temperature Instability,NBTI)效應老化等原理實現(xiàn)嵌入式在線監(jiān)測。組件級主要對退化老化、輻射損傷及間歇故障等進行嵌入式監(jiān)測。板級主要針對集成電路、電容器、FPGA芯片、CPU芯片、焊點間歇故障現(xiàn)象等進行監(jiān)測，如美國Ridgetop公司利用SJBIST工具在FPGA中使用嵌入式的邊界掃描BIT方法為球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)封裝提供焊點間歇故障的在線監(jiān)測，也可利用SJMonitor工具構建一個分離的集成電路去實現(xiàn)外部的互聯(lián)監(jiān)測，并實現(xiàn)了FPGA測試的自動控制與評估。LRU模塊級主要針對電源板、數(shù)字電路板、模擬電路板和連接器等進行在線監(jiān)測，如可利用PDCT工具使用基于軟件的自動糾正方法，用來檢測PCB板和元器件由于安裝問題導致的間歇性失效，利用RingDown工具實現(xiàn)非侵入式電源健康狀態(tài)監(jiān)測，利用RingDownEMA工具實現(xiàn)電機設備的非侵入式診斷分析，也可利用PHMPro工具收集測量的征兆信號，并對以后的診斷分析提供依據(jù)。系統(tǒng)級主要針對各個LRU之間連接網(wǎng)絡等進行在線監(jiān)測，如可利用Sentinel Network工具為IT網(wǎng)絡提供征兆獲取、診斷分析服務，利用Sentinel PHMPro工具通過網(wǎng)絡可以為集成化運載器健康狀況監(jiān)測(Integrated Vehicle Health Monitoring,IVHM)提供支撐。近些年來，國外已經(jīng)利用邊界掃描技術在航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測過程中得到廣泛應用。美國洛馬公司與JTAG成功研制了基于邊界掃描的電路板測試產(chǎn)品，并在機載電子產(chǎn)品中得到應用。美國先進測試工程公司(A.T.E)開發(fā)了基于邊界掃描的系統(tǒng)級診斷工具，成功實現(xiàn)了邊界掃描技術在系統(tǒng)級嵌入式在線監(jiān)測中的應用。美國ASSET公司將JTAG邊界掃描測試組件嵌入到電子模板BIT設計中，使其不需要額外的物理探針、電纜和接口，能夠解決原有BIT系統(tǒng)可靠性低、頻繁失效和虛警率高等現(xiàn)實問題。邊界掃描技術不斷應用于國外裝備BIT設計中，但由于JTAG本身具有安全風險，美國ASSET公司提出了諸如芯片鎖、鑰匙寄存器、安全密鑰系統(tǒng)和TDI/TDO加密等降低安全風險的措施和方法。

2.2 針對不同的電路類型采用適應的在線監(jiān)測方法

針對不同的電路類型需要采用不同的在線監(jiān)測方法。對于數(shù)字電路，可以利用現(xiàn)有的測試性設計方法和測試方法(如窮舉法、D算法等)對原有電路進行測試性設計，實現(xiàn)故障檢測的嵌入式測試，并且能降低對電路板自身功能的影響。若再結合邊界掃描測試技術，故障檢測能力將得到很大提升。近些年來，國外開展了基于有線和無線通信方式遠程訪問到板內(nèi)部的邊界掃描模塊，解決了電子產(chǎn)品微型化帶來的系統(tǒng)級測試訪問難度大的實際問題。對于模擬電路板，則剛好相反，即便是測試一個簡單的參數(shù)或故障，可能也需要增加一定的測試電路，才能實現(xiàn)嵌入式測試。為在板內(nèi)實現(xiàn)向量生成與故障分析，可視電路板資源、尺寸和功耗等采用如環(huán)繞BIT法、比較BIT法、自校法等，需要綜合考慮嵌入式測試所帶來的好處和影響。為了解決現(xiàn)代數(shù)字電路系統(tǒng)的瞬時故障和間歇性故障問題，美國加利弗尼亞大學電子與計算機工程系研究人員提出了用于檢測數(shù)字電路系統(tǒng)中各種運行操作故障的在線周期性BIST技術，通過對被測電路設計一種最優(yōu)的最小化的測試序列進行周期性檢測，獲取電路響應，以檢測運行操作故障是否發(fā)生，具有提高故障覆蓋率、減少或消除故障潛伏時間等優(yōu)點。

2.3 基于嵌入式監(jiān)控硬件的在線監(jiān)測方法

嵌入式監(jiān)控芯片技術是指在模板內(nèi)部設計具有采集、激勵、存儲、處理、診斷和輸出等多功能于一體的專用芯片模塊，用于對模板內(nèi)部的器件、組件進行狀態(tài)監(jiān)測。國外研制了嵌入式監(jiān)控產(chǎn)品，如ARM公司的STM32系列監(jiān)控芯片等具有發(fā)送激勵、接收反饋、數(shù)據(jù)處理、大容量存儲和標準化通信接口等功能，用戶可在模板上嵌入該監(jiān)控芯片，并可根據(jù)監(jiān)控需求自行開發(fā)監(jiān)控程序。美國ASSET公司采用嵌入式儀器對電子產(chǎn)品進行訪問與控制，實現(xiàn)了電子產(chǎn)品現(xiàn)場在線監(jiān)測，解決了復雜芯片SoC的嵌入式測試難題。另外，國外學者提出了基于處理器的功能測試技術(Processor-Based Functional Test,PFT)和受控FPGA測試技術(FPGA-Controlled Test,FCT)等模板測試監(jiān)控技術，前者通過處理器代理單元實現(xiàn)對板載內(nèi)存及其他高速組件的在線監(jiān)控測試，后者通過嵌入式FPGA儀器實現(xiàn)對模板組件的功能和性能測試。

2.4 通過原位監(jiān)測累積損傷預測電子產(chǎn)品剩余壽命

電子產(chǎn)品健康管理主要通過建立被測對象可測試性設計模型，結合測試性分析和故障隔離率分析結果，尋找最優(yōu)的測試方法、測試時序和監(jiān)測參數(shù)(如器件溫度、電壓、功率等參數(shù)),從而建立監(jiān)測參數(shù)和健康狀態(tài)項目(如過熱等模式)之間的函數(shù)關系，并給出閾值作為基準，根據(jù)當前監(jiān)測的參數(shù)進而判斷電子設備的健康狀態(tài)(如可以劃分為正常、注意和故障3種提示功能)，從而實現(xiàn)設備的健康預報功能。剩余壽命預測是指在故障物理模型獲得的產(chǎn)品累積損傷百分比數(shù)據(jù)的基礎上，進一步預測產(chǎn)品可以繼續(xù)可靠工作的時間(這個時間可以是天數(shù)，也可以是循環(huán)周期數(shù)等)。由于電子產(chǎn)品尚無合適的可監(jiān)測的耗損參數(shù)和性能退化參數(shù)、故障發(fā)生進程極短(ms級)等原因，電子產(chǎn)品的壽命預測一直是一個難點。美國馬里蘭大學CALCE ESPC提出了電子產(chǎn)品“壽命消耗監(jiān)控(Life Consumption Monitoring,LCM)”方法，典型的基于失效機理模型的剩余壽命預測流程如圖2所示。

圖2 基于失效機理模型的剩余壽命預測流程

該方法論采用的是環(huán)境信息，基于電子產(chǎn)品的失效物理模型，通過環(huán)境應力和工作應力監(jiān)測，進行累計損傷計算，進而推斷產(chǎn)品的剩余壽命。該壽命預測方法的基礎是對產(chǎn)品對象失效模式和失效機理進行透徹了解，并建立量化的失效物理模型。目前該方法已用于美國航天飛機火箭助推器電子組件、JSF飛機電源開關模塊、DC/DC轉換器和航空電源等的壽命預測，取得了良好的效果。針對軍事/航空系統(tǒng)來講，實施電子系統(tǒng)預測要考慮可行性和經(jīng)濟性，美國Ridgetop公司以歐洲戰(zhàn)斗機的開關電源為例，以浴盆曲線為基礎，分析計算其進行電子預測的投資回報率，為實施開關電源的電子預測提供依據(jù)。此外，美國Ridgetop公司在電子系統(tǒng)預測實現(xiàn)中，使用SJBIST技術在高加速度壽命試驗評估(Highly Accelerated Life Testing,HALT)中獲取原始的累積損傷試驗數(shù)據(jù)，為電子系統(tǒng)預測技術熟化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.5 通過人工智能模型來監(jiān)測電子產(chǎn)品異常行為

通過對被觀測對象在非正常工作狀態(tài)下所表現(xiàn)出來或可偵測到的異常現(xiàn)象(振動、噪聲、污染、溫度和電磁場等)進行在線監(jiān)測，進而實現(xiàn)故障診斷。目前，國外監(jiān)測電子產(chǎn)品異常現(xiàn)象的基于數(shù)據(jù)的監(jiān)測模型主要有奇異值分解、主成分分析、神經(jīng)網(wǎng)絡、高斯混合模型、隱馬爾可夫模型、卡爾曼濾波、泰勒級數(shù)展開、概率趨勢分析模型、貝葉斯模型、數(shù)據(jù)融合模型等類型。美國Agilent公司(現(xiàn)為Keysight公司)通過測試序列優(yōu)化方法和基于貝葉斯的邏輯診斷技術提升了電子產(chǎn)品故障診斷能力，實際應用表明其遠遠優(yōu)于任何專家系統(tǒng)技術。美國Ridgetop公司通過使用基于最小二乘方法的多變量狀態(tài)估計(Multivariate State Estimation Technique,MSET)技術實現(xiàn)了產(chǎn)品狀態(tài)自主檢測與狀態(tài)估計，使用基于非參數(shù)核估計程序的自相關核回歸方法(Auto-Associative Kernel Regression,AAKR)實現(xiàn)了產(chǎn)品的狀態(tài)預測。美國Ridgetop公司采用基于狀態(tài)估計和預測、基于SPICE仿真的數(shù)據(jù)處理和特征提取、基于芯片級架構的嵌入式預測等技術，實現(xiàn)了對飛機燃油系統(tǒng)功率分配器和飛行控制系統(tǒng)作動器的電子預測。此外，利用建立被觀測對象動態(tài)響應模型(包括退化過程中的動態(tài)響應)，針對當前系統(tǒng)的響應輸出，進行參數(shù)辨識，對照正常狀態(tài)下的參數(shù)統(tǒng)計特性，進行故障模式確認、故障診斷和故障預測。這種方法提供了一種不同于概率趨勢分析和ANN的途徑，具有更高的置信度和故障早期預報能力。

此外，通過建立失效機理預警模型、時間相關絕緣擊穿(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)預警模型等設置預警電路(Canary Devices)來預測故障，通過建立關鍵性能參數(shù)變化模型、電阻變化模型和動態(tài)功耗變化模型監(jiān)測失效征兆來預測故障也是一種有效的方法。

3 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測標準

國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測主要標準清單如表2所示。

表2 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測標準清單

1985年以來，JTAG提出了一種結構化的測試性設計技術——邊界掃描技術。1990年初，IEEE宣布了一種用于規(guī)范化數(shù)字電路測試訪問端口及邊界掃描設計的IEEE 1149.1標準。隨著相關技術的不斷發(fā)展，國外先后發(fā)展出了用于模擬及數(shù)模混合信號電路測試的IEEE Std 1149.4、用于規(guī)范化模塊測試與維護總線協(xié)議的IEEE Std 1149.5、用于交流耦合信號測試的IEEE Std 1149.6以及用于多內(nèi)核集成芯片及板級測試的IEEE 1149.7等相關的邊界掃描測試標準，為支持邊界掃描器件的嵌入式測試提供標準化支撐。此外，為了提升電子設備嵌入式測試能力，相關機構和委員會后來陸續(xù)制定和發(fā)布了用于測試接口語言定義的IEEE Std 1450、用于嵌入式芯核測試的Std 1500、用于可測性與診斷性特征和參數(shù)度量的Std 1522、用于可編程器件的嵌入式測試配置及優(yōu)化的Std 1532、用測試存儲器件的P1581和用于規(guī)范化半導體設備內(nèi)部用嵌入式儀器訪問與控制的1687等行業(yè)標準，極大地促進了航空電子設備邊界掃描技術及嵌入式在線監(jiān)測技術的發(fā)展及應用，為未來VLSI、多核和SoC等復雜電子裝備的測試和故障診斷發(fā)揮了重要作用。

自1995年開始，參加IEEE 1450標準制定的標準工作組相繼制定了9項相關標準(IEEE 1450.0-8),通過采用一種通用的測試向量圖形描述語言,統(tǒng)一了集成電路測試接口語言,在EDA環(huán)境和ATE之間建立一個橋梁，使得EDA仿真工具和ATE能夠無縫連接，將設計和測試緊密聯(lián)系起來，為實現(xiàn)高效率、低成本的集成電路測試提供了標準支撐。

1995年，IEEE計算機學會的TTTC開始研究嵌入式芯片的測試問題，于1997年建立了IEEE P1500標準，并于2005年正式發(fā)布了IEEE Std 1500標準，通過定義一個標準的可配置的芯核外殼，并約定測試訪問、測試控制及信號隔離機制，實現(xiàn)了芯片供應商和用戶之間的接口標準化，極大地促進了SoC測試水平的提高。

2004年，IEEE標準協(xié)調(diào)委員會20(SCC20)下的診斷與維護控制(D&MC)分委會發(fā)布了IEEE Std 1522試用標準。通過對基本度量指標(如動作集、診斷集、故障集、功能集、維修集和資源集等)、費用相關度量指標(如測試時間費用、維修時間費用等)、故障檢測和隔離相關度量指標(如可檢測的故障集、可隔離的故障集和故障模糊集等)等提供了正式、準確的定義，實現(xiàn)了測試性和診斷性度量指標的規(guī)范化描述。

為了滿足FPGA、CPLD、PROM等類型的可編程設備的可測試性要求，IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1532標準，在IEEE 1149.1標準基礎上，通過構建符合IEEE 1532標準的系統(tǒng)模型、定義指令集合、規(guī)范化指令加載和測試流程等方式實現(xiàn)了可編程設備內(nèi)部訪問形式、測試方式和控制邏輯的標準化，提高了可編程設備的可測試性水平。

針對內(nèi)存設備更新?lián)Q代的逐漸加快,而且在板級測試過程中不同種類內(nèi)存設備對可測試性呈現(xiàn)不同的技術需求,IEEE于2007年發(fā)布了P1581白皮書，提出了一種測試存儲器件的標準，利用內(nèi)存設備自帶插針,在不添加邊界掃描電路和額外的引腳情況下實現(xiàn)了存儲器件的標準化測試，解決了板級測試及系統(tǒng)級互連測試中存在的諸多問題,極大地提升了存儲器件的可測試性水平。

此外，針對由多層組件(每層組件可能包括多種嵌入式IP)構成更為復雜的SoC，使用傳統(tǒng)的固定長度邊界掃描鏈和固定指令配置難以滿足多個嵌入式IP的SoC中不斷增加的自動化測試需求。IEEE于2014年發(fā)布了IEEE 1687標準，定義了IJTAG體系架構、IJTAG使用模型及網(wǎng)絡連接途徑，能夠?qū)η度胧絻x器(可稱為任何正在測試和診斷的片上電路，如模擬IP、混合信號IP、DSP、時鐘等)進行訪問與控制，實現(xiàn)了高效、低成本、快速訪問MBIST及芯片的內(nèi)部掃描鏈，解決了復雜SoC芯片的嵌入式測試難題。

4 國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)驗證工具

國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測開發(fā)工具清單如表3所示。

下面針對電路故障仿真與測試驗證軟件Falsim、板級在線監(jiān)測設計開發(fā)驗證工具SJBIST和模塊級在線監(jiān)測設計開發(fā)驗證工具RingDown 3個典型工具進行分析。

Falsim軟件是一種利用Pspice庫實現(xiàn)電路故障仿真和器件故障注入，并能夠自動進行失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)的工具。利用Falsim工具進行電路故障仿真之前，首先要選擇元器件類別(如電容器、電阻器、集成電路等)、元器件類型(如1類瓷電容器、金屬膜電阻器、MOS數(shù)字電路、雙極數(shù)字電路等)、故障模式(如參數(shù)漂移、開路、短路、斷路、輸入性能退化、輸出延時、輸出性能退化、模擬輸出失效等)和故障引腳(如CLK、J、K等)，并設定參數(shù)漂移量等信息，然后針對不同類型信號(如電流、電壓、數(shù)字等)進行信號判據(jù)的添加工作。以數(shù)字信號判據(jù)為例，其輸出信號判據(jù)可用跳變時間、允許跳變時間和跳變后電平為判據(jù)，最后可自動針對選擇的電路完成故障注入，并進行FMEA，并給出分析結果和報告。

SJ-BIST平臺由歐宇航下屬的凱希典測試與服務公司與美國Ridgetop公司共同研制開發(fā)，用于電子產(chǎn)品的板級失效檢測和預警。SJ-BIST應用流程如下：首先選擇需要監(jiān)控的I/O引腳，確定運行SJ-BIST的時鐘頻率；然后確定與被監(jiān)測部件內(nèi)部軟件內(nèi)核操作頻率與SJ-BIST是否匹配，確定特定應用所需的SJ-BIST配置內(nèi)容等；最后確定在具體應用中使用的方法及SJ-BIST報告輸出的內(nèi)容。美國Ridgetop公司針對BGA部件，利用SJ-BIST開發(fā)了BGA焊接失效檢測樣機，實現(xiàn)了BGA焊接失效的在線監(jiān)測。針對JSF戰(zhàn)機機載控制系統(tǒng)中的大量集成芯片或微處理器(如FPGA等)由于承受復雜的熱應力與機械應力影響造成元器件的輸入、輸出針腳出現(xiàn)裂紋，最終導致整個控制系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性故障且難以診斷的實際情況，美國Ridgetop公司提出了采用SJ-BIST系統(tǒng)，針對不同的芯片提出具體的故障診斷與預測解決方案，實現(xiàn)了對JSF戰(zhàn)機控制系統(tǒng)關鍵單元的實時狀態(tài)監(jiān)控與健康管理，保證了JSF戰(zhàn)機的戰(zhàn)備完好性。

RingDown平臺由美國Ridgetop公司研制開發(fā)，用于電源設備失效檢測和預警。RingDown平臺使用專用外部傳感器直接插裝在電路板上，并利用特殊的技術提取測量值和判定控制電路的特性，能夠快速對電源進行在線或離線測試，減少整體測試成本。RingDown平臺能夠精確地預測損耗并判斷電源健康狀態(tài)和剩余壽命(Remaining Useful Life，RUL)，支持實時、瞬態(tài)檢測，支持多電源系統(tǒng)實時遠程監(jiān)控，對電源故障進行預警和預防性維修，減少停機時間。使用RingDown平臺開發(fā)電子設備在線監(jiān)測系統(tǒng)流程，首先要明確被監(jiān)測設備特征及失效模式，構建支持故障注入的測試板，然后配置該被監(jiān)測設備預測的適用算法，提取失效特征，最后計算剩余可使用壽命。歐宇航下屬的凱希典測試與服務公司利用RingDown平臺開發(fā)了開關電源的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其實施過程包括：首先分析開關電源的工作原理、失效模式和故障注入方式等，然后確定狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與開關電源的連接方式及應用場景，最后利用RingDown平臺進行仿真、開發(fā)和驗證，并研制了相應狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)樣機，該產(chǎn)品已經(jīng)作為成熟產(chǎn)品應用到各種型號的飛機中。

5 國內(nèi)設計、開發(fā)與使用嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)的幾點啟示

通過對國外近些年來嵌入式在線監(jiān)測技術、標準和工具的深入剖析，并結合國內(nèi)實際需求，我國設計、開發(fā)與使用嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)時主要建議如下。

(1)開展嵌入式在線監(jiān)測體系架構研究，從頂層上支撐全機級嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)研制。

從國內(nèi)航空電子裝備嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)設計及使用需求的角度出發(fā)，以國內(nèi)航空電子裝備產(chǎn)品層級為依據(jù)，明確國內(nèi)嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構框架、組成單元、接口關系、工作模式及信息傳遞等，構建嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)體系架構，為開發(fā)全機級嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)提供依據(jù)。

(2)掌握國外機載嵌入式在線監(jiān)測標準，結合國內(nèi)機載在線監(jiān)測實際需求，研制標準化通信接口及協(xié)議模塊，提升機載在線監(jiān)測相關標準轉化、吸收和再創(chuàng)新的能力。

針對IEEE Std 1149.1標準，可研制基于邊界掃描的標準化測試訪問接口控制器。針對IEEE Std 1149.4標準，可研制基于邊界掃描的模擬及數(shù)?；旌闲盘栯娐窚y試模塊。針對IEEE Std 1149.5標準，可研制符合標準化的模塊測試與維護總線協(xié)議的相關接口模塊。針對IEEE Std 1149.6標準，可研制基于邊界掃描的交流耦合信號測試模塊。針對IEEE1149.7標準，可研制基于邊界掃描的多內(nèi)核集成芯片及板級測試模塊。針對IEEE Std 1450標準，可研制測試接口語言相關工具。針對IEEE Std 1522標準，可定義可測性與診斷性特征以及度量參數(shù)，為測試診斷能力的評估提供依據(jù)。

(3)研制可重構、可剪裁、小型化的機載嵌入式在線監(jiān)控模塊，以適應機載產(chǎn)品不同種類和不同層級的監(jiān)控診斷需求，提升監(jiān)控模塊工程應用能力。

針對航空電子裝備的不同種類電路，如傳統(tǒng)的模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐罚约靶乱淮鶹LSI、多核和SoC等復雜電路，均有不同的結構、功能特點和工作特性，需要使用不同的監(jiān)控方法、診斷方法和預測模型。同時，系統(tǒng)級、LRU級、板級機載產(chǎn)品均有不同的監(jiān)控診斷需求。因此，構建合理可行的可重構、可剪裁的機載嵌入式在線監(jiān)控模塊結構是研制該產(chǎn)品的前提。一般情況下，該模塊結構應至少支持以下功能：① 模塊內(nèi)部的邊界掃描控制器支持IEEE 1149.1標準，支持IEEE 1149.1協(xié)議到MTM總線、CAN及其他總線協(xié)議的轉換；② 模塊支持數(shù)字化儀、數(shù)字多用表、限值檢測器和定時器/計數(shù)器的控制功能；③ 模塊支持與外部大容量存儲器接口與通信功能，支持與MTM總線通信功能；④ 模塊的通道數(shù)、最大存儲深度、最高采樣率、最大測量范圍、測量分辨率等指標應滿足實際電子產(chǎn)品的測試需求。另外，在滿足多功能集成、小型化、可嵌入、高實時性、高穩(wěn)定性、低功耗和低成本需求情況下，國內(nèi)尚需突破小型化復合信號激勵、高實時同步數(shù)據(jù)采集、高實時高穩(wěn)定性大容量存儲、高速數(shù)據(jù)處理和低功耗低成本供電等關鍵技術，研制相應的小型化嵌入式在線監(jiān)控模塊，以滿足機載產(chǎn)品使用要求。

(4)梳理嵌入式在線監(jiān)測驗證指標體系，構建嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)驗證平臺，加速工程化進程。

從嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)功能、性能及用戶使用需求角度出發(fā)，開展嵌入式在線監(jiān)測驗證要求、指標和流程的研究。嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)驗證流程與設計流程是相輔相成的，在系統(tǒng)設計過程中，每個階段都要開展相應的驗證確認活動。建議以航空裝備嵌入式在線監(jiān)測不同層級為依據(jù)，構建嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)驗證平臺，主要用于驗證各個層級的在線狀態(tài)監(jiān)測能力，以及各個層級的交聯(lián)關系、信息流向、指令交互、數(shù)據(jù)傳遞等系統(tǒng)架構方面，同時可以驗證識別各個層級的故障檢測率、故障隔離率等定量指標。

(5)推動嵌入式在線監(jiān)測的標準體系與產(chǎn)品研制同步建設，提高工程化應用能力。

推出機載嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)控模塊設計、研制、使用及維護相關的標準規(guī)范，基于合理可行的機載嵌入式在線監(jiān)測技術標準體系，在嵌入式實時測試監(jiān)控模塊研制過程中同步推進標準化工作，為原理驗證、技術熟化、工程研制提供標準化支撐。

6 結束語

在分析國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測體系架構、國外電子產(chǎn)品五級在線監(jiān)測解決方案基礎上，分析了國外基于監(jiān)控硬件、原位監(jiān)測累積損傷和人工智能模型等嵌入式在線監(jiān)測技術的發(fā)展情況，闡述了國外基于邊界掃描、監(jiān)控芯片和監(jiān)控儀器等嵌入式在線監(jiān)測標準發(fā)展情況，并介紹了國外Falsim、SJ-BIST及RingDown等嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)驗證工具的功能、特點和應用情況，最后結合國內(nèi)實際需求,提出了國內(nèi)必須從全機級嵌入式在線監(jiān)測體系架構、嵌入式專用監(jiān)控模塊研制、嵌入式在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)驗證平臺構建及標準化建設等方面開展工作的建議，希望能夠為未來我國航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測技術的發(fā)展起到一定的借鑒和指導作用。