吳國(guó)寶，宋帆，曾俊華

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

現(xiàn)代直升機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)功能強(qiáng)大、性能先進(jìn)、集成度高、內(nèi)外信號(hào)交聯(lián)復(fù)雜[1,2]。在使用過(guò)程中，若產(chǎn)生故障，僅靠機(jī)內(nèi)測(cè)試（Build-in Test,BIT）隔離到外場(chǎng)可更換單元（Line Replaceable Unit,LRU）或外場(chǎng)可更換模塊（Line Replaceable Module LRU），無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障模式全覆蓋[3,4]。這便意味著系統(tǒng)有部分故障模式，無(wú)法通過(guò)BIT 進(jìn)行檢測(cè)和隔離，這給機(jī)載系統(tǒng)的日常維護(hù)保障，特別是戰(zhàn)時(shí)保障帶來(lái)了不小挑戰(zhàn)，直接影響飛機(jī)的出勤率[5]。

為此，設(shè)計(jì)了一款機(jī)載電子系統(tǒng)小型化通用測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備可對(duì)多個(gè)機(jī)載電子系統(tǒng)產(chǎn)生的BIT 無(wú)法檢測(cè)故障模式以及BIT 可檢測(cè)但無(wú)法隔離至單個(gè)LRU/LRM 的故障模式進(jìn)行外部故障檢測(cè)及隔離，有效彌補(bǔ)了BIT 檢測(cè)能力的不足。該設(shè)備，通過(guò)運(yùn)行內(nèi)置的機(jī)載電子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試程序（Test Program,TP），實(shí)現(xiàn)對(duì)不同機(jī)載電子系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)的監(jiān)控，結(jié)合綜合故障診斷策略，將故障定位到單個(gè)的LRU/LRM。

1 測(cè)試原理

小型化通用測(cè)試設(shè)備，以電子系統(tǒng)的故障模式、影響及危害度分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）及半實(shí)物故障注入試驗(yàn)報(bào)告為輸入，確定BIT 無(wú)法檢測(cè)故障模式以及BIT 可檢測(cè)但無(wú)法隔離至單個(gè)LRU/LRM 故障模式；然后，通過(guò)對(duì)這些故障模式進(jìn)行分析，確定綜合故障診斷策略，故障檢測(cè)測(cè)試方法以及故障檢測(cè)所需最小化外部測(cè)試資源。依據(jù)最小化外部測(cè)試資源，確定小型化測(cè)試設(shè)備硬件，依據(jù)故障檢測(cè)測(cè)試方法開(kāi)發(fā)TP，一個(gè)機(jī)載電子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)TP。

通用測(cè)試設(shè)備由1 個(gè)硬件平臺(tái)及多個(gè)TP 及多套測(cè)試線纜組成（一個(gè)機(jī)載電子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)1 個(gè)TP 及1 套測(cè)試線纜）。

測(cè)試時(shí)，硬件平臺(tái)提供檢測(cè)所需的激勵(lì)、測(cè)量資源是通用測(cè)試設(shè)備的主要部件；TP 通過(guò)控制硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)機(jī)載電子系統(tǒng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上信號(hào)的激勵(lì)、測(cè)量、監(jiān)控，結(jié)合被測(cè)機(jī)載電子系統(tǒng)綜合故障診斷策略將故障定位到單個(gè)LRU/LRM；測(cè)試線纜用于實(shí)現(xiàn)機(jī)載電子系統(tǒng)、機(jī)載電子系統(tǒng)外部交聯(lián)系統(tǒng)、小型化通用測(cè)試設(shè)備之間的信號(hào)傳遞。如圖1 所示為小型化通用測(cè)試設(shè)備測(cè)試示意圖。圖2 為小型化通用測(cè)試設(shè)備測(cè)試流程圖。

圖1 小型化通用測(cè)試設(shè)備測(cè)試示意圖

圖2 小型化通用測(cè)試設(shè)備測(cè)試流程圖

2 測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

小型化通用測(cè)試設(shè)備基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)整體架構(gòu)，建立可組合性強(qiáng)、可裁剪可擴(kuò)展的通用化測(cè)試體系，其體系架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 PIP 體系架構(gòu)圖

整個(gè)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系以標(biāo)準(zhǔn)化體系為基礎(chǔ)進(jìn)行架構(gòu)，構(gòu)建軟件、硬件信息框架和軟件、硬件接口兩方面內(nèi)容，以軟件、硬件信息框架和軟件結(jié)構(gòu)組成的信息層和硬件接口組成物理層形成系統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)，他們通過(guò)體系網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合在一起形成系統(tǒng)整體架構(gòu)。系統(tǒng)的各種信息可以進(jìn)行高度共享，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的測(cè)試階段、在系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間進(jìn)行共享，還可實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間進(jìn)行共享，從信息層和物理層構(gòu)建系統(tǒng)通用化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)建立模型規(guī)定系統(tǒng)的主要功能和規(guī)范必要信息的定義，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的規(guī)范化設(shè)計(jì)。如建立開(kāi)關(guān)矩陣信息模型用來(lái)定義開(kāi)關(guān)的連接能力及如何訪問(wèn)能力等。構(gòu)建模塊化硬件平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)測(cè)試資源的獨(dú)立性和組合靈活性，各測(cè)試資源可方便快捷地進(jìn)行模塊互換，有利于后期測(cè)試設(shè)備的維護(hù)以及剪裁、擴(kuò)展和升級(jí)。

在測(cè)試資源最小化基礎(chǔ)上，系統(tǒng)架構(gòu)采用小型化設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，如多功能總線通訊模塊、多功能模擬信號(hào)測(cè)量模塊等，以減少設(shè)備功能模塊數(shù)量；其次，設(shè)備內(nèi)部采用高集成度設(shè)計(jì)，將硬件分成電源組件、資源組件、連接器組件三大功能區(qū)，并對(duì)各個(gè)功能區(qū)進(jìn)行高效合理的堆疊，最大限度地壓縮設(shè)備的體積，減輕設(shè)備重量及降低設(shè)備功耗。

小型化通用測(cè)試設(shè)備的測(cè)試描述文件、TP 文檔基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可組合性和移植性強(qiáng)，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)到同類(lèi)其他機(jī)種、機(jī)型系列通用測(cè)試設(shè)備的移植。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為滿足使用的便攜性，設(shè)備整體采用一體式拉桿箱設(shè)計(jì)。

拉桿箱直接選用的是派力肯1607AIR 型機(jī)箱，如圖4所示。這種機(jī)箱主要組成包括：箱體、箱蓋、腳輪、拉桿、把手以及壓力平衡閥等六部分。把手和可伸縮拉桿，既能滿足手提需要，也能滿足手拉拖行需要，便于單人攜行。箱體底部配有聚氨酯滾輪，滾輪直徑58mm，內(nèi)部嵌有不銹鋼滾珠軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼小，振動(dòng)噪聲低，可輕松通過(guò)20mm的障礙物。箱體與箱蓋之間通過(guò)兩個(gè)鎖扣實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)合[6]。箱蓋內(nèi)部四周嵌有密封圈，可保證箱子閉合時(shí)的密封防水性能。箱體上的壓力平衡閥用于平衡箱體內(nèi)外壓差。

圖4 通用測(cè)試設(shè)備外觀示意圖

箱體和箱蓋采用高分子復(fù)合材料注塑成型，各棱邊采用大圓弧順滑過(guò)渡設(shè)計(jì)，造型美觀，韌性良好，且存在剛性不足，易造成電子產(chǎn)品裝配精度不夠，影響電氣連接與配合，本設(shè)計(jì)對(duì)箱體進(jìn)行局部加固改造，具體措施包括：

(a)箱體布置加固框口件，框口件通過(guò)螺釘實(shí)現(xiàn)與拉桿箱的安裝鎖緊，提高拉桿箱箱體框口剛度；

(b)框口件選用優(yōu)質(zhì)鋁合金材質(zhì)，以滿足高強(qiáng)度的同時(shí)，減輕加固件的重量；

(c)框口件預(yù)留足夠的安裝孔位，用于設(shè)備面板緊固裝配；

(d)框口件與機(jī)箱安裝的孔采用盲孔螺紋設(shè)計(jì)，螺紋孔周邊設(shè)計(jì)密封圈，框口件與機(jī)箱裝配緊固后，確保安裝孔位處防水性能良好。

框口件示意圖如圖5 所示，加固后機(jī)箱效果圖如圖6 所示。

圖5 框口件示意圖

圖6 加固后機(jī)箱效果圖

一體化測(cè)試面板，采用優(yōu)質(zhì)鋁合金整體加工而成，一體化測(cè)試面板的外表面是通用測(cè)試設(shè)備的操作界面，配置有電源啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、電源指示燈、電源接口、接地柱、控制接口、測(cè)試接口等電氣元件，內(nèi)部用于安裝各功能模塊、電源模塊、線纜等電氣元件。面板兩側(cè)設(shè)計(jì)有把手，安裝時(shí)可通過(guò)把手將一體化面板整體放入箱體內(nèi)。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部需要維護(hù)時(shí)，只需將面板與面板安裝框架之間的螺栓拆除，便可通過(guò)把手將一體化面板整體從機(jī)箱內(nèi)取出。面板上的電氣元件布局，綜合考慮了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、外觀造型以及人體工程學(xué)等因素，整體設(shè)計(jì)美觀實(shí)用，符合大眾操作習(xí)慣。一體化測(cè)試面板示意圖如圖7 所示。

圖7 一體化測(cè)試面板示意圖

2.3 線纜設(shè)計(jì)

機(jī)載電子系統(tǒng)測(cè)試線纜包括低頻測(cè)試線纜、射頻線纜等。其中低頻測(cè)試線纜內(nèi)部信號(hào)線采用高溫導(dǎo)線制作，依據(jù)信號(hào)抗干擾能力分別采用單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線和三絞屏蔽線，所有屏蔽層均可靠接地。為保證線纜柔軟，所有線纜均選用繞包線。線纜設(shè)計(jì)有防差錯(cuò)螺釘，保證線纜與機(jī)載電子系統(tǒng)連接無(wú)誤，射頻線纜采用專(zhuān)用線纜制作，接頭采用符合機(jī)載電子系統(tǒng)射頻信號(hào)傳輸要求的專(zhuān)用連接器，測(cè)試線纜實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 測(cè)試線纜實(shí)物圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

為提高測(cè)試軟件的通用性和可移植性，測(cè)試設(shè)備采用基于自動(dòng)測(cè)試標(biāo)記語(yǔ)言（Automatic Test Markup Language,ATML）標(biāo)準(zhǔn)以及基于測(cè)試和信號(hào)定義（Signal and Test Definition,STD）標(biāo)準(zhǔn)的面向信號(hào)通用自動(dòng)測(cè)試軟件SCATS 作為測(cè)試程序（Test Program,TP）的開(kāi)發(fā)平臺(tái)[7,8]。

SCATS 將作為T(mén)P 開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的核心，通過(guò)將測(cè)試需求與具體硬件平臺(tái)分離，實(shí)現(xiàn)TP 的跨平臺(tái)可移植，測(cè)試數(shù)據(jù)可交互，提高了測(cè)試設(shè)備的互換性。SCATS 平臺(tái)軟件采用層次化體系架構(gòu)，自下至上分為物理層、驅(qū)動(dòng)層、標(biāo)準(zhǔn)層、系統(tǒng)層、開(kāi)發(fā)層和管理運(yùn)行層，體系架構(gòu)示意圖如圖9 所示。

圖9 SCATS 體系架構(gòu)框圖

圖9 中，物理層，包含軟件運(yùn)行所依賴的所有硬件資源基礎(chǔ)；驅(qū)動(dòng)層，主要面向驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員，基于C 或Python語(yǔ)言進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和調(diào)用；標(biāo)準(zhǔn)層，包含ATML 家族中的所有標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；系統(tǒng)層，主要面向硬件設(shè)計(jì)人員，屬于測(cè)試信息建模工具，用于配置系統(tǒng)中所需的信號(hào)資源、儀器和開(kāi)關(guān)資源以及通過(guò)系統(tǒng)集成得到的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（測(cè)試站）本身相關(guān)的信息；開(kāi)發(fā)層，主要面向TP 開(kāi)發(fā)人員，屬于測(cè)試信息建模工具，針對(duì)一個(gè)具體的被測(cè)對(duì)象，描述該被測(cè)對(duì)象本身相關(guān)的信息和測(cè)試電纜信息、測(cè)試需求信息（即測(cè)試描述）以及診斷模型（D-矩陣）信息；管理運(yùn)行層，主要面向最終的用戶，對(duì)應(yīng)于測(cè)試系統(tǒng)管理工具，該層次提供了TP 管理和運(yùn)行（如TP 的安裝、卸載、運(yùn)行控制等）功能以及硬件資源的查詢和配置功能等，其中包含的ATML運(yùn)行引擎能夠解釋執(zhí)行符合ATML 標(biāo)準(zhǔn)的TP 描述。此外還包含一個(gè)用于定位故障的診斷推理機(jī)以及一個(gè)管理測(cè)試結(jié)果和診斷結(jié)論等測(cè)試信息的數(shù)據(jù)管理工具。通用測(cè)試設(shè)備測(cè)試程序運(yùn)行層界面如圖10 所示。

圖10 通用測(cè)試設(shè)備測(cè)試程序運(yùn)行層界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)載電子系統(tǒng)小型化通用測(cè)試設(shè)備。其中，硬件設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，大大提高了硬件設(shè)備自身的可維護(hù)性及互換性，測(cè)試程序在SCATS 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有效提高了測(cè)試程序的通用性及可移植性。能較好地滿足機(jī)載電子系統(tǒng)故障檢測(cè)及隔離，更換備件的要求，通過(guò)在外場(chǎng)的多次試用結(jié)果表明，本文所提方法設(shè)計(jì)的小型化通用測(cè)試設(shè)備能夠較好地滿足機(jī)載電子系統(tǒng)故障檢測(cè)需要，具有針對(duì)性強(qiáng)，檢測(cè)效率高的特點(diǎn)。