數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)可測(cè)試性設(shè)計(jì)

暢 玲 黨紅肖

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著電子設(shè)備系統(tǒng)性能的提高和復(fù)雜度的增加，人們往往希望產(chǎn)品(系統(tǒng))本身具有便于監(jiān)控，易于進(jìn)行故障診斷測(cè)試的特性，這就是系統(tǒng)的測(cè)試性。根據(jù)GJB 2547-1995 裝備測(cè)試性大綱［1］和GJB 3385-1998 測(cè)試診斷與術(shù)語(yǔ)［2］的描述，測(cè)試性(Testability)是指產(chǎn)品能及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)，并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。目前，測(cè)試性同可靠性、維修性一樣，已成為與產(chǎn)品性能同等重要的設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可測(cè)試性，就需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中同步考慮系統(tǒng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的合理性和有效性。測(cè)試性設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件等的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)綜合考慮并實(shí)現(xiàn)測(cè)試的可控性與可觀測(cè)性，達(dá)到測(cè)試性要求的設(shè)計(jì)過(guò)程［3］。也就是說(shuō)一切能使測(cè)試生成和故障診斷變得比較容易的設(shè)計(jì)都可稱為可測(cè)試性設(shè)計(jì)。

數(shù)傳接收機(jī)作為連接火控系統(tǒng)和火力系統(tǒng)的橋梁，它的工作正常與否直接影響到雷達(dá)指令傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、火炮的可執(zhí)行性以及運(yùn)動(dòng)的安全性。數(shù)傳接收機(jī)雖設(shè)計(jì)于上世紀(jì)九十年代，但因?yàn)樵O(shè)計(jì)初期較好的考慮到系統(tǒng)的測(cè)試和故障診斷問(wèn)題，不但對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)設(shè)計(jì)，而且在前面板預(yù)留了“測(cè)試口”，使得系統(tǒng)原位檢測(cè)成為可能，進(jìn)而通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)功能檢測(cè)、故障診斷以及系統(tǒng)的三級(jí)維修簡(jiǎn)單方便，為科學(xué)的制定系統(tǒng)的維護(hù)保障計(jì)劃提供了依據(jù)。

本文依照測(cè)試性的要求，從逆向工程的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)某雷達(dá)數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)的軟、硬件以及故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)分析，就如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)這一課題進(jìn)行了探討。

1 數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)組成

數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)主要完成雷達(dá)未來(lái)點(diǎn)諸元信號(hào)的接收、控制、轉(zhuǎn)換、處理以及火炮命令的傳送、火炮初速的計(jì)算等。它由連接到母板總線的CPU 單元、火炮接口單元、初速單元、方位角控制單元、高低角控制單元、方位角轉(zhuǎn)換單元、高低角轉(zhuǎn)換單元以及供電組成。系統(tǒng)對(duì)外接口包括和火控系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)傳輸、送給火炮系統(tǒng)的方位、高低角輸出。其基本組成原理框圖如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)。

2 數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)測(cè)試性分析及設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)測(cè)試性分析

該系統(tǒng)包括硬件和軟件。硬件方面，從圖1 系統(tǒng)組成原理框圖可以看出，數(shù)傳接收機(jī)中的各控制單元均和標(biāo)準(zhǔn)的總線系統(tǒng)相連。CPU 單元作為系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)RS485 串行通信接收來(lái)自火控系統(tǒng)的未來(lái)點(diǎn)諸元信號(hào)，按照指令要求完成相應(yīng)的運(yùn)算、處理，隨后以一定的時(shí)序和相位控制火炮的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)它接收來(lái)自火炮的隨動(dòng)信號(hào)和初速脈沖，經(jīng)過(guò)解算回傳給火控系統(tǒng)。方位角/高低角控制單元將總線送來(lái)的火控?cái)?shù)據(jù)分解并經(jīng)過(guò)方位角/高低角轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成模擬量送給火炮。整個(gè)系統(tǒng)供電為三相四線制的400Hz/115V，7 路直流供電是由供電單元1 和供電單元2 經(jīng)過(guò)交流-直流變換而來(lái)。數(shù)傳接收機(jī)功能“積木塊”的特點(diǎn)，使其外場(chǎng)可更換單元(LRU)的劃分相對(duì)容易。LRU 的劃分如圖2所示。

系統(tǒng)軟件分為兩部分:操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，其中系統(tǒng)測(cè)試程序包含在應(yīng)用軟件中。

圖1 數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)組成原理框圖

圖2 外場(chǎng)可更換單元LRU 劃分

2.2 系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)選擇

系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)的選擇直接影響系統(tǒng)測(cè)試性的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，系統(tǒng)總的輸入/輸出點(diǎn)、各功能單元的信號(hào)輸入/輸出點(diǎn)等都是測(cè)試點(diǎn)的候選對(duì)象［4］。數(shù)傳接收機(jī)中，CPU 單元的串行通信，方位/高低角的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出等都是系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。結(jié)合數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試要求，設(shè)置出數(shù)傳接收機(jī)故障檢測(cè)點(diǎn)如下表。

表1 被測(cè)單元和故障檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置一覽表

2.3 系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試性既包括對(duì)產(chǎn)品自身的要求，又包含對(duì)測(cè)試設(shè)備的性能要求，與維修性及可靠性密切相關(guān)。任何不能被檢測(cè)出的故障狀態(tài)的存在將直接影響產(chǎn)品的可靠性和安全性。測(cè)試性設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下基本思想:在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能性能特性設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì);分層次進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)，以滿足三種不同維修級(jí)別的要求;合理利用各種測(cè)試手段，使機(jī)內(nèi)測(cè)試與外部測(cè)試相結(jié)合;在可靠性分析的基礎(chǔ)上，找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的測(cè)試性設(shè)計(jì)，以便提高任務(wù)可靠性和維修性［5］。

根據(jù)數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)的功能，測(cè)試性設(shè)計(jì)應(yīng)做到自檢功能強(qiáng)、機(jī)內(nèi)外檢查測(cè)試方便以及維修性好等三個(gè)方面。下面從數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)、原位檢測(cè)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)三方面，闡述數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)的思路和方法。

2.3.1 機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)測(cè)試電路作為被測(cè)單元的組成部分，構(gòu)成不宜太復(fù)雜，否則會(huì)降低系統(tǒng)的MTBF，增加成本，另外還必須要考慮容差范圍，否則容易引起虛警。

為滿足數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試性要求，結(jié)合系統(tǒng)不同LRU 自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了重點(diǎn)被測(cè)單元的自檢測(cè)用電路。數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測(cè)試借助于簡(jiǎn)單的硬件，主要為軟件設(shè)計(jì)，它是獨(dú)立于應(yīng)用軟件的測(cè)試軟件。主要完成以下功能:⑴狀態(tài)檢測(cè)定期檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，比如RS485 的串行通信狀況，以確定系統(tǒng)的工作狀態(tài);⑵故障診斷對(duì)反映LRU 狀態(tài)的關(guān)鍵信號(hào)和參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集和測(cè)量，以確定系統(tǒng)狀態(tài)和隔離故障。

機(jī)內(nèi)測(cè)試故障診斷流程見(jiàn)圖3。目前，機(jī)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)故障診斷率約為7/12≈58%。

圖3 機(jī)內(nèi)測(cè)試流程

2.3.2 原位檢測(cè)

原位檢測(cè)是指對(duì)被檢測(cè)對(duì)象在其原來(lái)的安裝、裝配位置或生態(tài)組織上，進(jìn)行的檢查與測(cè)試。它具有快速、方便、有效的特性，是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分［6］。

數(shù)傳接收機(jī)放置在火炮油機(jī)上，鑒于其工作位置的特殊性，在測(cè)試性方面，結(jié)合機(jī)內(nèi)BIT 設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)了一個(gè)方便快捷的人工測(cè)試接口，以便于進(jìn)行原位檢測(cè)。

如圖2所示，數(shù)傳接收機(jī)放在原安裝位置上，其按工作狀態(tài)正常和火控系統(tǒng)、火力系統(tǒng)相連。借助于其面板上的“測(cè)試口”，通過(guò)一根測(cè)試電纜外接測(cè)試面板，使數(shù)傳接收機(jī)同時(shí)將方位角和高低角數(shù)據(jù)，火炮開火和報(bào)警命令，供電輸入和輸出電壓，火炮初速輸入等信號(hào)輸出，只需連接不同的測(cè)試儀器設(shè)備，就可對(duì)其進(jìn)行全方位測(cè)試，直觀的在正常工作狀態(tài)下檢測(cè)其性能指標(biāo)和工作狀態(tài)。

圖4 數(shù)傳接收機(jī)原位檢測(cè)原理框圖

圖5 數(shù)傳接收機(jī)專用測(cè)試系統(tǒng)組成

原位檢測(cè)可以將故障定位到單個(gè)故障單元或系統(tǒng)，使外場(chǎng)可更換單元(LRU)的故障診斷率達(dá)到100%。

2.3.3 專用測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)是一個(gè)權(quán)衡和折衷的過(guò)程。一方面希望能對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，對(duì)故障進(jìn)行完善的檢測(cè)和定位，另一方面還要權(quán)衡系統(tǒng)的可靠性、實(shí)現(xiàn)難易程度和費(fèi)用。采用不同的設(shè)計(jì)方法，合理分配測(cè)試資源，提高系統(tǒng)測(cè)試效率，降低設(shè)計(jì)成本才是根本。

數(shù)傳接收機(jī)專用測(cè)試系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件主要包括火控模擬器、信號(hào)轉(zhuǎn)換連接組合、初速模擬器、專用測(cè)試電纜、角度測(cè)試儀、電源和示波器等，具體見(jiàn)圖4。檢測(cè)系統(tǒng)的軟件，主要包括系統(tǒng)模擬器軟件、數(shù)傳接收機(jī)測(cè)試軟件兩部分。

如圖5所示，系統(tǒng)模擬器和數(shù)傳接收機(jī)之間采用2 根軍用被覆雙絞線相連，它模擬火控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)、高低角數(shù)據(jù)火炮擊發(fā)、火炮報(bào)警命令諸元給數(shù)傳接收機(jī);初速模擬器完成炮彈通過(guò)炮管線圈的初速脈沖模擬;系統(tǒng)供電為400Hz/115V 的交流電。被測(cè)的數(shù)傳接收機(jī)通過(guò)面板上預(yù)留的測(cè)試口，經(jīng)過(guò)測(cè)試電纜和系統(tǒng)測(cè)試面板連接。操作人員通過(guò)人機(jī)界面，運(yùn)行一些駐留在平臺(tái)模擬器內(nèi)的系統(tǒng)軟件和測(cè)試程序，控制系統(tǒng)為數(shù)傳接收機(jī)提供模擬數(shù)據(jù)，隨后檢測(cè)數(shù)傳接收機(jī)的輸出信號(hào)。

通過(guò)數(shù)傳接收機(jī)專用測(cè)試系統(tǒng)，不但可以將故障定位到每個(gè)LRU 可更換單元，而且可以進(jìn)一步將故障定位到芯片級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試性設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，有很多因素要考慮。例如，測(cè)試點(diǎn)設(shè)置的科學(xué)性，測(cè)試接口的標(biāo)準(zhǔn)、通用化，系統(tǒng)測(cè)試的直觀性等等。近年來(lái)集故障診斷、故障預(yù)測(cè)和健康管理(PHM-Prognostics and-Health Management)能力于一體的新型綜合診斷系統(tǒng)已開始應(yīng)用于系統(tǒng)的可測(cè)試性設(shè)計(jì)之中。PHM從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷轉(zhuǎn)向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測(cè)，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將由基于狀態(tài)的維修取代原來(lái)由事件主宰的維修(即事后維修)或時(shí)間相關(guān)的維修(即定期維修)［7］。

某雷達(dá)數(shù)傳接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)于上世紀(jì)九十年代，目前已有幾百套的生產(chǎn)量。雖然系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試程度還不是很高，故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)還是淺層次的，但經(jīng)過(guò)多年多套產(chǎn)品的驗(yàn)證，其故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)是有效的，值得以后設(shè)計(jì)借鑒。

［1］GJB2547-1995，裝備測(cè)試性大綱［S］.

［2］GJB3385-1998，測(cè)試診斷與術(shù)語(yǔ)［S］.

［3］楊玉興，景慎.航空裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)的發(fā)展及其在ATE 中的應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2014，32(3):48-55.

［4］王青，謝利軍.某機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)試性分析與研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2008，38(5):76-80.

［5］趙繼承，顧宗山等.雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(3):174-179.

［6］許占顯.原位檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2002，1:17-19.

［7］曾聲奎，Pecht M G，吳際.故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2005，26(5):626-632.