板級自動測試系統在航空電子裝備中的應用

呂思璐，王作天，張明陽，韋志會，田開順

(1.中國人民解放軍 第四七二四工廠, 上海 200436;2.北京航天測控技術有限公司, 北京 100041)

0 引言

航空電子裝備的服役期到了翻修時限,各種故障也到達一個高發期,目前基地級維修在對航空電子裝備進行翻修時內場基本是將故障定位到電路板級,在板級資料不具備或不完善的情況下,往往是憑維修技術人員的個人經驗與能力進行深入的故障定位與排除。如遇到維修人員無法定位故障排除故障，則需要通過外送修理予以解決，如此一來航空裝備的維修周期、質量得不到有效控制，進而就會影響部隊作戰任務。基于這種現狀，集成一個板級通用的自動測試系統來診斷定位板級產品的故障并將人的維修經驗固化成為固定的測試程序就顯得尤為重要。因此通過逆向分析航空電子裝備內電路模塊的工作原理,利用一個通用板級測試系統平臺，確定測試診斷流程、邏輯，選取合適的測試點，分配合理的測試資源，來滿足不同電路板的測試是一個多機種、小批量的航空裝備大修廠的重要課題。

本文以故障率高發的故障樣板為例，通過利用板級自動測試系統進行故障診斷，設計具體測試、診斷方案，詳細闡述了板級自動測試系統在航空裝備維修行業中板級故障診斷的應用,從實際應用的角度出發研究了航空電子裝備板級自動化維修流程。

1 板級自動測試系統結構及原理

數模混合電路故障診斷系統組成及功能如圖1所示。系統集成了電路板測試診斷維修所需的測試資源、通道控制裝置、軟件系統和支持結構，總體組成框架如圖1所示。

圖1 板級自動測試系統總體組成框圖

2 系統硬件設計

板級自動測試系統硬件設計的功能聯系和控制關系如圖2所示。板級自動測試系統以PXI總線儀器為核心，以LAN/GPIB總線儀器為中頻測試資源，由PXI儀器模塊提供被測電子裝備測試所需的主要測試和控制資源。主控計算機通過上位機的自動測試軟件控制測試設備的儀器資源及測試程序(TP)的執行。公共測試信號接口ICA為測試資源集中輸出的模塊，ATE與被測電路板通過測試接口適配器ITA實現測試信號的交互適配，形成儀器測試資源與被測電路板的信號通路。

圖2 板級自動測試系統硬件功能聯系與控制關系圖

3 系統軟件設計

3.1 測試程序開發平臺

電路板種類復雜多樣，不同的電路板具有不同特征，所以不同電路板的檢測方法也不同，為滿足系統通用性的設計要求自動測試系統盡可能多的提供不同信號量和器件的測試方法，但對于具體的控制測試設備對被測對象什么引腳施加什么激勵，機器是不知道的，還需要測試人員自定義開發測試軟件，計算機通過執行測試軟件，控制測試設備對被測件施加激勵，并分析采集回的信號特征，從而判斷被測電路板是否故障。所以測試系統提供了資源建模工具包括對被測對象、適配器、測試電纜、測試流程和故障診斷流程進行建模，即面向信號的建模方式。

測試程序開發平臺采用北京航天測控公司成熟框架軟件平臺Vite3.3，該測試程序開發平臺實現信號、被測對象、適配器、測試站、測試儀器、測試流程等軟硬件資源的定義與描述，構建關于測試對象的測試策略描述、UUT定義、適配器定義、測試站描述、儀器能力描述等部件和系統的XML文件，能開發測試流程文件以及故障診斷文件，生成測試配置文件，形成TPS測試源代碼。測試開發環境具備測試程序的編譯調試功能，編譯生成TP程序，進行測試程序的調試操作。同時測試程序開發平臺能夠實現測試程序的移植管理工作。包括測試策略開發、測試資源開發、測試程序調試和TP移植管理4個大功能模塊，被測對象建模、適配器建模、測試電纜建模、測試流程建模、故障診斷建模、測試站建模、測試儀器建模、測試程序編譯調試和導入/發布ATML源包9個子功能模塊。

測試程序開發平臺采用面向信號的流程開發模式，面向信號的測試技術其核心是將信號、儀器設備、信號連接關系抽象成與硬件資源無關的定義層，用戶根據被測對象的實際測試需求對所測的信號特征進行描述，對此定義層進行修改，調換儀器設備，經過編譯處理完成資源映射，形成統一的、完整的測試流程。通過面向信號的描述，來定義具有某種特征的虛擬信號，其包括信號通路的建立、撤銷及狀態檢測，建立抽象的“虛擬開關”，進而實現任何單元部分的改變及重構都不影響系統的設計運行。在系統運行時通過數據驅動，將所有的映射關系都實例化，完成“虛”轉實的轉變。測試系統環境內部層次圖如圖3所示。

圖3 測試程序開發平臺

3.2 測試策略開發

根據實際測試策略的開發的需求，板級自動測試系統具有全方位的硬件定義與資源描述功能，以便于搭建起滿足測試需求的ATE系統與硬件連接鏈路，并且通過樹形連線視圖將平臺直觀的表示出來，如圖4所示。

圖4 測試策略連線圖

圖6 測試程序調試業務流程

故障診斷流程用以完成復雜系統的故障模型建模。智能化的專家知識生成工具以框架表示法為主，結合故障隔離模型和故障隔離節點等知識表示方法為用戶提供了完整的表示和描述針對對象的故障模型和專家診斷知識。

故障診斷建模主要以IEEE1232標準為基礎，根據測試需求，采用可視化建模方法，實現故障樹、D矩陣等故障診斷模型的構建，用于測試過程中對UUT等測試對象的故障分析、故障定位。可利用專家知識生成平臺描述被測對象診斷知識，綁定TPS文件作為樣本輸入信息，生成領域知識庫和診斷提取規則，供故障分析使用，如圖5 所示。

圖5 故障診斷圖

3.3 測試資源開發

測試站資源建模主要是定義測試站資源的信號類型、被測參數和對應的預定義資源，根據ATML的規定，定義的測試站資源將用于搭建測試流程。

測試站資源是某種特定類型的資源，其定義了測試設備外部端口與測試主體之間的連接或連接集，以及測試被測主體的特定功能需要的行為。可以將一個適配器資源映射到一個測試站資源，也可以將一個測試儀器的特定功能映射到一個測試站資源，一個測試儀器可以對應多個測試站資源。

測試儀器建模主要是用于描述測試工程中用到的儀器。儀器的建立比較復雜，除了儀器基本信息定義以外，還包括驅動、資源、能力、開關元素的配置。

3.4 測試程序調試

測試程序調試是一個集成的測試調度程序，依靠“運行環境引擎”提供TPS流程運行支持，由測試配置管理、TPS編譯處理、測試信號與硬件資源自動映射和測試運行控制等組成，其功能組成結構如圖6所示。

測試程序調試實現對測試ATML源代碼進行編譯，生成發布運行平臺可執行的測試程序，并提供調試的功能，供開發過程進行調試操作。

測試程序調試采用圖形或文本方式對測試程序進行聯機及脫機調試，具備斷點調試、單步運行、運行出錯原因提示、幫助信息等功能。

3.5 TP移植管理

軟件平臺需要支持對測試程序的移植，因此需要能夠對外發布符合規定的測試ATML源代碼，同時支持相應的ATML源代碼導入，軟件平臺通過“導入AMTL源程序包”和“發布AMTL源程序包”實現TP移植功能。發布與導入的ATML源代碼需要支持加解密操作，如圖7所示。

圖7 TP移植功能結構圖

4 板級自動測試系統應用試驗及結果

4.1 應用試驗總體思路

板級自動測試系統的被測對象是不同類別的電路板，為了使系統的具備通用性，就需要按功能特征來分類分析各種類型的電路板。電路板的信號大致可分為數字量、模擬量和離散量3種，板級自動測試系統在測試對被測對象進行時，一定要能夠向電路板輸出各種激勵信號，并且保證被測電路板的響應信號能被采集到。

電路板的層次結構模型及相互間的關系如圖8所示。

圖8 電路板的層次結構模型

板級自動測試系統測試方法以及故障診斷的思路是按照圖8的結構模型所示，先對電路板進行通電檢測，如果電路板測試過程中出現故障則按測試順序檢測各電路功能模塊，直至檢測到故障功能模塊，然后針對故障功能模塊展開下一級故障診斷，直至將故障定位到最小的可更換單元及元器件或通道電路。

4.2 應用試驗流程設計

4.2.1 測試需求分析

通過逆測分析故障樣板的電路原理圖，梳理樣板原理框圖如圖9所示。

圖9 樣板原理框圖

故障樣板的主要功能是部附件進行射擊等重要事件時，產生相應的視頻標記信號。該電路板主要由電壓轉換電路、光耦隔離電路、視頻分離電路、視頻選擇電路、視頻開關電路、總線接口電路組成。各功能電路功能原理如下：

1)電壓轉換電路，主要將系統輸入的+28 V轉換為+5 V、-5 V輸出，給板上其他功能電路及其元器件供電；

2)光耦隔離電路1～4的功能是將輸入的離散量控制信號轉換為單片機可識別的數字量信號；

3)光耦隔離電路5～10的功能是將單片機輸出的控制信號轉換為外部電路可識別的離散量信號；

4)視頻分離電路、視頻選擇電路、視頻開關電路在單片機控制信號的作用下對輸入的視頻信號進行處理，然后放大輸出；

5)總線接口電路主要包括RS232接口電路和RS422/485接口電路，完成單片機與外部設備的通訊；

6)單片機作為電路板的控制核心，實現板件的標記功能。

4.2.2 測試診斷流程設計

通過對樣板原理分析和測試需求分析，提出樣板的測試程序集(TPS)與診斷設計方案，以對樣板電路板進行功能測試和故障診斷。

樣板主要由電壓轉換電路、光耦隔離電路、視頻分離電路、視頻選擇電路、視頻開關電路、總線接口電路組成，因此在功能測試時，除了測試端口連接器輸出外，還需要單獨對每組電路的功能進行監測，此時需要使用輔助探筆進行測試。

測試診斷步驟如下：

1)在對樣板加電測試前，需要對樣板的電源正端和地端進行檢測，確定電源正端和地端之間不短路；目測樣板是否有斷線等明顯故障，從外觀上檢查電路板上的元器件是否存在燒糊、發黑等故障，如果存在上述故障，則需要排除故障后再進行測試；

2)如果樣板的電源端和外觀無故障，則安裝適配板；

3)在確定適配板無問題后，需要安裝樣板并對電路板加電靜態測試，測量電路板的供電電源是否正確；

4)樣板靜態測試正常，則可以進行電路板的功能測試；

5)在功能測試結束后，如果存在故障，則進入診斷測試，診斷結束后，關閉儀器，關閉電源，提示測試結束；如果沒有故障，則直接關閉儀器和電源，結束測試。

樣板測試與診斷TPS設計方案的總體框圖如圖10所示。

圖10 樣板測試與診斷TPS設計方案的總體框圖

4.2.3 單元電路功能測試方案

以電路板的視頻分離電路為例，視頻分離電路主要由視頻同步分離芯片LM188、外圍電阻/電容組成，根據用途不同，主要分以下2類電路：視頻分離電路1、視頻分離電路2。

視頻分離電路1如圖11所示，將輸入的中顯視頻信號轉換為3類視頻輸出，輸入給后續單片機。

圖11 視頻分離電路1原理圖

視頻分離電路1的故障模式統計如表1所示。

表1 視頻分離電路1故障模式

根據測試點的輸出特性，各測試點可采用數字示波器采集。

視頻分離電路2如圖12所示，將輸入的視頻信號轉換為一類視頻輸出，輸入給后續視頻開關電路。

視頻分離電路的故障模式統計如表2所示。

根據測試點的輸出特性，各測試點可采用數字示波器采集。

4.2.4 單元電路測試診斷流程方案

單元電路的測試主要基于功能電路的輸出端作為測試點。使用信號發生器及矩陣開關在功能電路的輸入端X1.A7施加一個復合視頻信號，采集功能電路輸出端信號。若采集的輸出信號在預期范圍內，則判斷該功能電路測試正常，反之則給出單元電路故障的結論。

表2 視頻分離電路2故障模式

4.2.5 器件級測試診斷流程方案

器件級測試診斷流程的開發目的是將故障定位于元器件。該部分流程的開發主要在功能電路測試流程的基礎上開發。不同的是，該部分流程執行的前提是所屬功能電路輸出故障，根據故障給一個判斷指令，依次測試所有節點，逐個排除各個器件的狀態，進而將故障定位于器件。

4.3 應用檢測結果

運行設計好的測試程序，能通過測試報告直觀的幫助維修技術人員定位產品故障。

5 結束語

本文通過對板級自動測試系統進行總體介紹，并通過實際案例對該系統的應用流程進行了規范，增強了對電路板的測試與故障診斷效率，降低了對航空電子裝備維修技術人員的技能要求，將傳統的利用儀器對電路板進行測試與故障診斷的流程，包括電路分析的過程都集成在前端的測試診斷流程設計開發當中，方便后端維修作業過程中故障的定位與排除，由過去的排故周期不定性轉變為維修周期可控，縮短了航空電子裝備的維修周期。同時方案設計過程中產生的測試方案、診斷方案都集中留存于該系統的數據管理平臺，隨著后續應用的累積，能完善各種類型電路板板級測試診斷的數據信息，便于形成板級測試的專家數據庫，改變了依賴于維修技術人員的經驗而進行故障診斷的現狀。