基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)

靳為東，趙杰，申雙榮

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

隨著電子設(shè)備信息化與數(shù)字化的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)也變得高度集成化和復(fù)雜化，電子設(shè)備的BIT 設(shè)計(jì)與其功能設(shè)計(jì)存在脫節(jié)和缺乏規(guī)范性，使得BIT 功能電路本身成為了電子設(shè)備中的一個(gè)不可控風(fēng)險(xiǎn)。在BIT 設(shè)計(jì)時(shí)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)已經(jīng)定型，無(wú)法對(duì)電子設(shè)備功能、結(jié)構(gòu)、體積等相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，盡管在電子設(shè)備BIT 設(shè)計(jì)時(shí)有考慮可測(cè)性設(shè)計(jì)，但是由于設(shè)備本身的設(shè)計(jì)已經(jīng)定型，無(wú)法進(jìn)行根本的更改，使得電子設(shè)備的BIT 的引入和電子設(shè)備本身功能及指標(biāo)的保證之間形成了一種不可調(diào)和的矛盾。電子設(shè)備內(nèi)部的高度集成和測(cè)算總線資源的有限都給電子設(shè)備的性能測(cè)試、綜合診斷、健康管理和現(xiàn)場(chǎng)維修檢測(cè)都帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此針對(duì)電子設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行基于BIT 和功能一體化設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)非常重要。

1 基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

本文介紹了基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案和相應(yīng)的設(shè)計(jì)步驟，并結(jié)合典型研究案例實(shí)物完成了電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。首先針對(duì)典型研究案例進(jìn)行了故障模式分析和基于多信號(hào)測(cè)試性建模的測(cè)試點(diǎn)優(yōu)選；然后基于測(cè)試性建模測(cè)點(diǎn)優(yōu)選基礎(chǔ)上完成原電子設(shè)備BIT 設(shè)計(jì)的整改，來(lái)完成BIT 采集單元設(shè)計(jì)；接著通過(guò)設(shè)計(jì)的故障注入系統(tǒng)完成對(duì)典型案例實(shí)物的故障模擬和故障注入；最后驗(yàn)證平臺(tái)配套的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與診斷軟件基于多總線傳輸來(lái)獲取BIT 采集單元上傳的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計(jì)分析對(duì)典型研究案例實(shí)物的測(cè)點(diǎn)來(lái)完成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與綜合診斷。

基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程，主要包括測(cè)性分析建模、BIT 設(shè)計(jì)、故障注入系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與診斷軟件四個(gè)功能單元。本論文基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)總體實(shí)現(xiàn)方案如圖1 所示，主要包括兩方面內(nèi)容：第一是基于測(cè)試性分析的電子設(shè)備的BIT 設(shè)計(jì)，第二是基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的性能驗(yàn)證。基于測(cè)試性分析的電子設(shè)備的BIT 設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)之初就開始對(duì)整個(gè)電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)試性分析，并且設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的BIT 采集單元和配套的BIT 設(shè)計(jì)軟件。基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的性能驗(yàn)證，開發(fā)了相應(yīng)的驗(yàn)證平臺(tái)，配合相應(yīng)的故障注入系統(tǒng)，基于故障檢測(cè)率和故障隔離率等指標(biāo)，來(lái)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行BIT 設(shè)計(jì)后的性能驗(yàn)證。

圖1 基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

由圖1 可知，基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)總體的設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）測(cè)試性分析：首先對(duì)電子設(shè)備硬件單元的各子功能框圖進(jìn)行分析，選擇出提供能表征各個(gè)功能單元的的故障模式和測(cè)試點(diǎn)，然后在故障檢測(cè)率和隔離率等指標(biāo)約束下，通過(guò)可視化測(cè)試性建模與分析軟件對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行多信號(hào)建模來(lái)完成測(cè)試性分析來(lái)完成測(cè)點(diǎn)優(yōu)選。

（2）BIT 設(shè)計(jì)：以電子設(shè)備功能單元進(jìn)行測(cè)試性分析優(yōu)選的測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在電子設(shè)備的硬件實(shí)物在設(shè)計(jì)之初預(yù)留對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€資源，并把電子設(shè)備對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)的BIT 采集單元進(jìn)行連接，結(jié)合多信號(hào)測(cè)試性分析和BIT 采集單元進(jìn)行電子BIT 設(shè)備的一體化設(shè)計(jì)，來(lái)完成基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備。

（3）故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)：包括軟故障注入和硬故障注入兩種工作模式。軟故障注入首先通過(guò)基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的多故障模式來(lái)建立對(duì)應(yīng)的故障知識(shí)庫(kù)，然后設(shè)計(jì)的故障注入軟件基于總線層對(duì)電子設(shè)備的原數(shù)據(jù)傳輸通信接口進(jìn)行故障模擬和注入，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬電子設(shè)備實(shí)際發(fā)生的對(duì)應(yīng)故障模式；硬故障注入模式是基于通過(guò)專用的硬件注入單元對(duì)電子設(shè)備的物理層進(jìn)行故障注入，來(lái)完成對(duì)底層硬件的短路或者強(qiáng)制引腳變化等故障操作。

（4）性能驗(yàn)證：通過(guò)BIT 采集單元對(duì)基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，并把相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)留的多總線資源將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)與診斷軟件完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和綜合診斷，基于統(tǒng)計(jì)分析算法等來(lái)完成電子設(shè)備對(duì)應(yīng)的綜合診斷結(jié)果，結(jié)合故障檢測(cè)率和故障隔離率等指標(biāo)，完成基于BIT 設(shè)計(jì)后的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)性能驗(yàn)證。

2 基于BIT 設(shè)計(jì)的典型案例的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建

本文電子設(shè)備的典型研究案例實(shí)物選擇VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊為例，主要由高速A/D 采集單元、D/A 信號(hào)生成單元、FPGA 單元、DSP 單元、高速時(shí)鐘單元、DDR3 內(nèi)存單元和PCIE 橋等組成。基于測(cè)試性分析建模和BIT 設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊典型應(yīng)用案例來(lái)搭建基于BIT設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)，結(jié)合配套的故障注入系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與診斷軟件，來(lái)完成后續(xù)對(duì)電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的性能驗(yàn)證。

■2.1 測(cè)試性建模與分析

本文首先對(duì)VPX 高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊相應(yīng)的功能單元進(jìn)行故障類型分析整理，然后通過(guò)可視化測(cè)試性建模與分析軟件對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試性建模，測(cè)試性建模優(yōu)選后的測(cè)點(diǎn)如表1 所示。在表1 中，通過(guò)選擇采用VPX 高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩路時(shí)鐘信號(hào)10 MHz_1 和10MHz_2 作為頻率信號(hào)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來(lái)檢測(cè)AD 和DA 時(shí)鐘的是否正常工作；其余為VPX高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊各功能單元的供電電壓為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果電壓不正常說(shuō)明相應(yīng)的供電電壓有問(wèn)題，或者相應(yīng)的功能單元出現(xiàn)故障。

表1 VPX高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的測(cè)點(diǎn)優(yōu)選

■2.2 BIT 設(shè)計(jì)

基于BIT 設(shè)計(jì)的VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，包括兩部分：其中一部分為對(duì)VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊進(jìn)行電路整改來(lái)引出對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)到連接器單元；另外一部分為BIT 采集單元的設(shè)計(jì)，支持電壓、頻率、波形等多維測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，以及支持以太網(wǎng)、串口等多總線數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 基于BIT 設(shè)計(jì)的高速數(shù)字收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)框

基于BIT 設(shè)計(jì)的VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊流程包括：在對(duì)VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊功能單元進(jìn)行測(cè)試性分析獲取優(yōu)選測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，來(lái)進(jìn)行基于BIT 設(shè)計(jì)的高速數(shù)字收發(fā)模塊。在不改變高速數(shù)字收發(fā)模塊功能電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)前提下，把表1 中優(yōu)選的測(cè)點(diǎn)引出到連接器單元；通過(guò)設(shè)計(jì)的BIT 采集單元對(duì)應(yīng)的連接器對(duì)高速數(shù)字收發(fā)模塊功能單元中預(yù)留的連接器進(jìn)行相應(yīng)測(cè)點(diǎn)連接，來(lái)完成VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊功能電路中的電壓、頻率等多維數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與采集，然后BIT 采集單元通過(guò)總線資源把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)配套的監(jiān)測(cè)與診斷軟件，來(lái)完成后續(xù)電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的綜合診斷和性能驗(yàn)證。

■2.3 故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）軟故障注入

軟故障注入基于總線層的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的故障注入與模擬。首先根據(jù)表1 的VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊的測(cè)試點(diǎn)和故障類型進(jìn)行相關(guān)“故障類型編碼”，通過(guò)模擬其實(shí)際的故障模式來(lái)完成故障知識(shí)庫(kù)的建立；然后故障注入軟件通過(guò)總線與基于BIT 設(shè)計(jì)的高速數(shù)字收發(fā)模塊的BIT 采集單元建立通信連接；最后故障注入軟件導(dǎo)入故障模式列表，分別設(shè)置選擇不同故障的故障注入次數(shù)和故障模式，開展對(duì)高速數(shù)字收發(fā)模塊進(jìn)行故障注入試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際測(cè)試通道的故障。

（2）硬故障注入

硬故障注入主要是在VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊的物理層進(jìn)行故障注入。首先通過(guò)對(duì)模塊各功能單元電路的實(shí)際工作原理進(jìn)行分析，確定模塊物理層進(jìn)行硬件故障注入所需的故障應(yīng)力類型、故障應(yīng)力量值和施加方式；然后通過(guò)專用的硬件注入模塊和輔助測(cè)試儀器來(lái)完成對(duì)底層硬件的短路、開路或者強(qiáng)制引腳變化，來(lái)完成對(duì)高速數(shù)字收發(fā)模塊實(shí)際的電源類或短路類等故障類型的注入。

■2.4 電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的搭建

在前面對(duì)VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊完成測(cè)試性分析、BIT設(shè)計(jì)和故障注入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本文基于BIT 設(shè)計(jì)的高速數(shù)字收發(fā)模塊來(lái)搭建的驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物如圖3 所示。圖3左側(cè)為裝配在VPX 機(jī)箱的基于BIT 設(shè)計(jì)的高速數(shù)字收發(fā)模塊，圖3 右側(cè)為嵌入式測(cè)試監(jiān)測(cè)與診斷軟件界面，來(lái)完成對(duì)模塊的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、綜合診斷和性能驗(yàn)證。

圖3 基于BIT 設(shè)計(jì)的高速數(shù)字收發(fā)模塊電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)VPX 高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的綜合診斷和性能驗(yàn)證，首先嵌入式測(cè)試監(jiān)測(cè)與診斷軟件作為TCP 服務(wù)器與BIT 采集單元的TCP 客戶端建立以太網(wǎng)通信，上位機(jī)通過(guò)發(fā)送指令來(lái)控制BIT 采集單元的加電BIT、啟動(dòng)BIT 和周期BIT 的工作模式切換，來(lái)完成電壓、頻率等多維數(shù)據(jù)采集和上傳；然后對(duì)高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行基于總線層的軟故障注入和基于物理層的硬故障注入，來(lái)模擬高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)際發(fā)生該故障模式產(chǎn)生的故障現(xiàn)象和故障數(shù)據(jù)；最后嵌入式測(cè)試監(jiān)測(cè)與診斷軟件基于統(tǒng)計(jì)分析算法對(duì)BIT 采集單元上傳的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與綜合診斷，來(lái)完成構(gòu)建的基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的故障診斷率、故障隔離率、評(píng)估指標(biāo)數(shù)值等相關(guān)性能驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要陳述了基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)總體方案和相關(guān)設(shè)計(jì)步驟，著重描述了基于BIT 設(shè)計(jì)的典型案例的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建。本文以VPX 高速數(shù)字收發(fā)模塊作為典型案例進(jìn)行基于BIT 設(shè)計(jì)的電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)的搭建，完成了對(duì)該模塊的測(cè)試性分析的測(cè)點(diǎn)優(yōu)選、BIT 設(shè)計(jì)、基于軟件和硬件的故障注入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、平臺(tái)配套軟件的綜合診斷和性能驗(yàn)證。本文通過(guò)搭建基于BIT 設(shè)計(jì)典型案例電子設(shè)備驗(yàn)證平臺(tái)，解決電子設(shè)備實(shí)物進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)和驗(yàn)證難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)嵌入式測(cè)試能力與標(biāo)準(zhǔn)化的提升，能夠?yàn)橛行У臑殡娮釉O(shè)備的嵌入式測(cè)試與健康管理提供驗(yàn)證支撐。