數(shù)傳接收機系統(tǒng)可測試性設計

暢 玲 黨紅肖

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

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

為了實現(xiàn)產(chǎn)品的可測試性，就需要在產(chǎn)品設計中同步考慮系統(tǒng)的測試性設計及其實現(xiàn)的合理性和有效性。測試性設計是指在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設備、組件等的設計過程中，通過綜合考慮并實現(xiàn)測試的可控性與可觀測性，達到測試性要求的設計過程［3］。也就是說一切能使測試生成和故障診斷變得比較容易的設計都可稱為可測試性設計。

數(shù)傳接收機作為連接火控系統(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指令傳輸?shù)臏蚀_性、火炮的可執(zhí)行性以及運動的安全性。數(shù)傳接收機雖設計于上世紀九十年代，但因為設計初期較好的考慮到系統(tǒng)的測試和故障診斷問題，不但對系統(tǒng)進行了機內(nèi)測試(BIT)設計，而且在前面板預留了“測試口”，使得系統(tǒng)原位檢測成為可能，進而通過系統(tǒng)測試平臺的設計，使得整個系統(tǒng)功能檢測、故障診斷以及系統(tǒng)的三級維修簡單方便，為科學的制定系統(tǒng)的維護保障計劃提供了依據(jù)。

本文依照測試性的要求，從逆向工程的角度出發(fā)，通過對某雷達數(shù)傳接收機系統(tǒng)詳細的軟、硬件以及故障診斷和故障隔離的設計分析，就如何實現(xiàn)系統(tǒng)測試性設計這一課題進行了探討。

1 數(shù)傳接收機系統(tǒng)組成

數(shù)傳接收機系統(tǒng)主要完成雷達未來點諸元信號的接收、控制、轉換、處理以及火炮命令的傳送、火炮初速的計算等。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、方位角轉換單元、高低角轉換單元以及供電組成。系統(tǒng)對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)傳接收機系統(tǒng)。

2 數(shù)傳接收機系統(tǒng)測試性分析及設計

2.1 系統(tǒng)測試性分析

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)傳接收機中的各控制單元均和標準的總線系統(tǒng)相連。CPU 單元作為系統(tǒng)的核心部件，通過RS485 串行通信接收來自火控系統(tǒng)的未來點諸元信號，按照指令要求完成相應的運算、處理，隨后以一定的時序和相位控制火炮的運動，同時它接收來自火炮的隨動信號和初速脈沖，經(jīng)過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的火控數(shù)據(jù)分解并經(jīng)過方位角/高低角轉換單元轉換成模擬量送給火炮。整個系統(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)過交流-直流變換而來。數(shù)傳接收機功能“積木塊”的特點，使其外場可更換單元(LRU)的劃分相對容易。LRU 的劃分如圖2所示。

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

圖1 數(shù)傳接收機系統(tǒng)組成原理框圖

圖2 外場可更換單元LRU 劃分

2.2 系統(tǒng)測試點選擇

系統(tǒng)測試點的選擇直接影響系統(tǒng)測試性的設計實現(xiàn)。一般情況下，系統(tǒng)總的輸入/輸出點、各功能單元的信號輸入/輸出點等都是測試點的候選對象［4］。數(shù)傳接收機中，CPU 單元的串行通信，方位/高低角的數(shù)模轉換輸出等都是系統(tǒng)重點監(jiān)測對象。結合數(shù)傳接收機系統(tǒng)構成特點，根據(jù)測試要求，設置出數(shù)傳接收機故障檢測點如下表。

表1 被測單元和故障檢測點設置一覽表

2.3 系統(tǒng)測試性設計

系統(tǒng)測試性既包括對產(chǎn)品自身的要求，又包含對測試設備的性能要求，與維修性及可靠性密切相關。任何不能被檢測出的故障狀態(tài)的存在將直接影響產(chǎn)品的可靠性和安全性。測試性設計應該遵循以下基本思想:在對系統(tǒng)進行功能性能特性設計時同時進行測試性設計;分層次進行測試性設計，以滿足三種不同維修級別的要求;合理利用各種測試手段，使機內(nèi)測試與外部測試相結合;在可靠性分析的基礎上，找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并重點加強對薄弱環(huán)節(jié)的測試性設計，以便提高任務可靠性和維修性［5］。

根據(jù)數(shù)傳接收機系統(tǒng)的功能，測試性設計應做到自檢功能強、機內(nèi)外檢查測試方便以及維修性好等三個方面。下面從數(shù)傳接收機系統(tǒng)機內(nèi)測試設計、原位檢測設計和系統(tǒng)測試平臺設計三方面，闡述數(shù)傳接收機系統(tǒng)測試性設計的思路和方法。

2.3.1 機內(nèi)測試(BIT)設計

機內(nèi)測試電路作為被測單元的組成部分，構成不宜太復雜，否則會降低系統(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)傳接收機系統(tǒng)的測試性要求，結合系統(tǒng)不同LRU 自身特點，設計了重點被測單元的自檢測用電路。數(shù)傳接收機系統(tǒng)的機內(nèi)測試借助于簡單的硬件，主要為軟件設計，它是獨立于應用軟件的測試軟件。主要完成以下功能:⑴狀態(tài)檢測定期檢測系統(tǒng)的關鍵性能參數(shù)，比如RS485 的串行通信狀況，以確定系統(tǒng)的工作狀態(tài);⑵故障診斷對反映LRU 狀態(tài)的關鍵信號和參數(shù)進行準確的采集和測量，以確定系統(tǒng)狀態(tài)和隔離故障。

機內(nèi)測試故障診斷流程見圖3。目前，機內(nèi)測試系統(tǒng)故障診斷率約為7/12≈58%。

圖3 機內(nèi)測試流程

2.3.2 原位檢測

原位檢測是指對被檢測對象在其原來的安裝、裝配位置或生態(tài)組織上，進行的檢查與測試。它具有快速、方便、有效的特性，是現(xiàn)代檢測技術的重要組成部分［6］。

數(shù)傳接收機放置在火炮油機上，鑒于其工作位置的特殊性，在測試性方面，結合機內(nèi)BIT 設計，還設計了一個方便快捷的人工測試接口，以便于進行原位檢測。

如圖2所示，數(shù)傳接收機放在原安裝位置上，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“測試口”，通過一根測試電纜外接測試面板，使數(shù)傳接收機同時將方位角和高低角數(shù)據(jù)，火炮開火和報警命令，供電輸入和輸出電壓，火炮初速輸入等信號輸出，只需連接不同的測試儀器設備，就可對其進行全方位測試，直觀的在正常工作狀態(tài)下檢測其性能指標和工作狀態(tài)。

圖4 數(shù)傳接收機原位檢測原理框圖

圖5 數(shù)傳接收機專用測試系統(tǒng)組成

原位檢測可以將故障定位到單個故障單元或系統(tǒng)，使外場可更換單元(LRU)的故障診斷率達到100%。

2.3.3 專用測試系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)測試性設計是一個權衡和折衷的過程。一方面希望能對系統(tǒng)狀態(tài)進行全面監(jiān)控，對故障進行完善的檢測和定位，另一方面還要權衡系統(tǒng)的可靠性、實現(xiàn)難易程度和費用。采用不同的設計方法，合理分配測試資源，提高系統(tǒng)測試效率，降低設計成本才是根本。

數(shù)傳接收機專用測試系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件主要包括火控模擬器、信號轉換連接組合、初速模擬器、專用測試電纜、角度測試儀、電源和示波器等，具體見圖4。檢測系統(tǒng)的軟件，主要包括系統(tǒng)模擬器軟件、數(shù)傳接收機測試軟件兩部分。

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

通過數(shù)傳接收機專用測試系統(tǒng)，不但可以將故障定位到每個LRU 可更換單元，而且可以進一步將故障定位到芯片級。

3 結束語

測試性設計是一個復雜的過程，有很多因素要考慮。例如，測試點設置的科學性，測試接口的標準、通用化，系統(tǒng)測試的直觀性等等。近年來集故障診斷、故障預測和健康管理(PHM-Prognostics and-Health Management)能力于一體的新型綜合診斷系統(tǒng)已開始應用于系統(tǒng)的可測試性設計之中。PHM從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷轉向基于智能系統(tǒng)的預測，這一技術的實現(xiàn)將由基于狀態(tài)的維修取代原來由事件主宰的維修(即事后維修)或時間相關的維修(即定期維修)［7］。

某雷達數(shù)傳接收機系統(tǒng)設計于上世紀九十年代，目前已有幾百套的生產(chǎn)量。雖然系統(tǒng)自動化測試程度還不是很高，故障診斷和故障隔離的設計還是淺層次的，但經(jīng)過多年多套產(chǎn)品的驗證，其故障診斷和故障隔離的設計是有效的，值得以后設計借鑒。

［1］GJB2547-1995，裝備測試性大綱［S］.

［2］GJB3385-1998，測試診斷與術語［S］.

［3］楊玉興，景慎.航空裝備測試性設計的發(fā)展及其在ATE 中的應用［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2014，32(3):48-55.

［4］王青，謝利軍.某機載計算機系統(tǒng)測試性分析與研究［J］.航空計算技術，2008，38(5):76-80.

［5］趙繼承，顧宗山等.雷達系統(tǒng)測試性設計［J］.雷達科學與技術，2009，7(3):174-179.

［6］許占顯.原位檢測技術及其應用［J］.建設機械技術與管理，2002，1:17-19.

［7］曾聲奎，Pecht M G，吳際.故障預測與健康管理(PHM)技術的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空學報，2005，26(5):626-632.