火控系統(tǒng)BIT設(shè)計與實現(xiàn)

趙 剛 ，任永勝 ，劉 瑞 ，孫 戰(zhàn) ，孔秀文

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.北京陸軍軍事代表局，北京 100012）

火控系統(tǒng)BIT設(shè)計與實現(xiàn)

趙 剛1，任永勝2，劉 瑞1，孫 戰(zhàn)1，孔秀文1

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.北京陸軍軍事代表局，北京 100012）

采用層級BIT設(shè)計架構(gòu)，建立了系統(tǒng)級和模塊級BIT系統(tǒng)設(shè)計模型。設(shè)計了PBIT、CBIT、IBIT測試項探測函數(shù)、恢復函數(shù)等節(jié)點屬性的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。引入故障樹理論設(shè)計了PBIT、CBIT、IBIT通用自動遍歷故障樹測試算法，可以實現(xiàn)多種火控系統(tǒng)的“自下而上”的節(jié)點測試和“自上而下”的故障診斷。在某火控系統(tǒng)預研項目的應用表明，本BIT系統(tǒng)的設(shè)計方案合理可行，易于維護，可顯著提高通用火控系統(tǒng)的測試性和可靠性。

BIT，故障樹，火控系統(tǒng)測試

0 引言

按照美軍標MIL-STD-1309C定義，機內(nèi)測試技術(shù)（BIT，Build In Test）是指“系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力”，也即借助于系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部的故障檢測、故障隔離、故障診斷能力建立的自動測試能力［1］。BIT技術(shù)的實現(xiàn)不依賴于外部設(shè)備，僅依賴于自身內(nèi)部的硬件或軟件實現(xiàn)測試，由系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部自身給出激勵信號、接收相應信號，通過系統(tǒng)判據(jù)進行測試結(jié)果的判斷，從而實現(xiàn)系統(tǒng)、設(shè)備的測試功能。研究表明BIT技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)診斷能力、降低維修時間［1-3］。

目前，武器裝備更加注重通用質(zhì)量特性的提高，新一代武器平臺火控系統(tǒng)都具有比較完善的機內(nèi)測試系統(tǒng)［4-5］，機內(nèi)測試系統(tǒng)可以對火控系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)故障，并將故障隔離至LRU級，甚至SRU級，快速指導維修人員進行維修更換。完善的機內(nèi)測試系統(tǒng)顯著提高了火控系統(tǒng)的測試性、維修性和保障性，以致很多故障可以在一線檢測、現(xiàn)場維修，可以有效提高武器裝備的通用質(zhì)量特性。此外，機內(nèi)測試系統(tǒng)可以顯著簡化測試維修設(shè)備，可以降低火控系統(tǒng)全壽命周期費用。

1 基型火控系統(tǒng)概述

基型火控系統(tǒng)是具有體系架構(gòu)開放、技術(shù)標準統(tǒng)一，能跨平臺應用，具有靈活性、組合性和重構(gòu)性的火控系統(tǒng)通用軟硬件平臺。綜合模塊化火控系統(tǒng)定義了信息處理、交互顯示、指揮通信、信息傳感、武器控制、接口互聯(lián)不同的功能分區(qū)，其中信息處理、交互顯示和接口互聯(lián)功能分區(qū)為跨平臺共用的最大集合，構(gòu)成了基型火控系統(tǒng)?；突鹂叵到y(tǒng)采用現(xiàn)場可更換模塊（LRM）設(shè)計，由多個功能模塊組成，根據(jù)基型火控系統(tǒng)組成來看，該系統(tǒng)屬于典型的分布式系統(tǒng)架構(gòu)。

2 設(shè)計原則與原理

2.1 設(shè)計原則

基型火控系統(tǒng)BIT系統(tǒng)遵循下列設(shè)計原則：

（1）BIT設(shè)計從方案論證開始，與系統(tǒng)設(shè)計同步開展；

（2）BIT設(shè)計應盡量不影響火控系統(tǒng)的正常工作；

（3）考慮故障檢測率和隔離率的要求；

（4）應同時考慮軟件監(jiān)測和硬件檢測方法；

（5）BIT設(shè)計應具有通用性；

（6）BIT設(shè)計應盡量復用系統(tǒng)硬件；

（7）應預留自動測試設(shè)備（ATE）的外部接口；

2.2 設(shè)計原理

基于BIT開展測試性設(shè)計的原理如下：

（1）明確火控系統(tǒng)測試性設(shè)計要求。包括火控系統(tǒng)定量要求和定性要求，定量要求包括火控系統(tǒng)故障覆蓋率、故障檢測率、故障隔離率。

（2）根據(jù)火控系統(tǒng)的系統(tǒng)特性，采用自頂向下的原則，確定火控系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，將火控系統(tǒng)合理劃分為火控系統(tǒng)子功能模塊和單元。

（3）開展火控系統(tǒng)的故障模式影響分析（簡稱為FMEA）和故障模式影響及危害度分析（簡稱為FMECA）。

（4）在FMEA和FMECA分析的基礎(chǔ)上確定BIT設(shè)計方法。包括BIT功能要求、測試項的選取、測試總線的選取、測試性設(shè)計方法的選取以及運用軟件輔助設(shè)計等。

（5）進行測試性分析。驗證BIT設(shè)計是否滿足測試性指標要求。

根據(jù)部隊最新的兩級武器裝備保障需求，將基型火控系統(tǒng)劃分至不同的保障層級，包括基層級和基地級。其中基層級以現(xiàn)場可更換單元（LRU）的直接更換為主，基地級以車間可更換單元（SRU）（含芯片級）的更換與維修為主?；突鹂叵到y(tǒng)通用處理單元的功能原理圖如圖1所示，屬于SOC系統(tǒng)，包括CPU、控制橋片、RAM、ROM、ES以及外圍輔助電路和接口。

3 BIT系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

表1 綜合處理單元層次結(jié)構(gòu)

基于上述BIT設(shè)計原則、設(shè)計思路和基型火控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，確定了BIT系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)總線的多機分布式系統(tǒng)架構(gòu)。按照盡可能復用系統(tǒng)硬件資源的原則，BIT與系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)總線。BIT系統(tǒng)采用層級系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，由火控系統(tǒng)級BIT服務(wù)（HK_BIT）、模塊級的 BIT服務(wù)（RE_BIT）和單元級BIT服務(wù)（UN_BIT）組成。RE級的BIT維護負責監(jiān)測單個模塊的健康狀況，采集各單元級BIT服務(wù)的監(jiān)測狀態(tài)，對模塊自身的健康進行分析和處理，同時將采集到的原始信息和處理后的信息發(fā)送給HK級的BIT服務(wù)，火控系統(tǒng)級的BIT服務(wù)對所有模塊的健康狀況匯總后，進行統(tǒng)一處理，并在嚴重故障發(fā)生時，根據(jù)通用系統(tǒng)管理決策調(diào)度所有模塊進行重構(gòu)。其系統(tǒng)組成如圖2所示。

HK_BIT實現(xiàn)模塊級狀態(tài)監(jiān)測、模塊級故障處理和BIT檢測命令的分發(fā)。HK_BIT駐留于主控制模塊通過應答信息監(jiān)測模塊級狀態(tài)，同時接收模塊級BIT服務(wù)上報的故障信息，并進行故障過濾、故障恢復、故障記錄、故障隔離、故障顯示和故障處理等功能。

RE_BIT負責各自模塊內(nèi)部UN_BIT的檢測的觸發(fā)，及模塊內(nèi)檢測結(jié)果的過濾、故障恢復、故障記錄、故障隔離等功能。

UN_BIT負責單元級的檢測及檢測結(jié)果的初步處理。UN_BIT檢測項覆蓋模塊內(nèi)主要單元級組件或芯片。

3.2 工作原理

3.2.1 故障樹分析法

故障樹分析法（FTA）是分析系統(tǒng)可靠性和安全性的一種系統(tǒng)性分析方法?？梢杂脕矸治鱿到y(tǒng)故障產(chǎn)生的原因，計算系統(tǒng)各個組成單元的可靠度以及對整個系統(tǒng)的影響。以此找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并在設(shè)計中采取設(shè)計改進措施，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。本文采用演繹法建立通用火控系統(tǒng)的故障樹模型，并建立了RE級、UN級的邏輯關(guān)系以及層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3.2.2 系統(tǒng)BIT檢測與故障診斷

（1）BIT探測項及探測方法

BIT探測的目的是為獲取被測模塊、單元的狀態(tài)。如前文所示，模塊級的狀態(tài)通過應答信息監(jiān)測模塊級狀態(tài)，方法較為成熟，這里不再詳細描述。本章節(jié)主要描述單元級測試項及其測試方法?；突鹂叵到y(tǒng)的通用處理單元通常包括CPU、控制橋片、RAM、ROM、ES以及外圍輔助電路和接口。通過前文所述的綜合處理單元層次結(jié)構(gòu)梳理出的芯片，結(jié)合火控系統(tǒng)測試性指標要求，列出基型火控系統(tǒng)各個LRM模塊中的中的單元級BIT可測試項目，測試項包括CPU、RAM、ROM、網(wǎng)卡、接口等，部分測試項如表2所示。

（2）BIT檢測流程

BIT檢測時，系統(tǒng)啟動進行BIT檢測，根據(jù)預設(shè)的故障樹“至下而上”進行故障樹的遍歷。如下頁圖4所示，過程如下：調(diào)取故障樹的BIT節(jié)點探測函數(shù)及恢復函數(shù)，執(zhí)行探測函數(shù)，記錄探測結(jié)果；發(fā)現(xiàn)故障時，執(zhí)行該BIT探測節(jié)點的恢復函數(shù)，故障恢復成功，則遍歷下一BIT探測節(jié)點；故障不能恢復時，上溯故障樹的上一級節(jié)點，調(diào)取上一節(jié)點的恢復函數(shù)進行故障恢復，并進行故障的存儲、顯示；直到上溯到故障樹的最上層節(jié)點進行故障恢復。

表2 探測函數(shù)及探測方法

（3）BIT診斷流程

故障診斷時，系統(tǒng)啟動進行BIT檢測，根據(jù)預設(shè)的故障樹“至上而下”進行故障樹的遍歷。如圖5所示，過程如下：根據(jù)故障現(xiàn)象調(diào)取故障樹的BIT節(jié)點探測函數(shù)，執(zhí)行探測函數(shù)，記錄探測結(jié)果；發(fā)現(xiàn)故障時，調(diào)用該基本事件下級節(jié)點執(zhí)行該節(jié)點的探測函數(shù)，進行故障樹下級節(jié)點的故障診斷。直到遍歷到預設(shè)故障樹的底層葉子節(jié)點，即可把故障隔離至故障樹的葉子節(jié)點（芯片級或者SRU級）；根據(jù)故障節(jié)點的恢復函數(shù)，可以進行全面的故障恢復。

4 BIT系統(tǒng)功能設(shè)計

BIT系統(tǒng)功能性設(shè)計包括BIT檢測的類型、時機、檢測內(nèi)容以及檢測結(jié)果的處理。BIT接口及功能如表3所示。

表3 BIT接口及功能

4.1 PBIT

加電BIT（PBIT）用于系統(tǒng)上電過程中，系統(tǒng)初始硬件狀態(tài)和軟件加載項的檢測，包括部分RE_BIT和UN_BIT。模塊在初始加載，應用加載前，PBIT作為系統(tǒng)初始啟動過程自動運行，在模塊上電時進行測試，并將測試結(jié)果保存在模塊中，并上傳測試信息。

4.2 CBIT

周期BIT（CBIT）用于系統(tǒng)正常運行時，對綜合電子系統(tǒng)模塊健康狀態(tài)進行連續(xù)的在線檢測。周期BIT的運行不影響系統(tǒng)正常功能的執(zhí)行。當周期BIT檢測到影響可能會系統(tǒng)正常工作的故障時，通過人機提示接口提示到人機界面。周期BIT的檢測結(jié)果保存在模塊中，可以主動上傳測試信息。

4.3 IBIT

維護BIT（IBIT）用于故障診斷、故障隔離，并提供了較為完善的故障恢復手段。作為故障診斷的主要部分用于檢查模塊軟硬件的狀態(tài)。為了在故障定位期間有幫助，IBIT執(zhí)行模塊的全面的測試。在模塊運行中根據(jù)HK_BIT或RE_BIT的指令對模塊進行測試，將測試結(jié)果存儲在模塊中，上傳測試信息或由系統(tǒng)獲取。

系統(tǒng)運行時，PBIT、CBIT、IBTI由 HK_BIT 服務(wù)下發(fā)BIT檢測命令，各個模塊內(nèi)部的RE_BIT服務(wù)解析該指令，并進行模塊級和單元級的BIT檢測。RE_BIT和UN_BIT的所有節(jié)點設(shè)計包括節(jié)點名稱、BIT屬性、探測函數(shù)、恢復函數(shù)、節(jié)點標志位、節(jié)點遍歷值等節(jié)點屬性的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在故障樹遍歷時，僅需對比各探測項（節(jié)點）是否具有PBIT、CBIT、IBTI屬性，以此判斷是否需要對該節(jié)點進行探測；同時，統(tǒng)一設(shè)計的節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲于數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)故障樹遍歷算法與故障樹、探測函數(shù)的分離，后續(xù)修改、刪減BIT探測項僅需通過數(shù)據(jù)庫維護即可。同時3種BIT檢測均預留軟件接口，可以完成與自動測試設(shè)備（ATE）的對接。

5 結(jié)論

建立了分布式基型火控系統(tǒng)分層級的BIT架構(gòu)，首次將火控系統(tǒng)測試能力從LRU級提高至SRU級。設(shè)計了易于維護的通用PBIT、CBIT、IBIT節(jié)點屬性的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，引入故障樹理論設(shè)計了通用自動遍歷故障樹測試算法。該故障樹遍歷算法與故障樹、節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相分離，使得基型火控系統(tǒng)BIT在跨平臺應用時，僅需建立新的基型火控系統(tǒng)的故障樹和數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)基型火控系統(tǒng)BIT的跨平臺應用。在某預研項目的應用表明，方案合理可行，易于維護，可顯著提高火控系統(tǒng)的測試性和可靠性。

［1］劉少偉，鄭文榮.BIT技術(shù)發(fā)展與應用研究［J］.理論與方法，2011，7（5）：23-26.

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［5］胡瑜，韓銀，李曉維.SoC可測試性設(shè)計與測試技術(shù)［J］.計算機研究與發(fā)展，2005，42（1）：153-162.

［6］張萬君，李靜陽，牛敏杰，等.坦克火控系統(tǒng)故障的多線程數(shù)據(jù)采集方法［J］. 兵器裝備工程學報，2016，36（11）：44-48.

Design for Fire Control System BIT

ZHAO Gang1，REN Yong-sheng2，LIU Rui1，SUN Zhan1，KONG Xiu-wen1
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan030006，China；2.Beijing Army Representatives Bureau，Beijing 100012，China）

The design model of system-level and module-level BIT system are established based on hierarchical BIT design.The unified data structure of PBIT，CBIT，IBIT test item including detection function and recovery function are designed.Fault tree theory is introduced to BIT system and the PBIT，CBIT，IBIT universal automatic traversal fault tree test algorithm is designed，which can realize the bottom-up node test of integrated electronic system and top-down fault diagnosis.In a general fire control system advanced project application show that the scheme of online health monitoring and fault diagnosis based on BIT is reasonable and feasible，easy to maintain，and can improve general fire control system testability and reliability.

BIT，fault tree，fire control system test

E92；TP273

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.35

1002-0640（2017）11-0165-04

2016-09-09

2016-11-07

趙 剛（1974- ），男，山西陽泉人，研究員。研究方向：火控系統(tǒng)總體技術(shù)。