航空電子設(shè)備研制的測試性設(shè)計考慮

李海偉 /

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)

0　引言

航空電子設(shè)備是飛機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著技術(shù)的發(fā)展，航空電子設(shè)備在民用飛機(jī)系統(tǒng)中的占比越來越高，越來越復(fù)雜，飛機(jī)的順暢運(yùn)營越來越依賴于電子設(shè)備的健康運(yùn)行。機(jī)載航空電子設(shè)備不同于普通電子產(chǎn)品，具有性能嚴(yán)苛、安全可靠性高和成本昂貴等特點(diǎn)，傳統(tǒng)飛機(jī)研制更多關(guān)注于飛機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的功能與性能要求，忽略設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷能力。民用飛機(jī)研制和運(yùn)營過程中伴隨著大量的測試和維修需求，傳統(tǒng)人工排故和事后維修方式已不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)研制和運(yùn)營的測試診斷需求。民用飛機(jī)一般服役長達(dá)幾十年，運(yùn)營維護(hù)是影響民用飛機(jī)壽命周期總成本的重要因素，設(shè)備失效探測、故障診斷、視情維護(hù)和健康管理能力的高低直接影響航空電子設(shè)備的維護(hù)經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前主制造商和供應(yīng)商越來越重視研制階段對系統(tǒng)設(shè)備測試性的統(tǒng)籌考慮，以提高飛機(jī)的測試性水平。本文基于這一背景，結(jié)合工程實(shí)際，從通用測試性、機(jī)內(nèi)測試(Built-In Test，簡稱BIT)設(shè)計和板級電路測試診斷三方面提出了航空電子設(shè)備的測試性設(shè)計考慮，有助于主制造商與供應(yīng)商在開展系統(tǒng)設(shè)計的同時兼顧測試性設(shè)計以避免測試性考慮滯后，最終提高航空電子設(shè)備對機(jī)載維護(hù)和健康管理的支持能力。

1　航空電子設(shè)備及測試性概述

航空電子誕生于20世紀(jì)70年代，發(fā)展至今，航空電子已廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備，典型代表有綜合模塊化航電系統(tǒng)、電傳飛控系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制單元。

測試性是產(chǎn)品的設(shè)計特性，它要求航空電子設(shè)備能夠在考慮成本效益的條件下及時、準(zhǔn)確地確定其工作狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并自動完成內(nèi)部故障的檢測和隔離。

文獻(xiàn)[1]提出主制造商適當(dāng)提高研發(fā)和生產(chǎn)成本能夠較大地降低航空公司的運(yùn)營和支援成本。雖然測試性設(shè)計會額外增加航空電子設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)成本，但是隨著航空電子設(shè)備測試性水平的提高，其對飛機(jī)維護(hù)和健康管理的支持會顯著降低飛機(jī)維護(hù)和運(yùn)營成本，使航空公司受益。

航空電子設(shè)備測試性設(shè)計的利益攸關(guān)方包括航空公司、MRO(Maintenance Repair Operation)企業(yè)、主制造商和供應(yīng)商。航空電子設(shè)備測試、在線監(jiān)控和故障診斷能力的提高能夠直接提升航空公司和MRO企業(yè)的維修效率和航班的飛行安全管控。主制造商通過制定統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將測試性要求落實(shí)至系統(tǒng)設(shè)計中并傳遞給航空電子設(shè)備的供應(yīng)商，監(jiān)督和把控整機(jī)的測試性水平，提高整機(jī)的功能安全性和維修經(jīng)濟(jì)性。供應(yīng)商作為原始設(shè)備生產(chǎn)商是設(shè)計階段落實(shí)產(chǎn)品測試性設(shè)計工作的主體，其測試性設(shè)計能力直接決定了設(shè)備的測試性水平。

2　通用測試性設(shè)計考慮

2.1 功能安全性考慮

航空電子設(shè)備完善的測試性設(shè)計可確保設(shè)備具有良好的狀態(tài)監(jiān)控、失效探測與故障隔離能力，實(shí)現(xiàn)對功能安全故障的檢測隔離、故障容錯和故障響應(yīng)，以支持機(jī)組和地面人員采取預(yù)防性措施以及事后的快速維護(hù)。

航空電子設(shè)備中功能安全故障檢測模式必須100%覆蓋，設(shè)備上電時必須運(yùn)行與安全相關(guān)的測試項(xiàng)，確保設(shè)備安全可控。設(shè)備一旦探測到產(chǎn)生危險或虛警信息的硬件失效，設(shè)備能自動關(guān)閉影響安全的相關(guān)駐留功能和設(shè)備。安全關(guān)鍵的設(shè)備必須具備故障容錯能力，在探測到并確認(rèn)出現(xiàn)問題時通過余度管理切換至備份并報告，及時切斷故障的傳播，消除故障影響。安全關(guān)鍵設(shè)備必須在故障發(fā)生后具備完整且清晰的故障響應(yīng)措施，明確測試結(jié)果確認(rèn)后應(yīng)采取的措施。安全關(guān)鍵設(shè)備須具備故障合并、故障日志、故障隔離和故障報告能力，以支持飛機(jī)級健康管理集成，提高飛機(jī)飛行安全性。

2.2 表現(xiàn)層次和形式

航空電子設(shè)備測試性的表現(xiàn)層次和形式如圖1所示。第一層為基礎(chǔ)層，是設(shè)備對自身狀態(tài)和故障的感知活動提供支持的能力，表現(xiàn)為設(shè)備的固有測試性和兼容性，強(qiáng)調(diào)自身所具有的便于測試與診斷的設(shè)計特性以及在功能、電氣和機(jī)械上與其它設(shè)備(含外部測試)接口相匹配的能力。第二層為主動層，是設(shè)備主動對自身狀態(tài)和故障進(jìn)行感知的能力，表現(xiàn)為設(shè)備的健康管理集成、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和故障預(yù)測，如BIT/BITE、傳感器、保險絲或金絲雀裝置等。

圖1　設(shè)備測試性的表現(xiàn)層次和形式

2.3 測試與診斷場景

從飛機(jī)全壽命周期來看，航空電子設(shè)備的測試與診斷場景劃分為：(1)研制階段的設(shè)備研發(fā)、集成、裝配和試驗(yàn)飛行測試與診斷，參與方為主制造商和供應(yīng)商；(2)運(yùn)營階段的航線維修和機(jī)庫維修，包括定期維護(hù)的A檢、C檢、D檢(大修)和非定期維護(hù)，以及日常的短停檢查和ETOPS航前檢查等，參與方為航空公司和MRO企業(yè)；(3)運(yùn)營階段的車間維修，也稱返廠維修，劃分為三個等級：CML-1級，指無需拆解，無需修理即可恢復(fù)部件可服務(wù)性；CML-2級，指測試后進(jìn)行替換式修理；CML-3級，指完全測試后進(jìn)行修復(fù)式修理。參與方為航空公司、MRO企業(yè)和原始設(shè)備供應(yīng)商。

2.4 介入時機(jī)與并行設(shè)計

測試性軟硬件設(shè)計直接影響系統(tǒng)構(gòu)架和構(gòu)型，且測試性設(shè)計結(jié)果只在后期測試與診斷過程中體現(xiàn)，因此測試性設(shè)計一般要在型號早期設(shè)計階段就著手介入，測試性考慮的滯后將會在設(shè)備研制后期引入更高的更改成本。設(shè)備研制過程中設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)遵循主制造商的測試性要求，并行開展系統(tǒng)設(shè)計與測試性設(shè)計。在初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計與測試性設(shè)計應(yīng)互相反饋，并逐輪開展測試性的迭代設(shè)計。

2.5 測試類型劃分

從全壽命周期來看，將航空電子設(shè)備的測試類型劃分為四類，如圖2所示。第一類是驗(yàn)收測試，用于表明“設(shè)備要完成什么”，是設(shè)備為了符合主制造商要求的單個測試或一組測試集合。第二類是恢復(fù)測試，用于確保設(shè)備的功能完整性和適航性。恢復(fù)測試是驗(yàn)收測試子集，一般在車間維修后執(zhí)行，測試時間較短，主要用于將設(shè)備恢復(fù)至可服務(wù)狀態(tài)。第三類是診斷測試，用于設(shè)備的故障檢測和隔離，以及對設(shè)備的激勵和監(jiān)測，設(shè)備的診斷需明確有效的工具、流程和理論基礎(chǔ)。第四類是BIT，屬于前述三類測試的子集，一般以軟件或軟硬結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，是航空電子設(shè)備最主要的測試與診斷形式，須按規(guī)范設(shè)計。

圖2　測試分類

2.6 可控性和可觀性

航空電子設(shè)備應(yīng)具有良好的可控性和可觀性，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可達(dá)和狀態(tài)可控，能夠支持內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸出和觀測，主要包括：(1)節(jié)點(diǎn)可視性，設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)總線或一定數(shù)量的物理信號接入/抽引節(jié)點(diǎn)；(2)測試點(diǎn)選擇和優(yōu)化，在權(quán)衡分析的基礎(chǔ)上對測試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過獨(dú)立連接件和專用測試點(diǎn)提供充足的測試可達(dá)和可觀；(3)JTAG(Joint Test Action Group)可達(dá)，采用符合JTAG邊界掃描設(shè)計以及符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的器件，將設(shè)計、生產(chǎn)和運(yùn)營支援階段航空電子設(shè)備所要求的物理測試點(diǎn)數(shù)最小化。

2.7 測試與診斷時間

測試時間是電子設(shè)備設(shè)計階段考慮的一個重要因素，一般控制在1 s～60 s以內(nèi)。設(shè)備所有子電路連接可達(dá)、測試數(shù)量減少和數(shù)據(jù)傳輸率提高等因素，可優(yōu)化設(shè)備的測試時間。影響航空電子設(shè)備測試時間的因素很多，常見因素有：(1)清晰的部件維修信息；(2)充分的測試要求；(3)輕松的裝配和拆卸；(4)測試布置和拆除；(5)測試數(shù)據(jù)傳輸和加載時間；(6)被測對象的復(fù)雜度；(7)測試的復(fù)雜度；(8)測試的數(shù)量；(9)測試的配置和準(zhǔn)備時間。

量化診斷時間的參數(shù)有平均故障檢測時間、平均故障隔離時間和平均故障診斷時間。電子設(shè)備的故障診斷時間須嚴(yán)格控制在維修性要求內(nèi)。

2.8 初始化與測試序列

設(shè)備應(yīng)具有嚴(yán)格定義的初始狀態(tài)，設(shè)備能夠預(yù)置到規(guī)定的初始狀態(tài)，若無法恢復(fù)至初始狀態(tài)應(yīng)進(jìn)行報告。

設(shè)備的測試應(yīng)按一定邏輯方式成序列，通過測試序列保證測試有序執(zhí)行，一般構(gòu)型識別、無源、上電和電源測試優(yōu)先，大功率測試在后。典型的測試序列如下：(1)測試程序、UUT(Unit Under Test)和適配器識別；(2)無源測試；(3)安全加電測試；(4)電源測試；(5)CPU、內(nèi)存、I/O和離散信號測試；(6)數(shù)據(jù)加載/可編程(按需)；(7)執(zhí)行BIT(按需)；(8)模擬、大功率和無線電測試(按需)；(9)有序掉電；(10)提供測試數(shù)據(jù)摘要或詳細(xì)報告。

2.9 功能劃分與結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備應(yīng)按功能進(jìn)行合理劃分，在結(jié)構(gòu)上盡量根據(jù)功能相近程度和電路特性(如模擬、數(shù)字、射頻和高壓特性)將設(shè)備內(nèi)部電路劃分不同功能模塊并作為可更換單元，方便故障檢測與隔離，并確保各個功能能夠分別測試或獨(dú)立測試。

設(shè)備的電路及元器件之間留有足夠空間、規(guī)范排列，接口插針布置和兼容性按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并確保每個被測單元具備清晰的標(biāo)志。

2.10 診斷策略

根據(jù)設(shè)備與故障的相關(guān)性，合并模糊組和剔除冗余測試，綜合考慮被測對象的可靠性、測試費(fèi)用和執(zhí)行難易程度等因素優(yōu)選測試，形成故障檢測與隔離的測試序列，設(shè)備故障和正常的測試序列的集合組成設(shè)備的診斷策略。初步的診斷策略可以通過故障-測試的相關(guān)性模型分析獲得，結(jié)合基于專家知識、規(guī)則和案例等方法形成最終的診斷策略。對于設(shè)備的每一個確定的故障，均有相應(yīng)的測試序列與之對應(yīng)。

2.11 虛警

航空電子設(shè)備的虛警和未發(fā)現(xiàn)故障(NFF)現(xiàn)象一直存在于飛機(jī)運(yùn)營過程中。NFF受設(shè)計、培訓(xùn)和運(yùn)行環(huán)境等諸多因素影響，通過采取一定的設(shè)計優(yōu)化措施可以盡量避免來自虛警(假報或錯報)導(dǎo)致的NFF。減少虛警的方法很多[4-5]，如提高BIT工作可靠性、優(yōu)化測試容差和故障指示條件等，但需要針對不同情況選用不同的方法設(shè)計防虛警措施，實(shí)施“最佳BIT”設(shè)計，最佳BIT即航空電子設(shè)備具有高故障檢測率和隔離率及較低的虛警率，最終達(dá)到提高測試性設(shè)計有效性的目標(biāo)。

3　BIT設(shè)計考慮

3.1 BITE

專門實(shí)現(xiàn)BIT功能的設(shè)備稱為BITE，BIT與BITE一般可以互換使用，BITE提供自測試、交互測試、故障檢測隔離、防虛警、故障響應(yīng)、故障容錯、余度管理、故障合并、狀態(tài)/故障/性能信息存儲和報告、超限告警等功能，早在20世紀(jì)90年代初期ARINC已出版BITE設(shè)計和使用規(guī)范，用于指導(dǎo)航空電子設(shè)備的BITE設(shè)計，目前該規(guī)范已成為公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 BIT架構(gòu)

BIT架構(gòu)采用分布式控制與檢測、集中式信息綜合集成與報告架構(gòu)。飛機(jī)級的OMS(Onboard Maintenance System，機(jī)載維護(hù)系統(tǒng))通過航電總線協(xié)調(diào)各成員系統(tǒng)BIT/BITE，對分布于各設(shè)備的故障進(jìn)行檢測上報與定位隔離，提供良好的人機(jī)交互，允許維修人員根據(jù)BIT描述文件利用地面軟件工具對機(jī)上BIT的檢測邏輯和觸發(fā)條件進(jìn)行配置。某典型航空電子設(shè)備的BIT架構(gòu)如圖3所示，主要分為系統(tǒng)/設(shè)備級、模塊級和軟件功能級三級。設(shè)備級BIT負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)和故障的綜合維護(hù)管理并能與駐留于各模塊的BIT進(jìn)行交互。

圖3　BIT架構(gòu)

3.3 BIT模式

航空電子設(shè)備的常見BIT模式如圖 4所示，一般劃分為連續(xù)BIT(CBIT)和啟動BIT(IBIT)兩類，其中IBIT根據(jù)啟動方式的不同劃分為自啟動BIT(ABIT)和人工啟動BIT(MBIT)，ABIT的典型代表是加電BIT(PBIT)和航后測試，MBIT必須在飛機(jī)處于AOG(airplane on ground)狀態(tài)才能執(zhí)行，MBIT主要包括換件測試、調(diào)零測試、安全性測試和系統(tǒng)測試等交互式測試項(xiàng)目[2]。

圖4　BIT模式

3.4 BIT分項(xiàng)

根據(jù)設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)和組成，結(jié)合各個測試對象的相關(guān)性和獨(dú)立性對被測設(shè)備的測試內(nèi)容進(jìn)行分項(xiàng)設(shè)計[3]。通過分項(xiàng)設(shè)計將測試對象劃分為獨(dú)立的最小測試單項(xiàng)，每個單項(xiàng)測試均由一定順序的測試步組成。單項(xiàng)測試可以被獨(dú)立調(diào)用，測試步不能被調(diào)用，多個單項(xiàng)測試可以組成綜合的類測試和系統(tǒng)測試。圖5所示為某設(shè)備的BIT分項(xiàng)設(shè)計方案。

圖5　BIT分項(xiàng)設(shè)計

3.5 智能BIT

具有簡單判別邏輯的BIT通常無法滿足復(fù)雜航空電子設(shè)備的測試與診斷，通過應(yīng)用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、信息融合、基于模型的方法、機(jī)載物聯(lián)網(wǎng)等智能理論方法及相關(guān)技術(shù)，采用開放的分布-集中式架構(gòu)對設(shè)備健康狀態(tài)信息、環(huán)境和歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)診斷知識進(jìn)行集成，增強(qiáng)對設(shè)備狀態(tài)和故障的智能管控，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)BIT向智能BIT的轉(zhuǎn)變。

4　電路及元器件測試性設(shè)計考慮

航空電子設(shè)備的電路及元器件測試性設(shè)計要求充分考慮模擬電路、數(shù)字電路、大規(guī)模集成電路、高功率射頻電路以及元器件的各自特性，有針對性地按規(guī)范開展測試與診斷設(shè)計。電路測試與診斷的關(guān)鍵在于，以較低的成本高效地在元器件級定位電路的故障基礎(chǔ)部件，并替換該基礎(chǔ)部件。板級電路診斷測試傳統(tǒng)方法為節(jié)點(diǎn)信號分析法，該方法依托電路節(jié)點(diǎn)或擴(kuò)展板作為測試設(shè)備物理訪問的電氣連接接入，來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信號的分析。隨著航空電子設(shè)備在小尺寸上大量采用密集封裝件、球柵陣列和高速總線等復(fù)雜器件，其測試設(shè)備和安裝成本昂貴，需大量技術(shù)數(shù)據(jù)和定制測試單板，而航空電子設(shè)備大多有保形涂層，難以提供穩(wěn)定的測試節(jié)點(diǎn)訪問和測試結(jié)果，因此傳統(tǒng)測試方法難以適應(yīng)未來復(fù)雜度極高的航空電子設(shè)備的測試診斷需求。嵌入式測試診斷方法和邊界掃描方法是實(shí)現(xiàn)板級電路測試與診斷的有效措施[1]。

嵌入式測試診斷方法靈活多變，功能強(qiáng)大，既可以與被測對象共享軟件硬件資源，也可以做成專用軟件如BIT軟件或?qū)Ｓ糜布鏐ITE，專用軟件可以做成可加載或內(nèi)置于板級電路兩種形式。常見的功能電路BIT測試有CPU測試、內(nèi)存測試、時鐘測試、中斷測試和總線測試等。邊界掃描方法不需要大量的物理訪問節(jié)點(diǎn)即可測試診斷數(shù)字器件的邏輯和I/O引腳，標(biāo)準(zhǔn)JTAG邊界掃描鏈測試構(gòu)架和支持JTAG邊界掃描規(guī)范的元件構(gòu)架可參考IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)族。

5　結(jié)論與展望

隨著民用飛機(jī)航空電子設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、排故和健康管理的需求與日俱增，航空電子設(shè)備的測試性設(shè)計越來越受到民機(jī)研制的重視，尤其是飛機(jī)安全等級較高和維修診斷成本居高不下的系統(tǒng)設(shè)備更是需要成熟的測試性設(shè)計。本文基于航空電子設(shè)備自身特點(diǎn)及其測試性設(shè)計的全壽命周期影響，從通用測試性、BIT設(shè)計和電路及元器件三方面提出了航空電子設(shè)備研制過程中的測試性設(shè)計方法。該方法在國產(chǎn)大型客機(jī)的飛控系統(tǒng)和IMA(Integrated Modular Avionics)系統(tǒng)設(shè)備研制中得到了有效應(yīng)用。隨著綜合模塊化航電、集成顯示控制和電傳操縱的縱深發(fā)展以及多電飛機(jī)架構(gòu)的落地，更多的新技術(shù)新方法新思路將應(yīng)用于航空電子設(shè)備的測試性設(shè)計，國產(chǎn)大飛機(jī)的測試性設(shè)計也將日趨完善，將進(jìn)一步提高航空電子設(shè)備對飛機(jī)飛行安全、機(jī)載維護(hù)和運(yùn)營決策的支持，為飛機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和健康管理奠定基礎(chǔ)。