電子信息裝備綜合保障技術(shù)與保障性設(shè)計(jì)

杜 丹，王 凱，崔生保

(1.陸軍裝備部駐石家莊地區(qū)第一軍事代表室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍32382部隊(duì)，北京 100072；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

近年來(lái)，隨著軍隊(duì)信息化進(jìn)程的加快，高新技術(shù)電子信息裝備大量投入使用，電子信息裝備的作戰(zhàn)地位與作用日益突出，帶來(lái)裝備保障工作量日趨加大和復(fù)雜化，裝備綜合保障工程在整個(gè)裝備研制工作中的地位也變得愈加重要和突出。

裝備綜合保障是指在裝備的壽命周期內(nèi)，為滿足系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求，降低壽命周期費(fèi)用，綜合考慮裝備的保障問(wèn)題，確定保障性要求，進(jìn)行保障性設(shè)計(jì)，規(guī)劃并研制保障資源，及時(shí)提供裝備所需保障的一系列管理和技術(shù)活動(dòng)[1-2]。

對(duì)電子信息裝備而言，隨著電子系統(tǒng)功能不斷完善，電子線路日趨復(fù)雜，對(duì)測(cè)試和維修保障也產(chǎn)生了測(cè)試流程復(fù)雜、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、維修保障困難和維修費(fèi)用高等諸多問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了電子信息裝備的完好性和壽命周期。如何在最短的時(shí)間內(nèi)，花費(fèi)最少就能夠利用有效的檢測(cè)手段，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出電子系統(tǒng)的狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)和定位故障，并能夠?qū)⒐收细綦x到最小可更換單元已成為一個(gè)不可回避的難題和迫切需要解決的問(wèn)題。

1 機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)

1.1 BIT測(cè)試

BIT是指系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)、隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力[3-4]。BIT的重要功能是把設(shè)備故障隔離到現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU) 或現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(LRM)，BIT也可以在修復(fù)性維修活動(dòng)或系統(tǒng)重構(gòu)成降級(jí)模式后檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作能力。BIT的任務(wù)是保證基層級(jí)維修，兼顧中繼級(jí)和基地級(jí)維修。

BIT設(shè)計(jì)已成為一種常用的測(cè)試性設(shè)計(jì)方法及手段，要求與系統(tǒng)、設(shè)備的設(shè)計(jì)工作同步進(jìn)行。 BIT通過(guò)良好的結(jié)構(gòu)化和層次性設(shè)計(jì)，對(duì)被測(cè)試單元(如芯片)、可置換組件(如電路板卡) 和系統(tǒng)等各級(jí)故障實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)隔離的自動(dòng)化，大量減少了維修資料、通用測(cè)試設(shè)備、備件補(bǔ)給庫(kù)存以及維修人員數(shù)量，從而降低產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用。

目前，BIT的任務(wù)已不僅僅限于檢測(cè)、診斷，還包含控制、保護(hù)，具有綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)、復(fù)雜故障診斷、精確故障定位、反饋控制和關(guān)鍵部件保護(hù)等多種功能，其結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜、功能日漸強(qiáng)大，正發(fā)展成為一個(gè)集狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與隔離于一體的綜合測(cè)試系統(tǒng)[5-6]。

1.2 JTAG測(cè)試

邊界掃描技術(shù)(JTAG)是由聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組在IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)中提出的一項(xiàng)主要針對(duì)大規(guī)模集成電路芯片測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法。其主要原理為在圍繞芯片內(nèi)部功能邏輯四周，內(nèi)部功能模塊與管腳之間，靠近芯片管腳的位置設(shè)置串行移位寄存器組，構(gòu)成一條測(cè)試鏈路，即串行移位寄存鏈。通過(guò)給測(cè)試鏈路輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，分析比較輸出結(jié)果達(dá)到測(cè)試芯片內(nèi)部功能、互連狀態(tài)以及管腳是否正常等一系列測(cè)試。還可以檢測(cè)板級(jí)芯片與芯片之間的互連情況。利用JTAG技術(shù)，在測(cè)試模式下，可以比較全面地了解集成電路芯片的內(nèi)部故障、電路板的互連以及相互間影響[7]。

JTAG的作用主要體現(xiàn)在以下方面：

① JTAG使用標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試接口、測(cè)試總線結(jié)構(gòu)以及測(cè)試信號(hào)協(xié)議，使測(cè)試設(shè)備可以做到通用化和模塊化，減小測(cè)試設(shè)備的體積與規(guī)模，JTAG通常只需要4根信號(hào)線就可以完成對(duì)電路的測(cè)試；

② JTAG具有開(kāi)放性的結(jié)構(gòu)，可以很容易引入其他測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)，豐富測(cè)試設(shè)備的測(cè)試功能；

③ JTAG對(duì)芯片管腳的測(cè)試可以做到100%的故障覆蓋率，且能實(shí)現(xiàn)高精度的故障定位。

IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)器件級(jí)數(shù)據(jù)電路部分進(jìn)行測(cè)試，為滿足模擬電路及信號(hào)、以及板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試需求，JTAG又相繼推出了IEEE1149.4，IEEE1149.5，IEEE1149.7等一系列標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了JTAG的測(cè)試能力及應(yīng)用領(lǐng)域，已成為實(shí)現(xiàn)BIT測(cè)試、改善裝備BIT性能和提高測(cè)試性的重要手段，非常適合電子信息裝備現(xiàn)場(chǎng)維修的要求[8]。

1.3 系統(tǒng)融合測(cè)試

初期的測(cè)試技術(shù)往往將工作系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)，工作系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作目標(biāo)和任務(wù)的完成，而測(cè)試系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)工作系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)試和設(shè)備維修。

隨著集成電路的發(fā)展，單一芯片內(nèi)部集成的電路越來(lái)越多，電子信息設(shè)備功能越來(lái)越復(fù)雜，體積越來(lái)越小。使得可以將更多的BIT功能設(shè)計(jì)放入單設(shè)備內(nèi)，電子設(shè)備具備更強(qiáng)大的故障檢測(cè)、隔離和定位功能。同時(shí)，基于無(wú)線互連和遠(yuǎn)程檢測(cè)的技術(shù)越來(lái)越受到重視，測(cè)試系統(tǒng)和工作系統(tǒng)趨于組織融合和功能相互疊加的趨勢(shì)，工作系統(tǒng)一方面能夠被測(cè)試系統(tǒng)所檢測(cè)；另一方面又為測(cè)試系統(tǒng)提供必要的測(cè)試模塊、測(cè)試電路、測(cè)試設(shè)備以及測(cè)試系統(tǒng)所需要的其他分系統(tǒng)(通信子系統(tǒng)、網(wǎng)管子系統(tǒng)等)的技術(shù)支撐和保障。測(cè)試系統(tǒng)和工作系統(tǒng)趨于組織融合示意如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)和工作系統(tǒng)趨于組織融合示意Fig.1 Convergence trend of test system and work system

系統(tǒng)融合測(cè)試技術(shù)采用分布式檢測(cè)、集中式控制和處理的分級(jí)體系架構(gòu)。分布式檢測(cè)保證了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、全面性。集中式控制和處理保證了測(cè)試工作的主動(dòng)性和全面性，通過(guò)匯集系統(tǒng)整體檢測(cè)結(jié)果并加以綜合處理，縮短故障診斷時(shí)間，降低系統(tǒng)虛警率，有效地提高了系統(tǒng)的可用度，通過(guò)故障統(tǒng)計(jì)分析及性能評(píng)估等，可以為裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和信息。

2 機(jī)外測(cè)試技術(shù)

2.1 ATE/ATS自動(dòng)測(cè)試

由于BITE駐于目標(biāo)設(shè)備內(nèi)部，所以會(huì)不可避免地導(dǎo)致目標(biāo)設(shè)備功耗、質(zhì)量的增加，不可能完全完成故障隔離和達(dá)到較高的故障隔離率要求。采用專門(mén)的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備可以將體積、質(zhì)量較大的測(cè)試部分放置于目標(biāo)設(shè)備之外，對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行更加全面和深入的測(cè)試。2種測(cè)試方法相結(jié)合，能夠?qū)δ繕?biāo)設(shè)備進(jìn)行更全面的測(cè)試和綜合保障維護(hù)。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(ATS)是指利用計(jì)算機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的系統(tǒng)，是對(duì)那些能自動(dòng)完成信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生、信號(hào)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析處理、測(cè)試結(jié)果輸出和顯示的一類系統(tǒng)的統(tǒng)稱[9]。ATS通常在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控系統(tǒng)或儀器總線(CAMAC、GPIB、VXI、PXI、LXI等)的基礎(chǔ)上組建而成，具有高速度、高精度、多功能、多參數(shù)和寬測(cè)量范圍等眾多特點(diǎn)[10-13]。

早期的ATS通常為專用型，是針對(duì)具體型號(hào)設(shè)備的測(cè)試研制的，專用型測(cè)試系統(tǒng)功能相對(duì)單一，也沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，不同測(cè)試系統(tǒng)之間無(wú)法做到兼容和通用，導(dǎo)致整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)量和體積龐大。新一代ATS正朝著模塊化、通用化、智能化方向發(fā)展，其典型特點(diǎn)是采用開(kāi)放式體系架構(gòu)，系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部軟硬件之間采用標(biāo)準(zhǔn)化接口。

虛擬儀器技術(shù)是由美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于儀器領(lǐng)域的先進(jìn)測(cè)試技術(shù)。通過(guò)虛擬儀器技術(shù)，用戶可以根據(jù)不同的測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)合和測(cè)試需要定制自己的虛擬測(cè)試儀器，完成測(cè)試任務(wù)，虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展以及在計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用為ATE設(shè)計(jì)提供了新的思路和方向。

在ATE中應(yīng)用虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有很多優(yōu)勢(shì)[14]：

(1)體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)

虛擬儀器技術(shù)依靠計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理優(yōu)勢(shì)，可使用示波器模塊、頻譜分析儀模塊等替代傳統(tǒng)的示波器、頻譜分析儀等臺(tái)式儀器，從而使系統(tǒng)的體積和連接電纜減少，使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，更適合現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的機(jī)動(dòng)化保障需要。

(2)穩(wěn)定性好，可靠性高

虛擬儀器采用的技術(shù)具有嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范，系統(tǒng)中的一個(gè)模塊與其他模塊在工作時(shí)互不干擾，這些都可以使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性提高，間接保障ATE的使用可靠性。

(3)性價(jià)比高

虛擬儀器技術(shù)是一種基于商業(yè)現(xiàn)成可用(COTS)技術(shù)的可重配置的平臺(tái)，具有很高的性價(jià)比。

(4)開(kāi)發(fā)效率高，靈活性強(qiáng)

利用虛擬儀器技術(shù)，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，有“軟件就是硬件”之說(shuō)。

2.2 基于ATE/ATS的綜合測(cè)試保障系統(tǒng)

通指裝備綜合測(cè)試保障系統(tǒng)是一種典型的電子信息裝備綜合測(cè)試保障系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障修復(fù)、器材籌供和信息管理等一體化技術(shù)保障?？捎糜谙到y(tǒng)級(jí)測(cè)試和故障定位，也可用于通信裝備離位狀態(tài)下的自動(dòng)測(cè)試、診斷，提供比機(jī)內(nèi)測(cè)試更充分的測(cè)試和更完整詳細(xì)的分析。

通指裝備綜合測(cè)試保障系統(tǒng)由硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)和測(cè)試程序集(TPS)組成。系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，硬件體系結(jié)構(gòu)采用流行的PXI/GPIB體系結(jié)構(gòu)，軟件采用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在訂購(gòu)商用貨架測(cè)試模塊的基礎(chǔ)上，新研部分專用通信測(cè)試模塊，開(kāi)發(fā)各個(gè)裝備測(cè)試程序集，并進(jìn)行系統(tǒng)集成，具有硬件可靠性高、軟件可移植性和擴(kuò)充性強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成如圖2所示。

圖2 通指裝備綜合保障系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware component of integrated support system for communication & command equipment

系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、PXI主機(jī)箱、數(shù)字激勵(lì)/響應(yīng)模塊、任意波形發(fā)生器模塊、數(shù)字示波器模塊、數(shù)字多用表模塊、頻率計(jì)/計(jì)數(shù)器模塊、射頻調(diào)制信號(hào)源模塊、微波調(diào)制信號(hào)源模塊、調(diào)制信號(hào)分析儀模塊、開(kāi)關(guān)模塊、下變器/功率計(jì)模塊、頻譜分析儀模塊、音頻分析模塊、串口測(cè)試模塊、A/E1口測(cè)試模塊、K口測(cè)試模塊以及程控電源等組成。其中A/E1口測(cè)試模塊、K口測(cè)試模塊是新研制的專用通信測(cè)試模塊。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)組成如圖3所示。測(cè)試程序集包括與被測(cè)裝備(含系統(tǒng)級(jí)和電路板級(jí))相對(duì)應(yīng)的測(cè)試程序(TP)、測(cè)試操作和幫助文檔，測(cè)試專用線纜/轉(zhuǎn)接板等配套裝置。本系統(tǒng)所含TP在開(kāi)發(fā)完成后均預(yù)裝在系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)中，使用時(shí)可直接加載執(zhí)行。用戶也可使用本系統(tǒng)軟件平臺(tái)提供的TP開(kāi)發(fā)功能自行開(kāi)發(fā)、修改或調(diào)試測(cè)試程序。

圖3 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of system software architecture

3 裝備保障性設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體保障性設(shè)計(jì)要求

① 應(yīng)將保障性要求作為性能要求的組成部分。從論證階段開(kāi)始就考慮保障問(wèn)題，使有關(guān)保障的要求有效地影響裝備設(shè)計(jì)。通過(guò)保障性分析權(quán)衡并確定保障性設(shè)計(jì)要求和保障資源要求。構(gòu)建裝備保障系統(tǒng)平臺(tái)，保障資源應(yīng)與裝備同步研制。

② 從全系統(tǒng)的角度對(duì)裝備的零部件進(jìn)行通用性和互換性設(shè)計(jì)。在裝備設(shè)計(jì)階段，全系統(tǒng)的角度制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使裝備零部件的互換性和通用性增強(qiáng)，提高裝備的維修保障性[15]。

③ 在項(xiàng)目系統(tǒng)研制階段充分論證，制定統(tǒng)一的裝備保障接口規(guī)范，規(guī)劃一致的裝備保障通信協(xié)議，確保裝備與保障資源以及保障資源相互之間有良好的設(shè)計(jì)接口，技術(shù)協(xié)調(diào)、配套。

3.2 設(shè)備保障性設(shè)計(jì)要求

可靠性和維修性是裝備保障性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)特性。除了從可靠性方面提高裝備保障能力外，從維修性方面特別是可測(cè)性方面提高裝備保障能力應(yīng)注重以下幾點(diǎn)[16]：

(1)為了使系統(tǒng)設(shè)備工作穩(wěn)定可靠并能依靠自身快速自檢、發(fā)現(xiàn)和定位故障，在綜合衡量成本、體積、重量的情況下，設(shè)備應(yīng)具備一定的BIT能力，實(shí)現(xiàn)初步故障檢測(cè)和故障隔離能力。

(2)為了使ATE能夠有效地、自動(dòng)地完成故障檢測(cè)，并將故障隔離到規(guī)定的產(chǎn)品層次上，被測(cè)設(shè)備在設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)范：

① 被測(cè)設(shè)備應(yīng)特設(shè)測(cè)試模式，置于該模式時(shí)，不需再進(jìn)行復(fù)雜設(shè)置，即可進(jìn)行測(cè)試。

② 被測(cè)設(shè)備應(yīng)設(shè)有遙控口(維護(hù)口、監(jiān)控口和網(wǎng)管口等)，便于ATE能夠自動(dòng)控制被測(cè)設(shè)備的工作參數(shù)。

③ 每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元均應(yīng)設(shè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)應(yīng)能通過(guò)外部連接器可達(dá)，測(cè)試點(diǎn)信號(hào)特性必須符合安全要求。

⑤ 提供測(cè)試要求文件。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子信息系統(tǒng)功能的不斷完善，單純研究故障診斷的理論和方法已不能滿足需求，應(yīng)該是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、使用及維護(hù)維修全過(guò)程考慮其綜合保障的問(wèn)題?？緽ITE和ATS自動(dòng)故障定位，靠免調(diào)試更換備件排除故障，大大降低了對(duì)使用現(xiàn)場(chǎng)人員維修水平的要求，是裝備保障性工作的努力方向。