电子信息装备综合保障技术与保障性设计

杜 丹，王 凯，崔生保

(1.陆军装备部驻石家庄地区第一军事代表室，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军32382部队，北京 100072；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

近年来，随着军队信息化进程的加快，高新技术电子信息装备大量投入使用，电子信息装备的作战地位与作用日益突出，带来装备保障工作量日趋加大和复杂化，装备综合保障工程在整个装备研制工作中的地位也变得愈加重要和突出。

装备综合保障是指在装备的寿命周期内，为满足系统战备完好性要求，降低寿命周期费用，综合考虑装备的保障问题，确定保障性要求，进行保障性设计，规划并研制保障资源，及时提供装备所需保障的一系列管理和技术活动[1-2]。

对电子信息装备而言，随着电子系统功能不断完善，电子线路日趋复杂，对测试和维修保障也产生了测试流程复杂、测试时间长、维修保障困难和维修费用高等诸多问题，这些问题严重影响了电子信息装备的完好性和寿命周期。如何在最短的时间内，花费最少就能够利用有效的检测手段，快速准确地检测出电子系统的状态，快速发现和定位故障，并能够将故障隔离到最小可更换单元已成为一个不可回避的难题和迫切需要解决的问题。

1 机内测试技术

1.1 BIT测试

BIT是指系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试能力[3-4]。BIT的重要功能是把设备故障隔离到现场可更换单元(LRU) 或现场可更换模块(LRM)，BIT也可以在修复性维修活动或系统重构成降级模式后检验系统的工作能力。BIT的任务是保证基层级维修，兼顾中继级和基地级维修。

BIT设计已成为一种常用的测试性设计方法及手段，要求与系统、设备的设计工作同步进行。 BIT通过良好的结构化和层次性设计，对被测试单元(如芯片)、可置换组件(如电路板卡) 和系统等各级故障实现故障检测隔离的自动化，大量减少了维修资料、通用测试设备、备件补给库存以及维修人员数量，从而降低产品全寿命周期费用。

目前，BIT的任务已不仅仅限于检测、诊断，还包含控制、保护，具有综合状态监测、复杂故障诊断、精确故障定位、反馈控制和关键部件保护等多种功能，其结构日渐复杂、功能日渐强大，正发展成为一个集状态监控、故障诊断与隔离于一体的综合测试系统[5-6]。

1.2 JTAG测试

边界扫描技术(JTAG)是由联合测试行动组在IEEE1149.1标准中提出的一项主要针对大规模集成电路芯片测试的标准化测试方法。其主要原理为在围绕芯片内部功能逻辑四周，内部功能模块与管脚之间，靠近芯片管脚的位置设置串行移位寄存器组，构成一条测试链路，即串行移位寄存链。通过给测试链路输入测试数据，分析比较输出结果达到测试芯片内部功能、互连状态以及管脚是否正常等一系列测试。还可以检测板级芯片与芯片之间的互连情况。利用JTAG技术，在测试模式下，可以比较全面地了解集成电路芯片的内部故障、电路板的互连以及相互间影响[7]。

JTAG的作用主要体现在以下方面：

① JTAG使用标准化的测试接口、测试总线结构以及测试信号协议，使测试设备可以做到通用化和模块化，减小测试设备的体积与规模，JTAG通常只需要4根信号线就可以完成对电路的测试；

② JTAG具有开放性的结构，可以很容易引入其他测试性设计技术，丰富测试设备的测试功能；

③ JTAG对芯片管脚的测试可以做到100%的故障覆盖率，且能实现高精度的故障定位。

IEEE1149.1标准主要针对器件级数据电路部分进行测试，为满足模拟电路及信号、以及板级、系统级测试需求，JTAG又相继推出了IEEE1149.4，IEEE1149.5，IEEE1149.7等一系列标准，大大提高了JTAG的测试能力及应用领域，已成为实现BIT测试、改善装备BIT性能和提高测试性的重要手段，非常适合电子信息装备现场维修的要求[8]。

1.3 系统融合测试

初期的测试技术往往将工作系统和测试系统分离开来，工作系统负责系统工作目标和任务的完成，而测试系统负责对工作系统进行检测、测试和设备维修。

随着集成电路的发展，单一芯片内部集成的电路越来越多，电子信息设备功能越来越复杂，体积越来越小。使得可以将更多的BIT功能设计放入单设备内，电子设备具备更强大的故障检测、隔离和定位功能。同时，基于无线互连和远程检测的技术越来越受到重视，测试系统和工作系统趋于组织融合和功能相互叠加的趋势，工作系统一方面能够被测试系统所检测；另一方面又为测试系统提供必要的测试模块、测试电路、测试设备以及测试系统所需要的其他分系统(通信子系统、网管子系统等)的技术支撑和保障。测试系统和工作系统趋于组织融合示意如图1所示。

图1 测试系统和工作系统趋于组织融合示意Fig.1 Convergence trend of test system and work system

系统融合测试技术采用分布式检测、集中式控制和处理的分级体系架构。分布式检测保证了检测的实时性、全面性。集中式控制和处理保证了测试工作的主动性和全面性，通过汇集系统整体检测结果并加以综合处理，缩短故障诊断时间，降低系统虚警率，有效地提高了系统的可用度，通过故障统计分析及性能评估等，可以为装备的优化设计提供数据和信息。

2 机外测试技术

2.1 ATE/ATS自动测试

由于BITE驻于目标设备内部，所以会不可避免地导致目标设备功耗、质量的增加，不可能完全完成故障隔离和达到较高的故障隔离率要求。采用专门的自动测试设备可以将体积、质量较大的测试部分放置于目标设备之外，对目标设备进行更加全面和深入的测试。2种测试方法相结合，能够对目标设备进行更全面的测试和综合保障维护。

自动测试系统(ATS)是指利用计算机控制，能够实现自动化测试的系统，是对那些能自动完成信号激励产生、信号测量、数据分析处理、测试结果输出和显示的一类系统的统称[9]。ATS通常在标准的测控系统或仪器总线(CAMAC、GPIB、VXI、PXI、LXI等)的基础上组建而成，具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点[10-13]。

早期的ATS通常为专用型，是针对具体型号设备的测试研制的，专用型测试系统功能相对单一，也没有统一的接口标准，不同测试系统之间无法做到兼容和通用，导致整个测试系统数量和体积庞大。新一代ATS正朝着模块化、通用化、智能化方向发展，其典型特点是采用开放式体系架构，系统之间、系统内部软硬件之间采用标准化接口。

虚拟仪器技术是由美国国家仪器公司提出的一种将计算机技术和网络技术应用于仪器领域的先进测试技术。通过虚拟仪器技术，用户可以根据不同的测试应用场合和测试需要定制自己的虚拟测试仪器，完成测试任务，虚拟仪器技术的发展以及在计量测试领域的应用为ATE设计提供了新的思路和方向。

在ATE中应用虚拟仪器与传统仪器相比，具有很多优势[14]：

(1)体积小，机动性强

虚拟仪器技术依靠计算机的数据计算和处理优势，可使用示波器模块、频谱分析仪模块等替代传统的示波器、频谱分析仪等台式仪器，从而使系统的体积和连接电缆减少，使设备结构紧凑，更适合现场服务的机动化保障需要。

(2)稳定性好，可靠性高

虚拟仪器采用的技术具有严格的技术规范，系统中的一个模块与其他模块在工作时互不干扰，这些都可以使整个系统的可靠性提高，间接保障ATE的使用可靠性。

(3)性价比高

虚拟仪器技术是一种基于商业现成可用(COTS)技术的可重配置的平台，具有很高的性价比。

(4)开发效率高，灵活性强

利用虚拟仪器技术，任何一个使用者都可以通过修改软件，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，有“软件就是硬件”之说。

2.2 基于ATE/ATS的综合测试保障系统

通指装备综合测试保障系统是一种典型的电子信息装备综合测试保障系统，可以实现状态监测、故障诊断、故障修复、器材筹供和信息管理等一体化技术保障。可用于系统级测试和故障定位，也可用于通信装备离位状态下的自动测试、诊断，提供比机内测试更充分的测试和更完整详细的分析。

通指装备综合测试保障系统由硬件平台、软件平台和测试程序集(TPS)组成。系统采用先进的虚拟仪器技术，硬件体系结构采用流行的PXI/GPIB体系结构，软件采用LabVIEW图形化开发平台，在订购商用货架测试模块的基础上，新研部分专用通信测试模块，开发各个装备测试程序集，并进行系统集成，具有硬件可靠性高、软件可移植性和扩充性强，整个系统具有极高的性价比等优点。

系统硬件平台组成如图2所示。

图2 通指装备综合保障系统硬件组成Fig.2 Hardware component of integrated support system for communication & command equipment

系统主要由主控计算机、PXI主机箱、数字激励/响应模块、任意波形发生器模块、数字示波器模块、数字多用表模块、频率计/计数器模块、射频调制信号源模块、微波调制信号源模块、调制信号分析仪模块、开关模块、下变器/功率计模块、频谱分析仪模块、音频分析模块、串口测试模块、A/E1口测试模块、K口测试模块以及程控电源等组成。其中A/E1口测试模块、K口测试模块是新研制的专用通信测试模块。

系统软件平台组成如图3所示。测试程序集包括与被测装备(含系统级和电路板级)相对应的测试程序(TP)、测试操作和帮助文档，测试专用线缆/转接板等配套装置。本系统所含TP在开发完成后均预装在系统的主控计算机中，使用时可直接加载执行。用户也可使用本系统软件平台提供的TP开发功能自行开发、修改或调试测试程序。

图3 系统软件体系结构Fig.3 Diagram of system software architecture

3 装备保障性设计

3.1 系统总体保障性设计要求

① 应将保障性要求作为性能要求的组成部分。从论证阶段开始就考虑保障问题，使有关保障的要求有效地影响装备设计。通过保障性分析权衡并确定保障性设计要求和保障资源要求。构建装备保障系统平台，保障资源应与装备同步研制。

② 从全系统的角度对装备的零部件进行通用性和互换性设计。在装备设计阶段，全系统的角度制定设计标准和规范，使装备零部件的互换性和通用性增强，提高装备的维修保障性[15]。

③ 在项目系统研制阶段充分论证，制定统一的装备保障接口规范，规划一致的装备保障通信协议，确保装备与保障资源以及保障资源相互之间有良好的设计接口，技术协调、配套。

3.2 设备保障性设计要求

可靠性和维修性是装备保障性的关键设计特性。除了从可靠性方面提高装备保障能力外，从维修性方面特别是可测性方面提高装备保障能力应注重以下几点[16]：

(1)为了使系统设备工作稳定可靠并能依靠自身快速自检、发现和定位故障，在综合衡量成本、体积、重量的情况下，设备应具备一定的BIT能力，实现初步故障检测和故障隔离能力。

(2)为了使ATE能够有效地、自动地完成故障检测，并将故障隔离到规定的产品层次上，被测设备在设计制造时应符合下列规范：

① 被测设备应特设测试模式，置于该模式时，不需再进行复杂设置，即可进行测试。

② 被测设备应设有遥控口(维护口、监控口和网管口等)，便于ATE能够自动控制被测设备的工作参数。

③ 每个现场可更换单元均应设测试点，测试点应能通过外部连接器可达，测试点信号特性必须符合安全要求。

⑤ 提供测试要求文件。

4 结束语

随着电子信息系统功能的不断完善，单纯研究故障诊断的理论和方法已不能满足需求，应该是在产品设计、使用及维护维修全过程考虑其综合保障的问题。靠BITE和ATS自动故障定位，靠免调试更换备件排除故障，大大降低了对使用现场人员维修水平的要求，是装备保障性工作的努力方向。