基于BIT 设计的电子设备验证平台

靳为东，赵杰，申双荣

（中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

随着电子设备信息化与数字化的快速发展，结构也变得高度集成化和复杂化，电子设备的BIT 设计与其功能设计存在脱节和缺乏规范性，使得BIT 功能电路本身成为了电子设备中的一个不可控风险。在BIT 设计时电子设备的设计已经定型，无法对电子设备功能、结构、体积等相关设计进行更改，尽管在电子设备BIT 设计时有考虑可测性设计，但是由于设备本身的设计已经定型，无法进行根本的更改，使得电子设备的BIT 的引入和电子设备本身功能及指标的保证之间形成了一种不可调和的矛盾。电子设备内部的高度集成和测算总线资源的有限都给电子设备的性能测试、综合诊断、健康管理和现场维修检测都带来了挑战，因此针对电子设备系统进行基于BIT 和功能一体化设计的电子设备验证平台的设计和实现非常重要。

1 基于BIT 设计的电子设备验证平台的总体设计

本文介绍了基于BIT 设计的电子设备验证平台的总体设计方案和相应的设计步骤，并结合典型研究案例实物完成了电子设备验证平台的设计和实现。首先针对典型研究案例进行了故障模式分析和基于多信号测试性建模的测试点优选；然后基于测试性建模测点优选基础上完成原电子设备BIT 设计的整改，来完成BIT 采集单元设计；接着通过设计的故障注入系统完成对典型案例实物的故障模拟和故障注入；最后验证平台配套的数据监测与诊断软件基于多总线传输来获取BIT 采集单元上传的状态监测数据，基于统计分析对典型研究案例实物的测点来完成对应的数据监测与综合诊断。

基于BIT 设计的电子设备验证平台的设计流程，主要包括测性分析建模、BIT 设计、故障注入系统和数据监测与诊断软件四个功能单元。本论文基于BIT 设计的电子设备验证平台总体实现方案如图1 所示，主要包括两方面内容：第一是基于测试性分析的电子设备的BIT 设计，第二是基于BIT 设计的电子设备的性能验证。基于测试性分析的电子设备的BIT 设计，从设计之初就开始对整个电子设备进行测试性分析，并且设计标准化的BIT 采集单元和配套的BIT 设计软件。基于BIT 设计的电子设备的性能验证，开发了相应的验证平台，配合相应的故障注入系统，基于故障检测率和故障隔离率等指标，来对电子设备进行BIT 设计后的性能验证。

图1 基于BIT 设计的电子设备验证平台总体设计

由图1 可知，基于BIT 设计的电子设备验证平台总体的设计步骤如下：

（1）测试性分析：首先对电子设备硬件单元的各子功能框图进行分析，选择出提供能表征各个功能单元的的故障模式和测试点，然后在故障检测率和隔离率等指标约束下，通过可视化测试性建模与分析软件对电子设备进行多信号建模来完成测试性分析来完成测点优选。

（2）BIT 设计：以电子设备功能单元进行测试性分析优选的测点的基础上，在电子设备的硬件实物在设计之初预留对应的测试点和对应数据传输的总线资源，并把电子设备对应的测点与设计的BIT 采集单元进行连接，结合多信号测试性分析和BIT 采集单元进行电子BIT 设备的一体化设计，来完成基于BIT 设计的电子设备。

（3）故障注入系统设计：包括软故障注入和硬故障注入两种工作模式。软故障注入首先通过基于BIT 设计的电子设备的多故障模式来建立对应的故障知识库，然后设计的故障注入软件基于总线层对电子设备的原数据传输通信接口进行故障模拟和注入，最终来实现模拟电子设备实际发生的对应故障模式；硬故障注入模式是基于通过专用的硬件注入单元对电子设备的物理层进行故障注入，来完成对底层硬件的短路或者强制引脚变化等故障操作。

（4）性能验证：通过BIT 采集单元对基于BIT 设计的电子设备的测点进行多维数据的实时监测和采集，并把相应的监测数据通过预留的多总线资源将数据上传到监测与诊断软件完成数据监测和综合诊断，基于统计分析算法等来完成电子设备对应的综合诊断结果，结合故障检测率和故障隔离率等指标，完成基于BIT 设计后的电子设备验证平台性能验证。

2 基于BIT 设计的典型案例的电子设备验证平台构建

本文电子设备的典型研究案例实物选择VPX 高速数字收发模块为例，主要由高速A/D 采集单元、D/A 信号生成单元、FPGA 单元、DSP 单元、高速时钟单元、DDR3 内存单元和PCIE 桥等组成。基于测试性分析建模和BIT 设计，来实现对VPX 高速数字收发模块典型应用案例来搭建基于BIT设计的电子设备验证平台，结合配套的故障注入系统、监测与诊断软件，来完成后续对电子设备验证平台的性能验证。

■2.1 测试性建模与分析

本文首先对VPX 高速数据收发模块相应的功能单元进行故障类型分析整理，然后通过可视化测试性建模与分析软件对被测对象进行测试性建模，测试性建模优选后的测点如表1 所示。在表1 中，通过选择采用VPX 高速数据收发模块两路时钟信号10 MHz_1 和10MHz_2 作为频率信号的监测点，来检测AD 和DA 时钟的是否正常工作；其余为VPX高速数据收发模块各功能单元的供电电压为监测点，如果电压不正常说明相应的供电电压有问题，或者相应的功能单元出现故障。

表1 VPX高速数据收发模块的测点优选

■2.2 BIT 设计

基于BIT 设计的VPX 高速数字收发模块的结构框图如图2 所示，包括两部分：其中一部分为对VPX 高速数字收发模块进行电路整改来引出对应的测点到连接器单元；另外一部分为BIT 采集单元的设计，支持电压、频率、波形等多维测试数据的采集，以及支持以太网、串口等多总线数据传输。

图2 基于BIT 设计的高速数字收发模块结构框

基于BIT 设计的VPX 高速数字收发模块流程包括：在对VPX 高速数字收发模块功能单元进行测试性分析获取优选测点的基础上，来进行基于BIT 设计的高速数字收发模块。在不改变高速数字收发模块功能电路的内部电路结构前提下，把表1 中优选的测点引出到连接器单元；通过设计的BIT 采集单元对应的连接器对高速数字收发模块功能单元中预留的连接器进行相应测点连接，来完成VPX 高速数字收发模块功能电路中的电压、频率等多维数据的状态监测与采集，然后BIT 采集单元通过总线资源把监测的数据传输到平台配套的监测与诊断软件，来完成后续电子设备验证平台的综合诊断和性能验证。

■2.3 故障注入系统设计

（1）软故障注入

软故障注入基于总线层的方式实现对被测对象的故障注入与模拟。首先根据表1 的VPX 高速数字收发模块的测试点和故障类型进行相关“故障类型编码”，通过模拟其实际的故障模式来完成故障知识库的建立；然后故障注入软件通过总线与基于BIT 设计的高速数字收发模块的BIT 采集单元建立通信连接；最后故障注入软件导入故障模式列表，分别设置选择不同故障的故障注入次数和故障模式，开展对高速数字收发模块进行故障注入试验来模拟实际测试通道的故障。

（2）硬故障注入

硬故障注入主要是在VPX 高速数字收发模块的物理层进行故障注入。首先通过对模块各功能单元电路的实际工作原理进行分析，确定模块物理层进行硬件故障注入所需的故障应力类型、故障应力量值和施加方式；然后通过专用的硬件注入模块和辅助测试仪器来完成对底层硬件的短路、开路或者强制引脚变化，来完成对高速数字收发模块实际的电源类或短路类等故障类型的注入。

■2.4 电子设备验证平台的搭建

在前面对VPX 高速数字收发模块完成测试性分析、BIT设计和故障注入系统的设计基础上，本文基于BIT 设计的高速数字收发模块来搭建的验证平台实物如图3 所示。图3左侧为装配在VPX 机箱的基于BIT 设计的高速数字收发模块，图3 右侧为嵌入式测试监测与诊断软件界面，来完成对模块的数据监测、综合诊断和性能验证。

图3 基于BIT 设计的高速数字收发模块电子设备验证平台

为了实现VPX 高速数据收发模块的综合诊断和性能验证，首先嵌入式测试监测与诊断软件作为TCP 服务器与BIT 采集单元的TCP 客户端建立以太网通信，上位机通过发送指令来控制BIT 采集单元的加电BIT、启动BIT 和周期BIT 的工作模式切换，来完成电压、频率等多维数据采集和上传；然后对高速数据收发模块进行基于总线层的软故障注入和基于物理层的硬故障注入，来模拟高速数据收发模块实际发生该故障模式产生的故障现象和故障数据；最后嵌入式测试监测与诊断软件基于统计分析算法对BIT 采集单元上传的相关监测数据的分析与综合诊断，来完成构建的基于BIT 设计的电子设备验证平台的故障诊断率、故障隔离率、评估指标数值等相关性能验证。

3 结束语

本文简要陈述了基于BIT 设计的电子设备验证平台总体方案和相关设计步骤，着重描述了基于BIT 设计的典型案例的电子设备验证平台构建。本文以VPX 高速数字收发模块作为典型案例进行基于BIT 设计的电子设备验证平台的搭建，完成了对该模块的测试性分析的测点优选、BIT 设计、基于软件和硬件的故障注入系统的设计、平台配套软件的综合诊断和性能验证。本文通过搭建基于BIT 设计典型案例电子设备验证平台，解决电子设备实物进行嵌入式设计和验证难的问题，实现嵌入式测试能力与标准化的提升，能够为有效的为电子设备的嵌入式测试与健康管理提供验证支撑。