板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)在航空電子裝備中的應(yīng)用

呂思璐，王作天，張明陽，韋志會(huì)，田開順

(1.中國人民解放軍 第四七二四工廠, 上海 200436;2.北京航天測控技術(shù)有限公司, 北京 100041)

0 引言

航空電子裝備的服役期到了翻修時(shí)限,各種故障也到達(dá)一個(gè)高發(fā)期,目前基地級(jí)維修在對(duì)航空電子裝備進(jìn)行翻修時(shí)內(nèi)場基本是將故障定位到電路板級(jí),在板級(jí)資料不具備或不完善的情況下,往往是憑維修技術(shù)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與能力進(jìn)行深入的故障定位與排除。如遇到維修人員無法定位故障排除故障，則需要通過外送修理予以解決，如此一來航空裝備的維修周期、質(zhì)量得不到有效控制，進(jìn)而就會(huì)影響部隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)?；谶@種現(xiàn)狀，集成一個(gè)板級(jí)通用的自動(dòng)測試系統(tǒng)來診斷定位板級(jí)產(chǎn)品的故障并將人的維修經(jīng)驗(yàn)固化成為固定的測試程序就顯得尤為重要。因此通過逆向分析航空電子裝備內(nèi)電路模塊的工作原理,利用一個(gè)通用板級(jí)測試系統(tǒng)平臺(tái)，確定測試診斷流程、邏輯，選取合適的測試點(diǎn)，分配合理的測試資源，來滿足不同電路板的測試是一個(gè)多機(jī)種、小批量的航空裝備大修廠的重要課題。

本文以故障率高發(fā)的故障樣板為例，通過利用板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，設(shè)計(jì)具體測試、診斷方案，詳細(xì)闡述了板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)在航空裝備維修行業(yè)中板級(jí)故障診斷的應(yīng)用,從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)研究了航空電子裝備板級(jí)自動(dòng)化維修流程。

1 板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

數(shù)?；旌想娐饭收显\斷系統(tǒng)組成及功能如圖1所示。系統(tǒng)集成了電路板測試診斷維修所需的測試資源、通道控制裝置、軟件系統(tǒng)和支持結(jié)構(gòu)，總體組成框架如圖1所示。

圖1 板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)總體組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的功能聯(lián)系和控制關(guān)系如圖2所示。板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)以PXI總線儀器為核心，以LAN/GPIB總線儀器為中頻測試資源，由PXI儀器模塊提供被測電子裝備測試所需的主要測試和控制資源。主控計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)的自動(dòng)測試軟件控制測試設(shè)備的儀器資源及測試程序(TP)的執(zhí)行。公共測試信號(hào)接口ICA為測試資源集中輸出的模塊，ATE與被測電路板通過測試接口適配器ITA實(shí)現(xiàn)測試信號(hào)的交互適配，形成儀器測試資源與被測電路板的信號(hào)通路。

圖2 板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)硬件功能聯(lián)系與控制關(guān)系圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測試程序開發(fā)平臺(tái)

電路板種類復(fù)雜多樣，不同的電路板具有不同特征，所以不同電路板的檢測方法也不同，為滿足系統(tǒng)通用性的設(shè)計(jì)要求自動(dòng)測試系統(tǒng)盡可能多的提供不同信號(hào)量和器件的測試方法，但對(duì)于具體的控制測試設(shè)備對(duì)被測對(duì)象什么引腳施加什么激勵(lì)，機(jī)器是不知道的，還需要測試人員自定義開發(fā)測試軟件，計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行測試軟件，控制測試設(shè)備對(duì)被測件施加激勵(lì)，并分析采集回的信號(hào)特征，從而判斷被測電路板是否故障。所以測試系統(tǒng)提供了資源建模工具包括對(duì)被測對(duì)象、適配器、測試電纜、測試流程和故障診斷流程進(jìn)行建模，即面向信號(hào)的建模方式。

測試程序開發(fā)平臺(tái)采用北京航天測控公司成熟框架軟件平臺(tái)Vite3.3，該測試程序開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)、被測對(duì)象、適配器、測試站、測試儀器、測試流程等軟硬件資源的定義與描述，構(gòu)建關(guān)于測試對(duì)象的測試策略描述、UUT定義、適配器定義、測試站描述、儀器能力描述等部件和系統(tǒng)的XML文件，能開發(fā)測試流程文件以及故障診斷文件，生成測試配置文件，形成TPS測試源代碼。測試開發(fā)環(huán)境具備測試程序的編譯調(diào)試功能，編譯生成TP程序，進(jìn)行測試程序的調(diào)試操作。同時(shí)測試程序開發(fā)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)測試程序的移植管理工作。包括測試策略開發(fā)、測試資源開發(fā)、測試程序調(diào)試和TP移植管理4個(gè)大功能模塊，被測對(duì)象建模、適配器建模、測試電纜建模、測試流程建模、故障診斷建模、測試站建模、測試儀器建模、測試程序編譯調(diào)試和導(dǎo)入/發(fā)布ATML源包9個(gè)子功能模塊。

測試程序開發(fā)平臺(tái)采用面向信號(hào)的流程開發(fā)模式，面向信號(hào)的測試技術(shù)其核心是將信號(hào)、儀器設(shè)備、信號(hào)連接關(guān)系抽象成與硬件資源無關(guān)的定義層，用戶根據(jù)被測對(duì)象的實(shí)際測試需求對(duì)所測的信號(hào)特征進(jìn)行描述，對(duì)此定義層進(jìn)行修改，調(diào)換儀器設(shè)備，經(jīng)過編譯處理完成資源映射，形成統(tǒng)一的、完整的測試流程。通過面向信號(hào)的描述，來定義具有某種特征的虛擬信號(hào)，其包括信號(hào)通路的建立、撤銷及狀態(tài)檢測，建立抽象的“虛擬開關(guān)”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任何單元部分的改變及重構(gòu)都不影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，將所有的映射關(guān)系都實(shí)例化，完成“虛”轉(zhuǎn)實(shí)的轉(zhuǎn)變。測試系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)部層次圖如圖3所示。

圖3 測試程序開發(fā)平臺(tái)

3.2 測試策略開發(fā)

根據(jù)實(shí)際測試策略的開發(fā)的需求，板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)具有全方位的硬件定義與資源描述功能，以便于搭建起滿足測試需求的ATE系統(tǒng)與硬件連接鏈路，并且通過樹形連線視圖將平臺(tái)直觀的表示出來，如圖4所示。

圖4 測試策略連線圖

圖6 測試程序調(diào)試業(yè)務(wù)流程

故障診斷流程用以完成復(fù)雜系統(tǒng)的故障模型建模。智能化的專家知識(shí)生成工具以框架表示法為主，結(jié)合故障隔離模型和故障隔離節(jié)點(diǎn)等知識(shí)表示方法為用戶提供了完整的表示和描述針對(duì)對(duì)象的故障模型和專家診斷知識(shí)。

故障診斷建模主要以IEEE1232標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，根據(jù)測試需求，采用可視化建模方法，實(shí)現(xiàn)故障樹、D矩陣等故障診斷模型的構(gòu)建，用于測試過程中對(duì)UUT等測試對(duì)象的故障分析、故障定位。可利用專家知識(shí)生成平臺(tái)描述被測對(duì)象診斷知識(shí)，綁定TPS文件作為樣本輸入信息，生成領(lǐng)域知識(shí)庫和診斷提取規(guī)則，供故障分析使用，如圖5 所示。

圖5 故障診斷圖

3.3 測試資源開發(fā)

測試站資源建模主要是定義測試站資源的信號(hào)類型、被測參數(shù)和對(duì)應(yīng)的預(yù)定義資源，根據(jù)ATML的規(guī)定，定義的測試站資源將用于搭建測試流程。

測試站資源是某種特定類型的資源，其定義了測試設(shè)備外部端口與測試主體之間的連接或連接集，以及測試被測主體的特定功能需要的行為?？梢詫⒁粋€(gè)適配器資源映射到一個(gè)測試站資源，也可以將一個(gè)測試儀器的特定功能映射到一個(gè)測試站資源，一個(gè)測試儀器可以對(duì)應(yīng)多個(gè)測試站資源。

測試儀器建模主要是用于描述測試工程中用到的儀器。儀器的建立比較復(fù)雜，除了儀器基本信息定義以外，還包括驅(qū)動(dòng)、資源、能力、開關(guān)元素的配置。

3.4 測試程序調(diào)試

測試程序調(diào)試是一個(gè)集成的測試調(diào)度程序，依靠“運(yùn)行環(huán)境引擎”提供TPS流程運(yùn)行支持，由測試配置管理、TPS編譯處理、測試信號(hào)與硬件資源自動(dòng)映射和測試運(yùn)行控制等組成，其功能組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

測試程序調(diào)試實(shí)現(xiàn)對(duì)測試ATML源代碼進(jìn)行編譯，生成發(fā)布運(yùn)行平臺(tái)可執(zhí)行的測試程序，并提供調(diào)試的功能，供開發(fā)過程進(jìn)行調(diào)試操作。

測試程序調(diào)試采用圖形或文本方式對(duì)測試程序進(jìn)行聯(lián)機(jī)及脫機(jī)調(diào)試，具備斷點(diǎn)調(diào)試、單步運(yùn)行、運(yùn)行出錯(cuò)原因提示、幫助信息等功能。

3.5 TP移植管理

軟件平臺(tái)需要支持對(duì)測試程序的移植，因此需要能夠?qū)ν獍l(fā)布符合規(guī)定的測試ATML源代碼，同時(shí)支持相應(yīng)的ATML源代碼導(dǎo)入，軟件平臺(tái)通過“導(dǎo)入AMTL源程序包”和“發(fā)布AMTL源程序包”實(shí)現(xiàn)TP移植功能。發(fā)布與導(dǎo)入的ATML源代碼需要支持加解密操作，如圖7所示。

圖7 TP移植功能結(jié)構(gòu)圖

4 板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)及結(jié)果

4.1 應(yīng)用試驗(yàn)總體思路

板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)的被測對(duì)象是不同類別的電路板，為了使系統(tǒng)的具備通用性，就需要按功能特征來分類分析各種類型的電路板。電路板的信號(hào)大致可分為數(shù)字量、模擬量和離散量3種，板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)在測試對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行時(shí)，一定要能夠向電路板輸出各種激勵(lì)信號(hào)，并且保證被測電路板的響應(yīng)信號(hào)能被采集到。

電路板的層次結(jié)構(gòu)模型及相互間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 電路板的層次結(jié)構(gòu)模型

板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)測試方法以及故障診斷的思路是按照?qǐng)D8的結(jié)構(gòu)模型所示，先對(duì)電路板進(jìn)行通電檢測，如果電路板測試過程中出現(xiàn)故障則按測試順序檢測各電路功能模塊，直至檢測到故障功能模塊，然后針對(duì)故障功能模塊展開下一級(jí)故障診斷，直至將故障定位到最小的可更換單元及元器件或通道電路。

4.2 應(yīng)用試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

4.2.1 測試需求分析

通過逆測分析故障樣板的電路原理圖，梳理樣板原理框圖如圖9所示。

圖9 樣板原理框圖

故障樣板的主要功能是部附件進(jìn)行射擊等重要事件時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的視頻標(biāo)記信號(hào)。該電路板主要由電壓轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、視頻分離電路、視頻選擇電路、視頻開關(guān)電路、總線接口電路組成。各功能電路功能原理如下：

1)電壓轉(zhuǎn)換電路，主要將系統(tǒng)輸入的+28 V轉(zhuǎn)換為+5 V、-5 V輸出，給板上其他功能電路及其元器件供電；

2)光耦隔離電路1～4的功能是將輸入的離散量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)；

3)光耦隔離電路5～10的功能是將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部電路可識(shí)別的離散量信號(hào)；

4)視頻分離電路、視頻選擇電路、視頻開關(guān)電路在單片機(jī)控制信號(hào)的作用下對(duì)輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，然后放大輸出；

5)總線接口電路主要包括RS232接口電路和RS422/485接口電路，完成單片機(jī)與外部設(shè)備的通訊；

6)單片機(jī)作為電路板的控制核心，實(shí)現(xiàn)板件的標(biāo)記功能。

4.2.2 測試診斷流程設(shè)計(jì)

通過對(duì)樣板原理分析和測試需求分析，提出樣板的測試程序集(TPS)與診斷設(shè)計(jì)方案，以對(duì)樣板電路板進(jìn)行功能測試和故障診斷。

樣板主要由電壓轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、視頻分離電路、視頻選擇電路、視頻開關(guān)電路、總線接口電路組成，因此在功能測試時(shí)，除了測試端口連接器輸出外，還需要單獨(dú)對(duì)每組電路的功能進(jìn)行監(jiān)測，此時(shí)需要使用輔助探筆進(jìn)行測試。

測試診斷步驟如下：

1)在對(duì)樣板加電測試前，需要對(duì)樣板的電源正端和地端進(jìn)行檢測，確定電源正端和地端之間不短路；目測樣板是否有斷線等明顯故障，從外觀上檢查電路板上的元器件是否存在燒糊、發(fā)黑等故障，如果存在上述故障，則需要排除故障后再進(jìn)行測試；

2)如果樣板的電源端和外觀無故障，則安裝適配板；

3)在確定適配板無問題后，需要安裝樣板并對(duì)電路板加電靜態(tài)測試，測量電路板的供電電源是否正確；

4)樣板靜態(tài)測試正常，則可以進(jìn)行電路板的功能測試；

5)在功能測試結(jié)束后，如果存在故障，則進(jìn)入診斷測試，診斷結(jié)束后，關(guān)閉儀器，關(guān)閉電源，提示測試結(jié)束；如果沒有故障，則直接關(guān)閉儀器和電源，結(jié)束測試。

樣板測試與診斷TPS設(shè)計(jì)方案的總體框圖如圖10所示。

圖10 樣板測試與診斷TPS設(shè)計(jì)方案的總體框圖

4.2.3 單元電路功能測試方案

以電路板的視頻分離電路為例，視頻分離電路主要由視頻同步分離芯片LM188、外圍電阻/電容組成，根據(jù)用途不同，主要分以下2類電路：視頻分離電路1、視頻分離電路2。

視頻分離電路1如圖11所示，將輸入的中顯視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為3類視頻輸出，輸入給后續(xù)單片機(jī)。

圖11 視頻分離電路1原理圖

視頻分離電路1的故障模式統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 視頻分離電路1故障模式

根據(jù)測試點(diǎn)的輸出特性，各測試點(diǎn)可采用數(shù)字示波器采集。

視頻分離電路2如圖12所示，將輸入的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為一類視頻輸出，輸入給后續(xù)視頻開關(guān)電路。

視頻分離電路的故障模式統(tǒng)計(jì)如表2所示。

根據(jù)測試點(diǎn)的輸出特性，各測試點(diǎn)可采用數(shù)字示波器采集。

4.2.4 單元電路測試診斷流程方案

單元電路的測試主要基于功能電路的輸出端作為測試點(diǎn)。使用信號(hào)發(fā)生器及矩陣開關(guān)在功能電路的輸入端X1.A7施加一個(gè)復(fù)合視頻信號(hào)，采集功能電路輸出端信號(hào)。若采集的輸出信號(hào)在預(yù)期范圍內(nèi)，則判斷該功能電路測試正常，反之則給出單元電路故障的結(jié)論。

表2 視頻分離電路2故障模式

4.2.5 器件級(jí)測試診斷流程方案

器件級(jí)測試診斷流程的開發(fā)目的是將故障定位于元器件。該部分流程的開發(fā)主要在功能電路測試流程的基礎(chǔ)上開發(fā)。不同的是，該部分流程執(zhí)行的前提是所屬功能電路輸出故障，根據(jù)故障給一個(gè)判斷指令，依次測試所有節(jié)點(diǎn)，逐個(gè)排除各個(gè)器件的狀態(tài)，進(jìn)而將故障定位于器件。

4.3 應(yīng)用檢測結(jié)果

運(yùn)行設(shè)計(jì)好的測試程序，能通過測試報(bào)告直觀的幫助維修技術(shù)人員定位產(chǎn)品故障。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)板級(jí)自動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行總體介紹，并通過實(shí)際案例對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用流程進(jìn)行了規(guī)范，增強(qiáng)了對(duì)電路板的測試與故障診斷效率，降低了對(duì)航空電子裝備維修技術(shù)人員的技能要求，將傳統(tǒng)的利用儀器對(duì)電路板進(jìn)行測試與故障診斷的流程，包括電路分析的過程都集成在前端的測試診斷流程設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中，方便后端維修作業(yè)過程中故障的定位與排除，由過去的排故周期不定性轉(zhuǎn)變?yōu)榫S修周期可控，縮短了航空電子裝備的維修周期。同時(shí)方案設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的測試方案、診斷方案都集中留存于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，隨著后續(xù)應(yīng)用的累積，能完善各種類型電路板板級(jí)測試診斷的數(shù)據(jù)信息，便于形成板級(jí)測試的專家數(shù)據(jù)庫，改變了依賴于維修技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行故障診斷的現(xiàn)狀。