基于LRM的航空电子系统BIT研究

　　摘 要:随着我国新型航空电子系统的加速发展,航空电子系统综合度和复杂度越来越高,以LRM为基础的综合航空电子系统将成为主要的发展方向,这为系统的测试和维修提出了更高的要求。而LRM的BIT技术是其中一项非常关键的技术,在研究基于LRM的航空电子结构和LRM组成的基础上提出了LRM内部3级组合BIT方法,并对该方法做了较详细的描述。该方法在LRM的设计以及功能改进过程中,可以提高LRM的自检测能力,降低BIT实现难度。
　　关键词: 航空电子系统; LRM; BIT; 自动测试设备
　　中图分类号:TP306 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)11-0010-04
　　
　　Study on BIT of Aviation Electronic System Based on LRM
　　ZHU Can-shi, AN Li
　　(Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)
　　Abstract: The integration and complexity of avionics system are improved with the high speed development of new avio-nics system in China, LRM-based integrated avionics system will be the main direction of development of an integrated avionics system, which provides a high demand for testing and maintaining the system. The LRM approach within the three combined BIT is researched based on composition and avionics′ structure LRM, and a more detailed description of the method is proposed. The LRM self-testing capability can be improved and the difficulty of BIT implementation can be reduced in the process of LRM design and functional improvement.
　　Keywords: aviation electronic systems; LRM; BIT; automatic test equipment
　　
　　航空电子系统是战斗机上的一个重要子系统,它决定着其作战性能。随着航空电子系统综合度和复杂度的不断提高,其测试性和维修性对整个航空电子系统的作战能力、生存能力、维修过程、保障费用诸方面的影响越来越大。只有具备良好的可维护性,系统的维护费用、维护难度和全寿命周期费用才能得到降低,飞机利用率及系统可用性才能得到提高;同时,军用飞机是在恶劣环境下运行的,只有具有良好的测试性,系统的可靠性及作战质量才能得到保证。测试性的内涵主要包括自动测试设备(ATE)和BIT两个方面。传统的测试主要利用外部的测试仪器(ETE)对被测设备进行测试。ATE费用高、种类多、操作复杂、人员培训困难,而且只能离线检测。随着航空电子系统对维修性和测试性要求的不断提高,迫切需要其本身具备检测、隔离故障的能力,因此BIT技术在航电系统测试性研究中占据了重要的地位,同时也成为维修性、测试性领域的重要研究内容。
　　1 航空电子系统的发展
　　航空电子技术已成为航空领域中最活跃的研究和发展门类,世界各国均投入大量的人力物力资源,研究和探索新的航空电子系统结构,并努力在各新型飞机上进行实践和验证。各类新的概念、结构和成功的应用范例层出不穷。20世纪90年代以来,美国、欧洲、俄罗斯都开展了第五代战机的研究工作,欧洲联合研制的“欧洲战斗机”EF2000和“阵风”,俄罗斯的新一代多用途隐身战斗机S-37和I.44,美国的先进战术战斗机F-22等,都着重研究和探索新的航空电子系统结构[1-2]。
　　20世纪80年代初,美国空军莱特实验室提出了“宝石柱”计划。该计划旨在为先进战术和战略飞行器定义和建立综合航空电子系统结构,并提出了LRM(外场可更换模块)的概念。美国新一代战斗机F-22的航空电子系统是“宝石柱”计划十分成功的应用范例。F-22的航空电子设备真正实现了综合化,这种高度的综合化体现在三个不同方面:对飞行员而言,可在一个显示器上看到所有经过处理的相关信息,还可获得战场态势评估结果,这样大大减轻了飞行员的工作负荷;对软件工程师而言,综合化意味着各种功能软件能够迅速调用共享数据,共享信息的利用大大提高了信息处理的速度和可信度;从硬件角度讲,综合化由通用的组件、模块、标准数据总线和操作系统构成一个整体框架,实现信息的处理和传送[3]。
　　“宝石柱” 系统结构的特点如下:
　　(1) 整个航空电子系统结构在功能划分上从联合式结构的纵向划分变成横向划分,提出了功能区的概念,由面向子系统任务功能综合演变为面向三个功能管理区的高级综合系统。
　　(2) 采用了模块化航空电子系统结构。
　　(3) 系统采用分层结构。“宝石柱”计划定义的航空电子结构划分为三层:高速公用信息处理层、管理层、执行层。
　　(4)由集中式控制分布式处理发展为分布式控制分布式处理。采用高度光纤数据总线构成双余度的通信链路,提高通信容量,适应各系统间数据交换的需要。
　　(5)全系统的容错和重构模式按任务管理区的划分重新安排资源使功能损失最小。
　　2 基于LRM的航空电子系统结构
　　2.1 模块化航空电子系统结构
　　从航电系统的发展史可以总结航空电子系统正朝着模块化综合化方向发展,而F-22和F-35上的航空电子系统都已经是模块化的航空电子系统。模块化航空电子系统是指通过一系列标准化通用功能模块组合,通过加载与硬件无关的软件,完成航空电子各个设备功能的系统[4]。在模块化航空电子系统中,各个子功能都是建立在通用功能模块之上,而通用功能模块在机载资源基础上通过加载不同的软件完成具体的功能。如图1所示。
　　图1 模块化航空电子系统结构
　　对于模块化航空电子系统,它的优点就是将一些航空组件(如雷达、导航、通信)整合到一个标准的硬件平台上,为了避免这些组件的相互影响,必需将它封装在综合区域之中,这也是组建模块化航空电子系统的基本手段。综合区域是分层的结构,可以分成多层,而每一层只有几个模块,也可以将综合区域分成一层或者两层,而每一层有许多模块。模块化的航空电子系统如图2所示。
　　模块化航空电子系统由核心处理系统和非核心处理系统组成,核心系统包含了若干个机柜,而每个机柜上装载了一定数量的通用功能模块,通过在通用模块上加载不同的软件,实现航空电子如雷达信号处理、通信/导航/识别、外挂管理等特殊功能。非核心设备包括信号采集设备、显示设备、传感器设备等。
　　图2 由LRM构成的航空电子系统
　　
　　2.2 LRM的一般组成
　　LRM是组成新的航空电子系统的结构基础。在这方面国内现已有标准GJB 1422《标准电子模块总规范》、HB 7091《机载设备标准电子模块的设计要求》、HB 7092《机载设备标准电子模块的采用要求》和GJB 2354《机载计算机模块设计要求》,与前3项标准相对应的美军标分别为MIL-M-28787C,MIL-STD-1389D和MIL-STD-1378E。美国在MIL-M-28787D中规定了机载设备用标准电子模块,它与MIL-STD-1389D,MIL-STD-1378E一起配套使用,促进了美国航空电子模块化的发展,如F-22上采用了符合上述3项标准要求的SEM-E型模块。编制GJB 1422时由于没有考虑机载设备上的应用情况,所以不能与HB 7091,HB 7092很好地配套使用[5]。
　　从这些标准中可以总结:LRM是系统安装结构上和功能上相对独立的各类通用单元的总称。LRM具有标准的尺寸和接口,其内建的自检功能可将故障定位并隔离至LRM一级,通常带有保护外壳并支持热插拔。LRM结构如图3所示。
　　图3 LRM结构
　　从LRM的概念中可以得出LRM具有以下特点:
　　(1) 足够的BIT能力。通过自带电路,如模块测试维护(MTM)总线,能鉴别模块本身是否出现故障。
　　(2) 标准性和互换性。模块按照统一的标准生产,具有标准的尺寸、接口(包括物理接口,电气接口,冷却接口与数据传输接口等)及功能。同一类模块,相互间可以互换。
　　(3) 功能的独立性。每个模块都有明确的接口,单个模块能实现相对独立的任务。
　　LRM按照其电路结构可以分为三类,即数字型LRM、微波型LRM以及数模混合型LRM[6]。
　　2.3 系统重构
　　航空电子的模块化设计本身并不能提高其可靠性和可维修性,相反,由于模块化提高了系统的集成度和复杂度,使得整个系统可靠性和可维修性降低了。然而,可靠性是保证战斗机的作战性能的关键要素,越来越受到人们的重视,而关于如何增强系统的容错能力,提高系统的可靠性方面引入了许多新的概念,在这些新概念的支持下,航空电子系统才实现了高可靠性。其中系统重构就是其中最为重要的一种。
　　系统重构是在对系统的功能任务和体系结构的深刻认识的基础上,在具有有效的模块故障检测与诊断技术前提下,通过完善的系统逻辑来实现资源的高度共享,以提高任务完成率的一门综合技术。
　　模块化航空电子系统基于系统重构的容错管理分层结构如图4所示。
　　图4 基于重构的容错管理
　　系统级故障监控和管理负责全系统的故障处理,分系统级故障监控和管理负责辖区内所有模块的故障处理,模块级故障监控和管理负责模块本身的故障处理。当出现自身不能处理的故障情况时,则逐级上报,由更高一层的故障管理负责处理。
　　管理过程说明如下:
　　(1) 故障监控:故障监控由各软/硬件模块中的故障检测单元检测到相关软/硬件故障后均向操作系统中的OS-HM服务报告,然后统一由OS-HM服务模块向系统管理的故障监控程序报告。故障监控程序最终负责故障的确认,并将确认的故障告知故障处理模块进行处理。
　　(2) 故障管理:故障管理程序接收故障监控模块的确认故障消息;确定下一个配置状态并通知配置管理程序进行重构;重构完成后接收配置管理程序来的配置状态消息。此外,故障管理程序还负责故障源的进一步识别与定位(从BIT获得进一步的信息)、相关故障的确定、向上一层故障管理报告故障及故障的登记。故障管理模块根据现有的功能需求和可用资源来调用蓝图中的数据库以确定配置状态,并把新的配置状态传送给配置管理单元。
　　(3) 重构:重构也是将逻辑功能映射到物理资源的过程。其各种映射关系均在系统设计时确定并存放在蓝图数据库中供运行时调用。当物理资源不能满足逻辑功能的需要时,则同样从蓝图获得在设计过程中确定的该资源情况下逻辑功能的降级版本。通过步骤(1),(2),配置管理单元中已经有了配置信息,通过对硬件资源的重新配置,系统可以继续执行其原有的逻辑功能。
　　3 基于LRM的航空电子系统三级BIT
　　无论故障监控还是故障管理都需要BIT技术的支持,因而BIT是实现整个系统重构的关键技术。基于LRM航空电子系统的BIT结构和容错结构类似,可以分为3个层次,如图5所示。
　　图5 航空电子系统BIT的分层结构
　　由图5可以得出LRM的BIT是整个系统最底层的BIT技术,是实现子系统和系统级BIT技术的基础,而BIT是为故障监控任务提供有效故障信息的主要途径,因而LRM的BIT即为实现系统重构的基础。下面从系统出现硬件故障时的重构来说明LRM BIT的重要作用,整个流程如图6所示。
　　(1) 当由LRM的BIT单元发现硬件故障后,由硬件抽象层软件将故障向OS-HM服务报告。
　　(2) OS-HM服务进一步将故障汇总到系统管理的故障监控软件。
　　(3) 故障监控软件根据故障进行确认。如果故障确认,则报告故障管理程序。
　　(4) 故障管理程序根据蓝图信息确定重构后的配置状态,并启动配置管理进行重构。
　　(5) 配置管理完成重构后,告知故障管理,确认现行配置状态。
　　因而LRM的BIT是系统出现硬件故障时进行重构的基础。
　　图6 发生硬件故障时的重构
　　4 LRM的三级组合BIT
　　结合LRM自身的电路特点以及要使其具有完善的BIT应该包括的内容,提出了LRM内的三级组合BIT模型。
　　LRM的BIT主要由模块支持单元来控制和实现,其完善的BIT设计应该包括:
　　时间基准测试:时钟和各项时钟基准测试。
　　电源测试:电源电压和电流测试,电源失效检测。
　　板上芯片间互联测试:检测引脚交互连接故障。
　　芯片功耗测试和电源管理:检测失效芯片的电流异常并进行故障隔离。
　　CPU测试:上电时基于CPU指令对CPU功能进行测试。
　　存储器测试:上电时对程序寄存器和数据寄存器进行测试。
　　互操作性测试:模块级BIT对芯片内BIT的控制和互动测试。
　　I/O接口测试:I/O端口和内部后续通道测试。
　　总线接口测试:包括总线接口状态测试和总线通信协议测试。
　　根据上述内容把LRM的BIT分成3个级别,即芯片级BIT、组件级BIT和模块级BIT。各级BIT定义及任务如下:
　　芯片级BIT:完成芯片自检测,为组件级BIT提供故障信息。
　　组件级BIT:本文的组件是指组成LRM的同一类芯片或电路的集合,它的BIT完成组件的自测试,包括互联测试,功能测试等,需要专用的BIT微处理器支持或共用LRM内的核心处理器,为模块级BIT提供故障信息。
　　模块级BIT:完成整个模块BIT信息的综合处理,主要目的综合把握BIT的作用和效果,降低BIT的虚警概率,为上级系统提供更加可靠的BIT信息,减少上级系统的故障处理负担。
　　三级BIT的有机结合才能有效地实现LRM故障的检测和隔离。
　　5 结 语
　　概述了航空电子综合化模块化的发展过程,分析了基于LRM的航空电子系统的结构组成以及LRM的一般组成;研究了旨在提高航空电子系统可靠性的重构技术以及在此基础上实现的容错技术,并从硬件重构的过程来说明了LRM BIT的重要作用。在以上工作的基础上,又提出了LRM内部的三级组合BIT,并给出相应的定义和所要完成的任务。
　　不同类型的LRM的BIT方法不尽相同,但是同一类的LRM的BIT技术却有着很强的通用性,因此根据LRM分类来研究其BIT技术更加有效。日后工作可以对每一类的LRM深入研究,研究工作按芯片级,组件级和模块级展开。在芯片级研究上可以选择BIST等如今比较热门的芯片自测试方法进行重点研究。在组件级研究上,则首先应对LRM的组成硬件进行组件划分,对所划分出来的组件进行故障建模,对所建立的模型寻找合适BIT方法。在模块级研究上应重点解决组件级和芯片级BIT产生的虚警问题,对智能BIT进行深入研究和适当应用,综合把握整体的BIT效果和性能。
　　
　　参考文献
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