综合化CNI 设备测试系统的设计*

童大鹏

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

通信导航识别系统(Communication，Navigation and Identification，CNI)是航空电子系统的重要组成部分，在此基础上发展起来的综合化通信导航识别(Integrated CNI，ICNI)设备以通用模块为基础，加强设备的冗余备份和资源重构以提高传感器功能、执行任务的冗余度和可靠性［1－2］，但与此同时会使ICNI 设备的测试及故障定位更加复杂，从而对所需测试系统的系统集成、故障检测和隔离能力提出了更高要求。目前，国内外对ICNI 设备测试系统的研究论著较少，有基于VXI 总线实现对ICNI 设备的自动测试［3］，该方法需要嵌入式控制器、零槽管理器及机箱，测试成本很高并未有效推广。当前ICNI 设备测试通常采用传统三代联合式CNI 设备测试方法，即采用多种传感器激励设备，配置大量人力分别对ICNI设备进行测试，在ICNI 设备发生故障时，通常依靠设计师经验或需要较多人员根据信号流向分段排故，这种系统集成、故障检测手段已不能满足项目数量的急剧增加以及航空电子系统高度智能化的发展方向。针对上述不足，本文借鉴ICNI 设备综合模块化设计思想，提出一种激励设备模块化和采用故障诊断专家系统的综合测试系统，以降低系统集成与保障费用，提高管理故障发生和规划维修的能力［4］。

2 系统设计

ICNI 设备测试系统需要实现机载设备运行状态和参数信息实时控制、传感器功能定性及定量系统验证、系统机内测试(Built－in Test，BIT)功能验证、冗余和重构能力验证、飞行全阶段动态模拟验证，同时还需要为装备的自动故障诊断及自主保障建立专家系统。

根据以上需求，测试系统由传感器功能激励、ICNI 设备及测试系统控制、指标参数测量和支撑设备等部分组成，其系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图Fig.1 System composition diagram

2.1 硬件设计

硬件系统核心部分由功能激励模块和电平调理模块组成，平台支撑部分包括无线电综合测试仪、通用信号源以及工业控制计算机、ICNI 设备电源及低频接口适配盒。

2.1.1 功能激励模块

功能激励模块用于替代功能测试专用设备，为ICNI 设备提供符合传感器射频传输格式的信号，分为通信功能模块、导航功能模块、识别航管功能模块、高度表功能模块、罗盘功能模块和信标功能模块:通信功能模块实现短波、超短波话音及数据通信功能;导航功能模块实现塔康(TACAN)、精密测距、微波着陆功能;识别航管功能模块实现敌我识别(IFF)询问、应答及空中交通管制功能;高度表功能模块实现无线电测高功能;罗盘功能模块实现无线电罗盘功能;信标功能模块实现指点信标功能。

2.1.2 电平调理模块

电平调理模块由衰减器阵列、电子开关网络及控制电路组成，用于匹配ICNI 设备与测试系统射频信号的接收范围及幅度，并通过总线控制实现多种天线接口的自动切换。

2.2 软件设计

系统软件部分由ICNI 设备控制软件、测试系统控制软件、系统接口软件和故障诊断专家系统组成。

2.2.1 ICNI 设备控制软件

ICNI 设备控制软件根据功能需求分为状态查询模块、资源配置模块、数据采集模块和系统重构模块。

(1)状态查询模块软件设计

状态查询模块用于对ICNI 设备内部各模块及传感器功能的状态查询指令、BIT 指令和电子标签中关键信息进行解析，获取模块BIT 之后正常或故障状态，获取接口控制模块、信号处理模块及信道模块各状态参数信息，同时查询综合化UHF/VHF 频段、L 频段和特殊频段传感器功能，得出指标是否在正常范围之内以及指标是否有下降或偏移。软件流程如图2所示。

图2 状态查询模块软件流程图Fig.4 Flow chart of function and module status query program package software

(2)资源配置模块软件设计

资源配置模块根据飞机飞行仿真剧情实时控制机载设备工作模式、参数信息，验证系统传感器功能，是测试系统主要应用软件，其流程如图3所示。

图3 资源配置模块软件流程图Fig.5 Flow chart of resource allocation program package software

(3)数据采集模块软件设计

数据采集模块用于把传感器数据(包括塔康、微波着陆、仪表着陆、精密测距、高度表、罗盘和信标)通过1553B 总线或429 总线周期性在人机界面上显示，软件流程如图4所示。

图4 数据采集模块软件流程图Fig.4 Flow chart of data acquisition program package software

(4)系统重构模块软件设计

系统重构模块用于验证ICNI 设备冗余和重构能力，通过注入模拟故障信息，查询系统是否采用冗余通道或占用低优先级功能通道，查询并测试重构后的功能资源配置状态，软件流程如图5所示。

图5 系统重构模块软件流程图Fig.5 Flow chart of fault injection program package software

2.2.2 测试系统控制软件

测试系统控制软件用于管理、调度测试系统中各功能激励模块、电平调理模块及通用测试仪器。该软件驻留在工业控制计算机，借鉴ICNI 设备内部核心控制软件设计思路，建立多任务线程，根据测试要求控制功能激励模块处于不同的收发工作模式、产生激励信号或接收射频信号并经滤波、下变频到中频信号，最终得到基带信号送至计算机端进行处理，控制电平调理模块处于不同的衰减量，测试动态范围、接收灵敏度等指标，并通过控制内部的电子开关阵列，无缝切换UHF/VHF 左右天线、L 频段上下天线及独特信道天线。

2.2.3 系统接口软件

系统接口软件按接口类型分为硬件接口模块和人机交互模块。硬件接口模块软件是为应用程序提供硬件接口驱动函数，主要功能为硬件设备的创建、关闭与管理，硬件信息的维护与更新，与硬件接口的数据收发，设计重点是考虑驱动程序可靠性，按总线协议及器件资料完成硬件初始化、中断服务程序和接口功能程序。人机交互模块软件提供人机交互信息接口，包括实现对应用软件所需输入输出接口的集中管理和控制，并提供各种参数、状态等信息的有序化显示，采用选择菜单与按键相配合的操作方式。人机交互模块软件考虑如何最大限度利于用户使用，提供友善的人机接口。

3 重点技术问题研究

3.1 BIT 设计

BIT 是指设备、分机、模块内部具有自动检测及隔离故障的测试能力［5］。本文BIT 设计根据通用及专用模块或功能特点采用不同设计策略:对于由通用模块组成的传感器功能，例如UHF/VHF 话音通信功能、IFF 询问功能、TACAN 功能等，采用冗余模块替换进行检测，并通过中频信号处理模块产生激励信号进行传感器功能收发信道闭环检测。对于独特模块组成传感器功能，由于其特殊信道只具有单收或半双工能力，BIT 设计将主要依靠检测特殊模块内部的状态检测点来进行。本文中采用了加电BIT、周期BIT 和维护BIT 三种方式:在ICNI 设备每次上电启动或复位时，读取ICNI 设备的健康状态并提供MFL 和PFL 清单;根据系统、功能、模块不同的任务规划周期执行周期BIT;提供手动维护BIT，激发ICNI 设备解除所有功能、配置所有功能，并重新上报模块维护状态信息表，在维护BIT 进行过程中，ICNI 设备不响应外界控制。

设备级BIT 管理采用集中处理方式，由核心控制模块完成，实现BIT 启动、BIT 信息集中采集、BIT综合判决、BIT 信息记录、故障注入管理、故障决策、故障输出;控制类模块级BIT 管理核心为中央处理器，射频类模块BIT 测试信息处理单元为控制部件子板;功能级BIT 管理核心为信号处理模块，完成测试信息的激励、检测信息的分析、各模块状态的收集。

3.2 故障诊断专家系统设计

本文专家系统的知识库采用规则和案例两种表示方法，规则采用一系列的if(前提条件)then(结论)，案例采用根据导致特定结果的一系列特征属性的集合［6］;知识获取来源于ICNI 设备各级模块、功能的故障模式及影响分析(FMEA)，推理方法则采用了混合推理控制策略;传感器功能完全失效时，执行基于规则的推理;传感器功能未报故但指标异常时，执行基于案例的推理［7］。

以超短波话音通信功能为例说明专家系统设计方法。超短波话音通信功能故障树如图6所示，根据此故障树建立知识库，见表1～4;确定列表后，建立正向及反向推理算法，正向即如果UHF/VHF 话音功能故障，则有如图6所示的各模块故障情况出现，依层次往下推断;反向即从底层模块或单元开始，向上推断到顶层的功能故障［8］。故障诊断专家系统是以动态库的形式嵌入到测试系统控制软件内，测试系统对ICNI 设备按检验测试规程施加相应激励并读取测试结果与标称值进行比较，结果发生异常时，软件自动调用故障诊断专家系统进行诊断，故障定位到模块或电路级。

图6 超短波话音通信功能故障树Fig.9 Fault tree of UHF/VHF voice communication

表1 功能标识数据表Table 1 Functional identification data table

表2 故障模式标识数据表Table 2 Fault mode identification data table

表3 故障征兆表Table 3 Fault symptom table

表4 故障模式检测方法表Table 4 Fault detection mode method table

4 测试验证分析

本系统已在ICNI 设备系统联试中实际使用，应用表明系统运行良好，能较好地满足ICNI 设备的各种功能需求。功能线程符合性检查表见表5;采用模块故障、总线突发故障、传感器功能指标下降及失效等4 个脚本，验证ICNI 设备重构及冗余能力，得到故障检测率和隔离率如表6所示。

表5 功能线程符合性检查表Table 5 Function thread conformity inspection table

表6 故障检测率和隔离率Table 6 Fault detection rate and fault isolation rate

5 结束语

本文通过采用功能激励模块、BIT 技术、故障诊断专家系统、多任务软件等技术和方法实现了ICNI设备对测试系统的各项功能需求。本系统可用于ICNI 设备设计、开发、维护全部生命周期，包括系统集成、测试验收、维护保障、故障预测、故障检测及故障诊断，对指导ICNI 设备设计和验证具有借鉴意义。该系统已成功应用于ICNI 设备开发维护过程。

由于综合化航空电子系统体系架构决定了ICNI 设备故障模式及影响非常复杂，单个模块或板级电路故障会导致多种传感器功能失效或指标临界漂移，所以完善故障专家系统推理机所采用的策略及解释，以及开发存储诊断问题原始特征的数据库是测试系统难点，可作为下一步测试系统的研究方向之一。

［1］ 乔文昇.机载平台电子信息系统概述［J］.电讯技术，2007，47(3):1－3.QIAO Wensheng. An Overview of the Electronics Information System for Airborne Platforms［J］. Telecommunication Engineering，2007，47(3):1－3.(in Chinese)

［2］ 车颖秋. 航空电子传感器的综合化［J］. 电讯技术，2002，22(3):145－151.CHE Yingqiu. An Overview of Avionic Integrated Sensor［J］. Telecommunication Engineering，2002，22(3):145－151.(in Chinese)

［3］ 孙鑫. 综合化CNI 系统的测试系统设计［J］. 电讯技术，2006(5):194－196.SUN Xin. Design of a Test System for Integrated CNI(ICNI)Systems［J］. Telecommunication Engineering，2006(5):194－196.(in Chinese)

［4］ 陈德煌，戴明亮.综合模块化CNI 系统的特点与维修保障对策［J］.航空维修与工程，2014(3):60－62.CHEN Dehuang，DAI Mingliang.Characteristic and Maintenance Policy of the ICNI system［J］.Aviation Maintenance＆Engineering，2014(3):60－62.(in Chinese)

［5］ 郑文荣，夏清涛. 武器系统BIT 的设计与应用［J］. 舰船电子工程，2012，32(12):131－132.ZHENG Wenrong，XIA Qingtao.Design and Application of BIT in Weaponry system［J］. Ship Electronic Engineering，2012，32(12):131－132.(in Chinese)

［6］ 路亚峰，张涛. 机载电子设备故障诊断专家系统的设计与实现［J］.电子测量技术，2010，33(1):118－120.LU Yafeng，ZHANG Tao. Design and implementation of the fault diagnosis expert system for the airborne electronic equipment［J］. Electronic Measurement Technology，2010，33(1):118－120.(in Chinese)

［7］ 孙海东，吕健. 航空电子系统健康管理专家系统的关键技术综述［J］.电光与控制，2009，16(7):40－44.SUN Haidong，LYU Jian. On Critical Technologies for Health Management Expert System of Avionic System［J］. Electronics Optics ＆ Control，2009，16(7):40－44.(in Chinese)

［8］ GJB/Z 768A－98，故障树分析指南［S］.GJB/Z 768A－ 98，Guide to fault tree analysis［S］.(in Chinese)