面向航空环境的电子元器件应用验证方法研究

张亚琼，孙东旭

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

航空电子元器件是构成航空电子设备的基石，是实现飞行器功能性能和可靠性的基础，元器件的选用直接影响了飞行器的任务和安全，因此，在元器件大规模使用于航空产品前对其进行应用验证具有重要意义。

ARINC429总线是美国航空无线电公司制定的航空数字总线传输标准，定义了航空电子设备和系统之间的一种通信规范[1]。ARINC429协议规定使用双绞屏蔽线以串行方式传输数字数据信息，信息为单向传输。总线的数据传输率为12.5～100 kbps，发送速度有高速和低速两种。

本文将以ARINC429总线发送器为例，介绍应用验证的思路和基本流程。

1 应用验证基本流程

航空元器件应用验证是指在应用于航空器产品之前展开的一连串试验、验证、分析、评价和得出综合结论的一个过程，用来明确元器件的可靠性、成熟度和适用于航空器的适用性[2]。

首先根据被验证器件的厂家和用户开展相对应的研制调研和用户调研，其中研制调研由第三方应用验证机构向元器件生产厂家发送调研请求，用户调研由应用验证机构对该元器件的进口器件的应用单位开展调研，调研的形式可以为发放研制调研表或用户需求调研表、专人调研和电话沟通等方式[3]。通过对研制厂家和用户进行深入调研，应用验证机构需要将调研得来的相关材料和信息汇总分类，罗列出所用研制信息和用户需求并形成一份完整的应用验证要求。根据应用验证要求，验证机构组织专人进行该器件的应用验证，验证通用板卡的研制和生产，与此同时，针对验证板卡的器件级和板级特性[3]，梳理验证项目和试验项目，明确验证指标体系，从而制定出应用验证试验方案。根据验证方案实施相关的器件级和板级验证。验证结束后，分析验证条目和实验结果，形成验证结论和应用验证指南。

2 应用验证调研过程

应用验证调研分为研制调研和用户调研，典型的调研过程如图1所示。

图1 应用验证调研过程

研制调研的对象是元器件研制单位，研制信息主要包括产品特性、产品研制生产情况、产品鉴定情况、供应链情况，以及厂家支撑的可信数据列表[4]。其中产品特性主要来源于器件实物与厂家提供的元器件手册和详细规范等，根据这些支撑文件对元器件的外观、功能性能参数、设计结构和工艺特性参数进行归纳总结。产品研制生产情况需要考核该研制厂家的研制过程，包括立项时间，初样时间、正样时间及鉴定情况等。

用户需求调研的对象是元器件应用单位，应用验证机构根据该器件的现有使用情况对相关的用户发出调研请求，通过发放调研表和电话咨询等方式获得用户需求。用户需求调研的主要内容分为三大部分：用户设备级要求、器件级要求和装联要求，具体如图2所示。

图2 用户需求调研

需要特别注意的是，在对用户需求进行汇总形成应用验证要求时，针对任意一方面，需要对多家用户的需求取最严苛的范围。以ARINC429总线发送器芯片的贮存温度为例，经统计，发现5家用户的贮存温度范围需求为-55 ℃～+70 ℃，2家用户的贮存温度范围需求为0 ℃～+35 ℃，因此，该项器件贮存温度的应用验证要求范围应为-55 ℃～+70 ℃。

3 应用验证过程

在应用验证调研过程开展完毕后，形成一份详细的应用验证要求，应用验证人员需要根据该要求进行验证板卡的研制以及明确验证项目，本文以某型ARINC429发送器为例(文中简称ARINC429发送器)，介绍应用验证过程。

3.1 样品选择

应用验证元器件试验样品应该从与鉴定检验批次产品拘束状态相同，筛选应遵循以下原则：

1) 样品应从研制厂家采购，必须通过器件老化筛选、产品测试合格，具有出厂合格证[5]。

2) 应遵循简单随机抽样的方式抽取样品。

3.2 验证板卡的设计

ARINC429总线发送器验证板卡以FPGA作为核心器件，其主要完成对ARINC429总线发送器的功能测试、数据的采样保存和控制、比对、数据传输、串口输出等功能。验证工装提供温度、振动等环境试验的安装平台，提供28 V-5 V的电源转换功能，示波器实现对ARINC429总线发送器的信号特性测量，其总体架构如图3所示。

图3 验证板卡架构

器件电路设计如图4所示，其中V+和V-引脚分别连接电源电路输出12 V～15 V的正电压和-15 V～-12 V的负电压，VREF引脚接收FPGA的基准电压输入信号，用于调节输出电压幅度；DATA(A)和DATA(B)引脚接收FPGA的ARNC429逻辑信号输入，并转换为±5 V的差分信号，通过AOUT、BOUT引脚输出。

图4 器件ARINC429发送器电路设计

3.3 应用验证项目设置

应用验证项目主要从以下四个方面考虑：生产过程评价项目、功能性能因素验证项目、质量可靠性验证项目和应用适应性项目[6]。应用验证指标体系也从上述验证项目中产出。

生产过程要素主要从厂家的设计能力、制造和工艺、过程控制以及自主可控能力四个角度验证。设计能力主要考察元器件研制厂家的元器件设计能力，包括设计团队资历。芯片以及管壳的设计能力、设计工具和文件的完备性等；制造和工艺主要考察元器件厂家的生产线的成熟度[7]；过程控制考察其关键工艺和材料的控制，包装、标识的可靠性等；自主可控能力考察元器件差价的关键原材料和零部件的自主可控能力，以及设计、工艺、封装等全产业链的自主可控能力。

功能性能验证是元器件应用验证的核心任务。根据429用户需求和元器件特征，总结出ARINC429发送器需要验证的功能项目为：429协议电平符合性、通信速率验证、传输延迟功能验证。该项目的验证在第3.4节介绍。

质量可靠性验证项目主要考察元器件研制厂家的设计可靠性、工艺/结构/材料可靠性以及可靠性试验的情况。设计可靠性对器件的设计文件是否遵循设计规则、电气规则、可靠性规则等检查；工艺/结构/材料可靠性主要目的是为了查明元器件的设计、结构、工艺质量、所用材料等潜在的固有可靠性隐患；可靠性试验采用稳态寿命试验，目的是评价元器件稳态工作的寿命能力。

应用适应性验证项目主要验证元器件的工艺适应性、系统适应性和环境适应性。工艺适应性主要考察器件引脚的可焊性以及焊接适应性；系统适应性试验主要验证器件硬件的兼容性和适配性、电源适应性以及工作稳定性；环境适应性主要为了验证器件在具体应用过程中承受的环境应力，是否能正常工作，满足用户需求。常见的环境适应性验证项目包括高低温贮存和高低温工作。

3.4 ARINC429发送器的功能性能验证

ARINC429发送器需要验证的功能项目为：ARINC429协议电平符合性、通信速率验证、传输延迟功能验证。

其中ARINC429电平协议符合性和通信速率验证是由用户需求调研得来并总结出的用户对该器件的功能要求。用户要求能够实现ARINC429总线数据通信，且速率达到协议规定的速率标准。传输延迟功能验证要求来源于该芯片的设计特征和ARINC总线的特征。

1) ARINC429总线协议电平符合性

验证方法：控制ARINC429发送器的429信号输出至ARINC429测试设备，使用高速示波器，对429链路信号进行捕获，判断信号的差分信号幅度是否符合总线规范特性及电平是否与总线规范一致。

验证判据如表1所示，根据输入差分信号的电平状态，通过输出AOUT引脚、BOUT引脚以及地的电压关系来判断其电平的ARINC429总线协议符合性。

表1 电平协议符合性验证判据

2) 通信速率验证

验证方法：通过配置FPGA的ARINC429总线速率为12.5 kbps和100 kbps，控制ARINC429发送器的429信号输出至ARINC429测试设备，用程序产生16个伪随机数，启动429对产生的数据进行数据发送，接收到数据后将接收的数据保存，将保存的接收数据和发送的数据做比较。

外部总线功能验证判据如下：接收数据和发送的数据完全一致。

3) 传输延迟功能验证

传输延迟功能验证要求来源于该芯片的设计特征和ARINC总线的特征，ARINC总线的数据传输率有高速和低速两种，其中低速为12.5 kbps，高速为100 kbps。如图4所示，该芯片通过改变外接CA，CB电容大小来调节上升、下降时间，使得芯片工作于高速和低速两种模式，其中高速模式下CA=CB=75 pf，低速模式下CA=CB=300 pf。

验证方法：控制ARINC429发送器的429信号输出至ARINC429测试设备，使用高速示波器，对429链路信号进行电平斜坡信号测试，同时使用控制软件读取电平上升或下降时间。

验证该功能的判据为：当CA/CB=75 pF，则电容电平充放电时间为1～2 us；当CA/CB=300 pF，则电容电平充放电时间为3～9 us。

4 结束语

随着元器件在航空器产品中的应用需求逐步增加，关键元器件的应用验证工作显得尤为重要[7]。为保证国产航空元器件的可靠性，本文以ARINC429总线发送器为例，详细介绍了应用验证过程的思路和方法，从如何调研、如何验证到指标的选取思路，介绍了应用验证的具体实践过程。在具体验证实践过程中，证明本文思路和方法的有效性。