电测培训课件

机内测试（BIT）技术贵州航天职业技术学院李强2009-12机内测试技术的概念•机内测试(Built-inTest，简称BIT)技术是系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试能力，是复杂系统或设备整体设计、分系统设计、状态监测、故障诊断和维修决策等方面的关键共性技术。机内测试技术的作用一般来说BIT具有以下几个方面的重要作用：•①提高诊断能力：具有良好层次性设计的BIT可以测试芯片、电路板、系统各级故障，实现故障检测、故障隔离自动化；•②简化设备维修：BIT的应用可以大量减少维修资料、通用测试设备、备件补给库存量、维修人员数量；•③降低总体费用：BIT虽然在一定程度上增加了产品设计难度和生产成本，但综合试验、维修、检测和提高产品可靠性、可用性等各个方面来看，能显著降低产品全寿命周期费用。机内测试技术的作用•美国海军对飞机的调查研究资料表明，若对F/A-18、F-14、A-6E、S-3A四个机种的239项关键产品的测试性、可靠性、维修性进行BIT技术改造，将减少维修费用30%。美国ITT公司生产的新一代SPS-48E型雷达采用BIT技术，使系统试验时间减少了50%，设备安装时间缩短了50%，人员培训课时间减少了25%。机内测试技术的实现•微电子技术已经进入超大规模集成电路（VLSI）时代。随着芯片电路的小型化及表面封装技术（SMT）和电路板组装技术的发展，使得传统测试技术面临着巨大的挑战。在这种情况下,为了提高电路和系统的可测试性，联合测试行动小组（JTAG）于1987年提出了一种新的电路板测试方法——边界扫描测试，并于1990年被IEEE接纳，形成了IEEE1149.1标准,也称为JTAG标准]。这种技术以全新的“虚拟探针”代替传统的“物理探针”来提高电路和系统的可测性。由于JTAG标准的通用性很好,现在许多IC公司都提供了支持边界扫描机制的IC芯片，甚至部分FPGA和CPLD芯片也采用了这一技术。机内测试技术的实现•边界扫描期间置换用同功能的边界扫描期间置换原器件从而使其所在电路板包含边界扫描结构，实现电路板信息的可控和可观测。•板级边界扫描结构置入采用具有边界扫描功能的FPGA和CPLD芯片进行设计置入。（无同功能器件置换时采用）国外BIT技术发展情况•国外的BIT技术研究主要由大型航空公司（如波音公司、休斯公司和格鲁曼公司）和军火生产企业（如瑞士的厄里空—康特拉夫斯公司）发起。其理论和技术都代表了世界领先水平。•国外最早制订BIT设计规范的是美国航空无线电公司，它制定的ARINC604《BITE设计和使用指南》和ARINC624《机载维修设计指南》为美国民用飞机的BIT规范化设计和推广应用发挥了重要作用。国外BIT技术发展情况•上世纪70年代后期，美国国防部率先制订了军用装备的BIT设计指南，用于统一武器装备的BIT设计规范。•1978年美国国防部颁发的MIL—STD—471A通告2——《设备或系统的BIT、外部测试、故障隔离和测试性特性要求的验证及评价》规定了测试性的验证及评价方法及程序。国外BIT技术发展情况•1983年美国国防部颁发的MIL—STD—470A《系统及设备维修性管理大纲》特别强调测试性是维修性大纲的一个重要组成部分，承认BIT不仅对维修性设计特性影响重大，而且影响到武器系统的采购及全寿命周期费用。•以上军标的制订和执行使得BIT技术在上世纪80年代迅速地应用于飞机、舰船、战车等领域。90年代美军新一代装备从系统设计研制开始就非常重视BIT技术的设计和应用，使得美军新一代武器装备的维修性、测试性及战备完好性都上了一个新台阶。国内BIT技术发展情况•我国BIT技术的起步大致从20世纪80年代中后期开始。如611所的“BIT技术在非电子系统和设备中的应用研究”；301所、628所和北京航空航天大学合作出版了有关BIT、测试性专著，并开发了BIT、测试性分析软件；28所正在制定“指挥自动化系统监控BITE行业规范”。国内BIT技术发展情况•国内目前对BIT的研究和应用主要集中在型号任务中，特别是在雷达系统和机载设备中已取得了良好效果，而对BIT基础理论和方法研究相对薄弱[1]，对BIT的研究大致处于美国20世纪90年代初期水平。•目前，我国制导BIT分析、设计、验证和管理的国军标GIB2547《装备测试性大纲》已经颁发，为武器装备研制规定了明确的BIT指标（如故障检测率、故障隔离率和虚警率等）。将极大地推动我国BIT技术的研究和应用常规BIT技术•余度BIT技术•环绕BIT技术•并行测试技术•特征分析BIT•机内逻辑块观察技术•扫描技术•参数测试BIT•电压求和BIT•编码检错技术常规BIT技术的局限性•由于常规BIT的理论局限性，电子设备的BIT虚警率一直居高不下。高虚警率不仅直接影响了BIT系统的有效性，而且会对系统任务的完成以及系统的可用性、维修和备件等产生不利的影响，甚至造成使用人员对其丧失信心常规BIT技术的局限性•产生BIT虚警的原因大致可归纳为以下9种：设计者的假设不当；BIT设计不适合系统的实际情况；测试门限值/容差不合理；BIT或其它监测电路失效；错误的故障隔离；正常系统的偶然故障或偶然的性能变化；不适当激励或干扰；时间环境应力；间歇故障的影响等等。其中最主要的是时间环境应力和间歇故障。智能BIT的产生•为解决常规BIT故障诊断能力差、虚警率高、不能复现率高及重检合格率高等问题，国内外学者提出了许多方法，其中最有效的就是将神经网络、专家系统、模糊逻辑等人工智能理论和方法引入到BIT故障诊断中而产生的智能BIT技术。智能BIT技术•智能BIT就是将包括专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等在内的智能理论应用到BIT的设计、检测、诊断、决策等方面，提高BIT综合效能，从而降低设备全寿命周期费用的理论、技术和方法。它主要包含BIT智能设计、BIT智能检测、BIT智能诊断和BIT智能决策四个方面。智能BIT国外研究和发展概况•智能BIT的研究主要在美国空军的怀特实验室(WL)和罗姆航空发展中心(RADC)展开。总体来说，RADC对智能BIT的研究是最为系统的。•1986年，RADC与格鲁门航空公司开发出了集成BIT、信息增强BIT、改进决策BIT和维修历史BIT四种SmartBIT（灵巧BIT）技术，并以E2-C机载电子系统飞行过程性能监控器(FPM)分系统中的信号转换器读数与报警模块(SCRAM)为演示对象，对信息增强BIT和改进决策BIT两种技术进行了应用仿真，结果表明AI技术可以在不增加额外测试节点或故障覆盖的情况下检测虚警或间歇性。智能BIT国外研究和发展概况•1990年，RADC再次与格鲁门公司研究出了自适应BIT技术，包括K最近邻算法、BP神经网络算法、瞬态监控器的Markov模型，并在能代表现代航空电子复杂性的F111A/E航空电子现代化计划中的电子系统及其相连接的标准中央大气数据计算机(SCADC)进行了实验室仿真验证，结果表明：标准BIT只能报告被测单元是硬故障状态或是正常状态，而SmartBIT通过使用附加信息(被测单元输入/输出、环境传感器输入)可以报告被测单元的附加间歇态及其转移概率。智能BIT国外研究和发展概况•1986年，RADC还与Honeywell公司签署了时间应力测量装置的合同，开发了一种用于记录机载设备所经历和承受的各种环境应力和电应力的时间历程的TSMD装置(如图1所示)。该装置主要目的是用于记录机载设备所经历和承受的各种环境应力与电应力的时间历程，为获取BIT智能故障诊断用的环境数据提供了有力保障。智能BIT国外研究和发展概况主电源电压温度传感器湿度传感器侵蚀传感器加速度传感器信号A/D转换器控制器非易失存储器系统时钟用户接口TSMD结构示意图智能BIT国外研究和发展概况•RADC与格鲁门公司签署了一个继续研究合同F30602-86-C-0272，探讨把灵巧BIT技术嵌入联合监视目标攻击雷达(简称联合之星)的可行性，该计划与“SmartBIT-2”计划一起为把智能BIT技术改装到联合之星的电子系统中打下了基础。智能BIT国外研究和发展概况•1989年9月，RADC又一次与格鲁门公司签署合同，对智能BIT技术与TSMD技术进行综合研究，目的是将这两项技术集成到一个系统内，运用AI技术对LRUBIT收集的信息和来自TSMD的环境信息进行综合分析，以更准确地确定LRU的真实状态，大大提高识别虚警和故障判断能力。为此目的，格鲁门公司还在实验室内专门开发了智能BIT/TSMD综合实验台。智能BIT国外研究和发展概况•1989年，RADC还与WestingHouse公司签署了一种称为“临界检查”(MarginalChecking，简称MC)的BIT状态预测技术研究计划，采用热量信号、红外图像、声音信号、振动信号、电磁信号、电参数的趋势变化和偏差信号、噪声信号等来预测被测单元(UUT)的发展状态，用于在线维修时增加操作准备时间、提高任务成功率。该技术是对智能BIT技术的有力补充。智能BIT是判断当前BIT故障指示的有效性，MC技术是判断即将发生故障的可能性。智能BIT国外研究和发展概况•1992年9月，RADC与Raytheon公司签署了代号为ADA293097的合同，研究开发神经网络虚警滤波器(NNFAF)，如图2所示，其目的是研究运用神经网络技术准确滤除振动、温度等各种复杂环境应力产生的BIT虚警的能力，以提高BIT的自适应能力。该项目历时两年，运用BP、BPTT、SPR、增强网络等多种神经网络技术对BIT技术和典型环境应力进行了关联分析，并以卫星通信终端(MILSARCOM)为仿真对象进行了实验研究，结果表明：神经网络技术可以有效的滤除BIT虚警、识别BIT间歇故障和硬故障。至此，RADC的智能BIT研究告一段落。智能BIT国外研究和发展概况NNFAF结构示意图BIT被测单元温度TSMD…压力振动………正常态/间歇态/故障态智能BIT国外研究和发展概况•美空军WL实验室在1983年完成ITM研究的基础上，又联合Honeywell公司、GE公司和麦道公司等开展了几项与系统级智能BIT有关的应用研究项目，主要有：F-15/F-16的自修复数字飞行控制系统(SRFCS)和飞控维修诊断系统(FCMDS)、B1-B中央综合测试系统(CITS)专家参数系统(CEPS)、“宝石柱航空电子结构”的先进维修技术项目等。这些项目的主要目的之一就是利用专家系统技术增强机上故障诊断能力，降低虚警、CND和RTOK。智能BIT国外研究和发展概况•Raytheon公司在1994年完成RADC的NNFAF项目基础上，于1996年又完成了美国国防先进研究计划属(DARPA)和美国陆军联合策划的“全球卫星通信维修(GMM)”合同项目，设计开发出一种基于BIT设计的综合决策与维修专家系统。该系统综合运用神经网络和专家系统等AI技术，结合故障历史数据库、趋势分析和异常检侧工具库、维修记录数据库等，以卫星通信为手段，把军队维修中心的维修数据、专家知识、更新软件传输到野战维修终端，增强了野战维修终端中BIT的诊断决策能力，减少了虚警和误拆。智能BIT国外研究和发展概况•NASA也开展了一些智能BIT研究，如由NASA兰利研究中心1990年资助完成的机上故障监控和故障诊断用飞行专家系统(FLES)和NASA1995年资助开展的航天飞机的飞行器综合健康管理系统的模糊逻辑智能诊断系统等。智能BIT国外研究和发展概况•1989年格鲁门航空公司的Monahos等人开发了一个CADBIT系统，1993年休斯航空公司的Davis等人开发出了CADBITⅡ系统[32]，这两个系统在不同程度上采用优化设计技术和专家系统实现了计算机辅助智能BIT设计；1991年NajmiJarwala[33]和1992年Ferrerira分别提出了基于边界扫描的分布式板级智能BIT测试技术，克服了测试复杂数字电路板的技术障碍。智能BIT国外研究和发展概况•最近十年来国外关于智能BIT的研究成果大都还处于保密期内，鲜见报导