自动装弹机测试性验证平台需求与方案设计

罗建华,王庆树,李 华

(陆军装甲兵学院， 北京 100072)

测试性是指能及时、可靠地确定产品的状态(可工作、不可工作、性能下降)并对其内部故障进行隔离的能力[1],是在产品设计时即被赋予的一种固有属性。产品的测试性设计水平高低对于装备的维修保障水平、战备完好性以及全寿命周期费用等方面都有着决定性的作用[2]。近年来，随着通信、计算机以及总线控制技术的飞速发展，现代武器系统设计日趋复杂，操作规程日趋简单，功能实现日趋智能,测试性设计的地位凸显,与之对应的测试性验证工作更显重要[3]。测试性验证(试验)是指通过注入一定数量故障的方式使产品发生故障,进而用测试性设计规定的测试方法进行检测与隔离,并按其结果来估计判断产品的测试性水平的过程,最终成为决定接收或拒收的依据[4]。

自动装弹机是一种机电一体化的复杂系统，工作流程持续时间相对短暂，故障征兆较少且一旦出现后不易排除。在自动装弹机的测试性检测、验证方面，张振山等[5]开发了一套便携式智能故障检测系统，实现了对自动装弹机主要电气部件的综合测试。李向荣等[6]利用petri网构建了自动装弹机故障模型，并建立了状态方程与关联矩阵，提高了故障的快速诊断推理效率。李培富等[7]设计了一种基于DSP控制的自动装弹机控制系统，使控制系统的可测试性有了一定提高，操作也更加简便。张振山等[8]研发了一种基于神经网络的故障诊断专家系统，既可以实现对电控系统的故障检测,也可以考核程控盒的技术状况。邵思杰等[9]设计了一种安装于各执行机构与程控盒之间的故障注入器，通过改变控制信号的方式实现了故障仿真注入。

针对测试性验证的需求,本文基于故障注入技术,面向自动装弹机系统这一具体对象设计了一种测试性验证平台,为自动装弹机使用期间的测试性验证提供了一种设计思路。

1 自动装弹机工作原理

自动装弹机主要由执行部件(旋转输弹机、提升机、推弹机、开窗机构、抛壳机、火炮闭锁器)、控制系统(程控盒)、显示系统(弹量指示器)、PC机(装弹操纵台、弹种选择开关、装弹按钮、调炮器)、信息反馈系统(闩体触点、后坐触点)和控制电缆等部分组成。本平台主要对自动装弹机控制系统进行测试性验证，该系统主要由控制模块、驱动模块和电源组成。各系统功能如下：

1) 控制模块：通过多种传感器采集各类状态信号，并对执行部件进行管理。

2) 驱动模块：接收各类控制信号，驱动执行部件进行动作。

3) 电源：为控制系统供电并通过电压、电流信号的变化监控系统供电状态。

如图1所示，其工作流程如下：控制系统接收到PC机的命令后向驱动系统发出指令，开启自动装填流程:驱动系统向执行部件按照时序发出相应动作指令；执行部件在按照驱动系统指令执行动作后，触点开关判定是否按照正常程序完成动作，并将完成信息反馈给控制系统；该信息由控制系统采集、分析后判定执行部件工作状态(正常、故障)，并将结果上传给弹量指示器显示。

图1 自动装弹机系统工作流程框图

2 验证平台需求分析

自动装弹机测试性验证平台通过故障注入的方式对某型坦克自动装弹机测试性设计进行验证。针对这一基本问题，验证平台的构建可以分解为自动装弹机控制信号模拟、测试性设计与测试性验证3个关键问题：

1) 自动装弹机控制信号模拟

在控制模块经驱动模块输出控制指令后，自动装弹机六大执行部件执行各动作程序，同时控制模块采集各执行部件有关状态信息，尔后再按照一定的程序经驱动模块输出下一组的驱动信号。因此，盒箱中的控制模块主要就是按照设计好的既定逻辑和时序，控制各类信号的传递。在对自动装弹机进行故障注入过程中，无论采用何种方式，其最终结果都是通过改变控制模块发出的控制信号来实现。基于验证平台的需求，控制信号模拟应完成以下两个方面的功能：一是能够采集和模拟各执行部件的状态信号，二是能够模拟各类控制信号。

2) 测试性设计

根据验证平台需求，针对自动装弹机的测试性设计主要完成以下测试功能：性能检测、故障检测、故障隔离。性能检测指在产品连续工作的同时，对选定的性能参数进行周期性的观察，以确定产品是否按照既定要求工作的过程。故障检测指发现产品存在故障的过程。故障隔离指把故障定位到具体可实施维修或更换的产品组成单元的过程。

3) 测试性验证

根据GJB2547A—2012要求，应选择一定数量的典型故障，并将其注入到自动装弹机控制系统(程控盒)，从而对其测试性设计水平进行验证。故障注入是指采用人工方式有针对性的模拟特定故障，并将其施加于被测对象，同时观测、收集测试诊断系统所输出的检测、隔离成败结果，进而评价被测对象的测试性水平[10]。故障注入通常由4个环节构成：选择故障，执行注入，监视行为，分析结果[11]。

3 测试性验证平台设计

3.1 测试性验证方法

根据测试性验证要求,需对被测系统进行故障注入。设被测单元(UUT)由若干模块组成,试验时,利用故障注入器将预选的典型故障样本注入到系统相应部分,以造成系统的故障，从而验证被测系统的内部测试设备(BIT)的各项测试性指标。其注入原理如图2所示。由原理图可知，最简便易行的方法是将故障注入到各模块或各个模块的连接处,但事实上很难实现每次都可以找到可注入的等效故障样本。

图2 测试性验证原理框图

故障注入技术有多种分类方法，常见的有按试验对象和运行环境分为基于模拟环境中的故障注入和基于真实原型系统(物理)中的故障注入方法，按照所注入的类型分为硬件注入和软件注入等。第一种分类方法容易理解，第二种的区别在于硬件注入主要是通过附加外接硬件设备实现，软件注入则是通过修改存储器或寄存器的指令或状态信号来进行模拟[12]。对于自动装弹机而言，由于执行机构体积庞大，仿真平台开发困难且发生故障难以修复，而程控盒控制模块的主要功能就是按照一定的逻辑和时序来控制各类信号的传递，各执行机构也是在程控盒驱动模块的输出信号作用下响应执行各类动作，因而可借鉴软件故障注入的思想，对程控盒的输入/输出信号进行叠加，通过修改存储器内容对自动装弹机系统的有关信号进行控制，模拟执行部件和程控盒控制指令的各类故障，进而实现故障注入。

3.2 测试性验证平台构建

如图3示,自动装弹机测试性验证平台总共选取了10种故障信号进行注入,通过FPGA控制模拟开关实现。所有故障信号由故障注入系统统一管理,通过上位机下达各类控制指令。同时,控制模块接收各执行部件和闩体触点、后坐触点反馈的信号。通过分析回传的状态信号检测和隔离故障。

选取的故障注入信号及导致的故障现象如表1所示。

图3 自动装弹机测试性验证平台硬件框图

表1 故障注入信号与对应结果

3.3 工作流程

验证平台工作流程如图4所示。系统上电开始运行,首先配置通信，而后进行硬件初始化,检测采集自动装弹机各执行部件输出的状态信号，然后等待运行。自检结束后，进入系统主界面，根据用户选择注入相应的故障。此时自动装弹流程继续运行,上位机将发现执行部件输出的状态信号存在异常,通过分析之后将异常信号进行隔离,并将诊断结果在上位机上显示。每进行一次新的故障注入,都要先取消上次所选故障。

图4 自动装弹机测试性验证平台工作流程框图

4 结束语

验证平台在程控盒的输入/输出信号的基础上进行了故障注入，尚未考虑程控盒控制模块、驱动模块以及电源自身故障，对自动装弹机整体的故障种类和数量设计得还不够全面。今后需进一步关注逻辑级、芯片管脚级等方面的故障，为自动装弹机测试性设计做更加完善的验证。