可测性设计-1.ppt

系统可测性设计技术,第二部分计划学时：总20航空航天学院何羚heling,前言,可测性是什么？,1,相关技术发展历程,2,授课内容,3,要求和期望,4,1.什么是可测性（测试性）,定义可测性（Testability，亦称测试性）：“系统及设备能及时、准确地确定其工作状态(可工作、不可工作或工作性能下降)并隔离其内部故障的一种设计特性”。通常用故障检测率(FDR)、故障隔离率(FIR)、虚警率(FAR)度量。广义角度上，可测性的内涵主要包括：自动测试设备（AutomaticTestEquipment，ATE）、机内测试（Built-InTest，BIT）重要性可测性与维修性、可靠性密切相关。具有良好的测试性将减少故障检测及隔离时间，进而减少维修时间，改善维修性。系统可测性与系统可靠性共同决定了系统的可信性应用测试性设计（DFT）是实现电子系统、电子设备故障检测和故障隔离的重要手段，在复杂系统中的应用可极大地提高系统的可靠性、可维修性。如要求系统具有高可靠性，测试性设计是系统开发的关键,Why&HowDFT?,Why测试和评价复杂系统是困难的事。仅由输入/输出特性检测来评估系统整体性能的方法不适于复杂系统没有可测试性设计的后果：使用前难以发现产品的设计缺陷；工作时难以检测和诊断故障采用可测试性设计可增加系统的可靠性，提高产品质量，并减少产品投放市场的时间及测试费用How从规范开始：必须在规范中增加系统级测试要求，以增加可控性和可观性。而后，将独立的测试要求转变为实际的软、硬件要求系统划分：明确分离系统的功能和实际软、硬件的运行插入测试功能：单个模块测试模块间交互测试系统测试,DesignForTestability,2.相关技术的发展历程,20世纪80年代,提出“测试性”概念,测试性成为与可靠性、维修性并列的独立学科,在复杂系统、大型装备的研制、生产和使用中，运用测试性设计技术对系统进行总体测试性分析、设计与验证，已经成为通信、导航、航空航天等技术领域的必然。,20世纪70年代,F.Liour等.设备自动测试性设计.1975年,国外研究历程,20世纪70年代以后，半导体集成电路及数字技术迅速发展，设备诊断能力、机内测试（BIT）成为测试性设计的重要内容，BIT技术也成为改进电子设备维修性的重要途径，国外广泛开展了测试性/BIT方面的研究：1978.12：美国防部颁发设备或系统的BIT、外部测试故障隔离和测试性特性要求的验证及评价（MIL-STD-471通告2）20世纪80年代以后，计算机部件小型化和集成化程度越来越高，可测性设计和BIT技术迅速发展并获得广泛应用1985：美国防部颁发电子系统及设备的测试性大纲（MIL-STD-2165）1993.2颁发系统和设备的测试性大纲（MIL-STD-2165A）美、英等国相继开展诊断和人工智能技术应用的研究，以提高武器系统的故障诊断能力,国内研究现状,国内开展测试性/BIT的研究与推广应用比国外晚、近年来进步速度快开展测试性/BIT设计分析工作；开发测试性计算机辅助分析软件开展了较系统的研究。除数字电路测试性/BIT领域外的文献：系统级可测试性理论研究：邵高平.系统级可测试性设计的研究J；申宇皓等.系统级可测试性设计J航空设备和电子设备领域：杨冬健等.航空设备的测试性设计和验证技术概述J；魏忠林等.电子设备测试性设计及系统划分的研究J；张向荣.电子系统维修性,测试性分析与设计方法讨论J；王立梅等.航空电子系统的测试性及仿真研究J；黄考利等.地空导弹系统可测试性设计J军用装备领域装备可测性设计与维修诊断一体化方面：连光耀等.装备测试性设计关键技术研究J；连光耀等.复杂电子装备智能测试性设计技术J；连光耀等.装备测试性设计与维修诊断一体化关键技术研究J,国内研究现状（续1）,在重要系统和设备研制中明确提出了测试性要求，使其故障率降低、检测率提高，并延长全寿命周期、降低全寿命周期费用80年代中期，对新研武器装备提出测试性设计要求；90年代后期，对所有武器装备提出测试性要求，特别是军用飞机上电子设备国军标：装备测试性大纲（GJB-2547-95）、测试与诊断术语（GJB-3385-98）等行业标准：QJ-3050航天产品故障模式、影响及危害性分析指南、QJ-3051航天产品测试性设计准则等,国内研究现状（续2）,目前国内测试性/BIT技术知识尚不够普及，软件工具开发和实用经验方面与先进国家还有差距大部分针对数字电路领域，对于军用装备以及航空航天等复杂系统的系统级可测性设计的研究仍然嫌少尤应在人工智能应用、计算机辅助工具开发和自动化测试性验证技术方面开展研究以航天产品为例，系统测试性设计存在的问题：在顶层设计中对系统测试性有总体考虑，但缺乏明确的技术途径，少有具体的设计要求和指标部分分系统或单机的设计人员自发进行测试性设计，而非有系统、有组织，未发挥系统测试性设计的优势未形成系统的测试性工作流程，测试性设计研制程序与产品设计不同步未形成有效的测试性设计集成环境，设计中更多依赖于设计师的重视程度、设计水平和经验,本课程“可测性设计部分”所讨论的中心问题,在系统设计过程中，应采用怎样的设计思路和方法，才能最大限度地为故障检测和诊断提供方便，以提高系统的测试性水平？,Storiesaboutsurvivingfromaccidents.,前苏联：上升2号人类首个太空英雄的戏剧经历美：阿波罗12号雷神之吻美：阿波罗13号失败的成功中：神舟七号虚惊一场的假火灾,When&HowshouldwefulfillDFT?,测试性设计工作流程：,功能、性能设计与测试性设计并行,3.本部分课程的主要内容,1.概述（故障、诊断及测试性等常用术语基本概念）2.系统测试性设计及其通则（指南性质）3.BIT设计技术系统BIT技术常用BIT设计技术测试点的选择与设置4.系统级BIT系统级测试性设计技术综述故障模式、影响及危害性分析（FMECA）一种适用的系统级BIT架构方案测试性分配5.测试性验证技术测试性验证概述故障样本优化选取方法故障注入方法与注入策略优化测试性综合评估方法,主要参考书籍及论文资料,田仲,石君友.系统测试性设计分析与验证M.北京航空航天大学出版社,2009年10月.张威,王仲.电子系统测试原理M.机械工业出版社,2007年1月.曾天翔.电子设备测试性及诊断技术M.航空工业出版社,1996年.GJB-1391-2006.故障模式、影响及危害性分析指南S.中华人民共和国国家军用标准.GJB-2547-95装备测试性大纲S.中华人民共和国国家军用标准.朱敏.电子系统内建自测试技术研究D.哈尔滨工业大学,2010年.罗志勇.雷达系统智能故障诊断技术研究D.西北工业大学,2006年.李天梅.装备测试性验证试验优化设计与综合评估方法研究D.国防科技大学,2010年.,4.要求和希望,作为系统工程相关专业的硕士研究生，在学习电路与系统的仿真及设计的同时，理应了解测试性概念、并掌握系统级测试性设计的基本方法理论与工程实际相结合，通过对如机载电子系统、通信系统等复杂电子系统的FMECA应用实例，给出完整的系统可测性设计的基本方法和实现过程启发培养分析解决工程问题的能力；为今后复杂电子系统研究和设计打下良好的基础,认真、主动耕耘必有收获！,1.概述（计划学时：2）,1.1故障、诊断及测试性的基本概念1.1.1故障及其后果1.1.2故障诊断1.1.3测试性和机内测试1.1.4测试性验证1.2测试性及诊断技术的发展1.2.1由外部测试到机内测试1.2.2综合诊断、人工智能及CAD的应用1.3常用测试性与诊断术语,1.1故障、诊断及测试性的基本概念,故障（Fault）：产品不能执行规定功能的状态。即，故障是产品已处于一种不合格的状况，是对产品正确状态的任何一种可识别的偏离，这种偏离对特定使用者要求来说是不合格的，已经不能完成规定功能。故障的分类功能故障、潜在故障系统故障、局部故障永久故障、间歇故障硬件故障、软件故障定值故障、非定值故障单故障、多故障不同的故障类型需要不同的检测与诊断方法。一般而言，永久故障、硬件故障、定值故障及单故障的检测和诊断相对较易（讨论对象），而对应的间歇故障、软件故障、非定值故障及多故障检查与诊断较难,故障影响的后果,安全性后果发生故障会对设备使用安全性有直接不利的影响，后果可能会引起人身伤害，甚至机毁人亡。这种后果除来源于对使用安全有直接影响的功能丧失外，还可能来自因某种功能丧失所造成的继发性二次损伤。,使用性后果故障对设备使用能力具有直接不利影响，包括间接经济损失（如工作进度拖延、停工等造成的损失）、直接修理费用。故，每当因排除故障而打断计划好的正常运行时，该故障就具有使用性后果。,非使用性后果故障对设备的使用能力没有直接的不利影响，仅影响直接的修理费用（经济性后果）。如，多余度领航系统的飞机中的1个领航装置出故障，其余领航装置仍可完成领航任务。,隐患性后果没有直接不利影响，但增加了发生多故障的可能，隐含产生直接的不利影响，属于隐蔽功能项目的故障后果。如灭火系统在无需灭火时，表现不出功能是否丧失。,所有故障后果都由系统或设备的设计特性所决定；只有从设计上采取改进措施，才能改变故障后果。,故障诊断,故障检测利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程。故障定位在故障检测之后，进一步确定故障所在大致部位的过程。故障隔离要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次（如可更换单元）的过程。,故障诊断是依据诊断对象运行状态信息，判断其“健康”状况和进行状态识别的过程，与设计人员密切相关。,故障诊断=检测+隔离,故障诊断的研究内容,故障分析一般包括诊断对象的故障机理、故障模式及影响、故障发生概率和故障发展变化规律等。检测技术将代表系统、设备或器件特性和功能的各种参量（物理、化学）通过各种手段转变为能够说明其性能质量指标。故障诊断理论与方法矩阵理论、模糊数学、信息论、信号处理、状态识别、控制论及人工智能等都已应用到故障诊断中。在诊断理论的指导下，形成了各种诊断方法，涉及诊断对象描述与建模方法、故障特征的建立、诊断策略的设计、故障模式的识别等。测试设备的综合通用/专用测试设备、自动测试设备（ATE）和机内测试设备（BITE）等，用于获得诊断对象的状态信息和故障的特征值。,概念析义：测试性、固有测试性、兼容性,测试性：设计时赋予产品的一种固有属性测试是确定产品某种特性的技术操作过程；测试性是产品为故障诊断提供方便的特性；测试性设计（DFT）是为了提高产品自诊断和外部诊断能力，能方便有效地确定产品状态和隔离故障而进行的设计良好的测试性主要标志：自诊断（或自检）能力强；检查维修方便；便于使用外部测试设备进行诊断测试固有测试性：仅取决于系统和设备的硬件设计，而不受测试激励和响应数据影响的测试性对系统进行功能和结构划分便于隔离一键初始化利于重复测试提供观测特性数据、控制产品内部元器件/组件工作和输入测试激励的通路和电路便于检测内部故障兼容性：被测试对象与外部测试设备（ETE）在信号传输、电气和机械接口上相匹配的设计特性。目的是为ATE/ETE测试提供方便，减少或消除大量专用接口装置提高系统和设备的测试性主要途径和方法：进行固有测试性设计、兼容性设计、机内测试（BIT）设计,概念析义：机内测试（BIT）、机内测试设备（BITE）,BIT系统或设备内部提供的自我检测和隔离故障的自动测试能力；也是利用内置的BITE或自测试软/硬件，对产品全部或一部分进行测试的方法。连续BIT周期BIT启动BIT通电BIT主动BIT被动BIT任务前BIT任务中BIT维修BIT分布式BIT集中式BITBITE完成BIT功能的装置、可以识别的硬件和/或软件。,定义？,BIT/BITE示例,一种简单易行的RAMBIT通过读/写功能检查来判定是否存在故障。,脉冲信号的机内测试器件（BITD）,该BITD作为集成固件出现，可用于高频、中频和视频接收机电路中的故障检测与隔离，是模拟电路BITE的主要组成部分。,2端：输入被测视频脉冲/微波信号经检波后的视频脉冲3端：输入被测中频脉冲信号4端：外接偏置电阻，改变比较器参考电压从而调节2、3端信号的检测灵敏度6端：输出TTL电平的状态信号，表示被测信号的状态10端：测试同步脉冲,BITD应用示例,A320飞机的BIT系统,测试性验证,测试性验证通过注入一定数量的故障模式来验证故障诊断能力。主要用于评估故障检测率、故障隔离率指标，及判断测试性设计是否合格。,1.2测试性及诊断技术的发展,1.2.1由外部测试到机内测试外部测试设备（ETE）单机：信号源、示波器、动态信号分析仪标准化、模块化的系列产品：总线系列、数采系列、信号调理系列、波形分析系列、接口系列标准机箱、机柜和电缆组件测控软件开发平台外部测试不能满足实时监控与诊断需求，产生机内测试故障诊断测试由简单到先进、由外部到机内外部测试：简单、手工测试高水平自动化测试机内测试：简单的参数监测电路可自动检测与隔离故障的BITE先进的机载维修测试系统,自动测试系统,1.2.2综合诊断、人工智能及CAD的应用,常规的基本型BIT存在问题：使用中（特别是使用初期）BIT不满足使用要求，诊断能力差、虚警率高。,1991年4月：美国防部颁发综合诊断（MIL-STD-1814）作为提高新一代武器系统的战备完好性和降低使用保障费用的主要技术途径，标志着测试性技术发展进入新阶段1993年2月：美国防部颁发系统和设备的测试性大纲（MIL-STD-2165A）取代原MIL-STD-2165，以与诊断相协调，并考虑非电子产品的测试性,在故障诊断中应用人工智能,“灵巧”BIT：应用简单的人工智能技术，用计算机模拟人的思维过程和处理问题的方法，对基本BIT的输出结果进行分析、推理和判断综合分析型BIT：将分/子系统得到的BIT报告信息传到高级的系统进行综合分析处理，再将结果返回低级提高诊断的准确性信息增强型BIT：BIT的最终决断不仅根据被测单元内的基本BIT信息，还要根据其他装置提供的信息提高决断准确性，减少虚警改进决断型BIT：BIT采用更可靠的决断规则（如：动态设置门限、暂存监控、验证假设等）提高诊断的准确性维修经历型BIT：BIT利用被测单元的维修历史数据及相近或相关单元的历史数据，综合分析在执行任务期间得到的BIT信息有效确定间歇故障，区分间歇故障和虚警,在故障诊断中应用CAD技术,自20世纪80年代以来，CAD（计算机辅助）测试性设计开始应用于航空电子系统、分系统和电路板设计代表性软件工具：BIT计算机辅助设计（CADBIT）、系统测试与维修程序（STAMP）、综合诊断保障系统（IDSS）、测试性工程和维护系统（TEAMS）等CADBIT：适用于PCB级产品的BIT设计STAMP：适用于各类系统和设备的测试性/诊断的顶层设计IDSS：适用于系统的设计研制和使用各阶段，包括多个软件工具：武器系统测试性分析器、自适应诊断分系统、自适应诊断编辑工具、反馈分析器和技术信息与训练编辑工具TEAMS：适用于系统可测试性设计。提供集成的工具集，包括TEAMS-Designer（用于测试性设计和评估、生成诊断测试策略）、TEAM-ATE（自适应现场诊断指导）、TEAMS-RDS（故障测试与诊断引擎）、TEAMS-RT（被测对象的实时诊断和系统健康监视）,1.3常用测试性与诊断术语,测试性（testability）：使系统或设备（产品）能及时准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种设计特性。固有测试性（inherenttestability）：仅取决于系统或设备硬件设计，不受外部测试激励和响应数据影响的测试性。机内测试Built-InTest（BIT）：系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力；利用设计到系统或设备内的测试硬件和软件对系统或设备全部或局部进行测试的方法。机内测试设备Built-InTestEquipment（BITE）：完成机内测试功能的装置（包括硬件和软件）；被测单元中用于测试的、可以识别的装置。主动BIT（activeBIT）：测试时需要施加激励信号到被测单元之内，并中断其工作。被动BIT（passiveBIT）：测试时无需加入激励，也不中断被测单元工作。连续BIT（continuousBIT）：连续不间断地监测系统工作。周期BITPeriodicBIT（PBIT）：以规定时间间隔周期地启动测试。启动BITInitiatedBIT（IBIT）：由某种事件或操作者启动进行测试。它可能中断系统工作，也允许操作者参与故障检测和隔离过程。加电BIT（power-onBIT）：当系统接通电源时，启动规定测试程序。检测到故障或完成规定测试程序后就结束。是启动BIT的特例。,常用测试性与诊断术语（续1）,维修BIT（maintenanceBIT）：在系统完成任务后用于进行维修、检查和校验测试的BIT。它可以启动运行系统所具有的任一种BIT，属于启动BIT类型。灵巧BIT（smartBIT）：应用了人工智能技术的BIT。被测单元UnitUnderTest（UUT）：被测试的系统、分系统、设备、组件或部件等。自动测试设备AutomaticTestEquipment（ATE）：自动进行功能和（或）参数测试、评价性能下降程度或隔离故障的设备。外部测试设备ExternalTestEquipment（ETE）：在机械上与被测单元分开的测试设备。测试点TestPoint（TP）：UUT中用于测量或注入信号的电气连接点。故障检测FaultDetection（FD）：发现故障存在的过程；为确定UUT是否存在故障而进行的一次或多次测试。故障隔离FaultIsolation（FI）：把故障定位到实施修理所要更换的产品组成单元的过程；在知道有故障的情况下，准确确定发生故障部位的过程。故障定位（faultlocalization）：在已知有故障的情况下，确定发生故障的大致部位的过程。不及故障隔离准确。模糊组（ambiguitygroup）：具有相同或类似的故障特征，在故障隔离中不能分清故障真实部位的一组可更换单元。其中每个可更换单元都可能有故障。,常用测试性与诊断术语（续2）,模糊度（ambiguitygroupsize）：模糊组中包含的信号或可更换单元数。故障检测率FaultDetectionRate（FDR）：在规定足够长的时间内，用规定的方法正确检测到的故障数与发生故障总数之比，用百分数表示。故障隔离率FaultIsolationRate（FIR）：在规定的时间内，用规定的方法将检测到的故障正确隔离到不大于规定的可更换单元数（模糊度）的故障数与检测到的故障总数之比，用百分数表示。故障潜伏时间（faultlatencytime）：从故障发生到给出故障指示所经历的时间。故障检测时间（faultdetectiontime）：从开始检测故障到给出故障指示所经历的时间。故障隔离时间（faultisolationtime）：从检出故障到完成故障隔离所经历的时间；从开始隔离故障到指出有故障的可更换单元所经历的时间。虚警FalseAlarm（FA）：BIT或其他监测电路指示有故障而实际不存在故障的情况。虚警率FalseAlarmRate（FAR）：在规定的时间内，发生的虚警数与同一时间内故障指示总数之比，用百分比表示。不能复现CannotDuplicate（CND）：由或其他监测电路指示的故障，在基层级维修时得不到证实的现象。不能复现率（CannotDuplicateRate）：在基层级维修时，BIT和其他监测电路指示的故障总数中不能复现的比例，用百分数表示。,常用测试性与诊断术语（续3）,重测合格RetestOkay（RTOK）：在某维修级别测试中识别出有故障的UUT，在更高级维修级别测试时却是合格的现象。重测合格率（RetestOkayRate）：有故障的UUT在中继级或基地级维修时，测试结果为重测合格的比例，用百分数表示。测试程序接口组合TestProgramSet（TPS）：启动被测单元（UUT）执行一给定测试所需的测试程序、接口装置、测试程序说明文件和辅助数据的组合。兼容性（compatibility）：UUT在功能、电气和机械上与期望的ATE接口配合的一种设计特性。现场可更换单元LineReplaceableUnit（LRU）：在工作现场（中继级）从系统或设备上拆卸并更换的单元。同义词：外场可更换单元、武器可更换组件。车间可更换单元ShopReplaceableUnit（SRU）：在维修车间（基层级）从LRU上拆卸并更换的单元。同义词：车间可更换组件、内场可更换单元。诊断（diagnostics）：检测和隔离故障的活动。诊断要素（diagnosticelement）：用于故障诊断的自动和人工测试方法、维修辅助信息、技术资料、人员和培训等。诊断能力（diagnosticcapability）：利用诊断要素对系统进行故障检测和隔离的能力。综合诊断（integrateddiagnostics）：通过考虑与综合全部有关诊断要素，使系统的诊断能力达到最佳的设计和管理过程。包括确定设计、工程活动、测试性、可靠性、维修性、人机工程和保障性分析之间的接口。目标是以最少的费用，最有效地检测、隔离系统及设备内已知和预期发生的所有故障。,常用测试性与诊断术语（续4）,维修辅助信息（maintenanceaid）：维修辅助信息是给维修技术人员提供帮助的信息，包括简便的维修操作方法、出版物或指南等。它可提供判断故障的历史信息、故障查找逻辑以及发现和修复故障的程序等。诊断方案（diagnosticconcept）：对系统或设备进行诊断的范围、功能和运用的初步安排。诊断测试（diagnostictest）：为确定发生了故障和隔离故障所进行的测试。自测试（selftest）：由产品本身进行的检查其是否在容限内工作的一个或一系列测试。性能监测（performancemonitoring）：在不中断系统工作的情况下，对选定性能参数进行连续或周期性的观测，以确定系统是否在规定的极限范围内工作的过程。通过/不通过测试（GO/NOGOTest）：为判定系统能否正常工作的测试。GO表示工作正常；NOGO表示工作不正常。环绕测试（wrap-aroundtest）：借助UUT内转换网络或自检适配器，把输出端连接到输入端来完成的测试。功能测试（functionaltest）：确定UUT功能是否正常的测试。测试的工作环境（如激励和负载）可以是实际的，也可以是模拟的。联机测试（on-linetesting）：在正常工作环境下对其进行的测试。同义词：在线测试。脱机测试（off-linetesting）：在脱离产品正常工作环境下对其进行的测试。同义词：离线测试。,常用测试性与诊断术语（续5）,测试可控性（testcontrollability）：确定或描述系统和设备有关信号可被控制程度的一种设计特性。测试可观测性（testobservability）：确定或描述系统和设备有关信号可被观测程度的一种设计特性。测试适配器（testadapter）：在和测试设备之间提供电子、电气和机械上兼容的一个或一系列装置，可以包括测试设备中不具备的适当激励和负载。故障（fault）：产品不能执行规定功能的状态。故障注入（faultinsertion）：为了验证BIT、TPS及ATE的功能，在UUT中引入实际故障或模拟故障的过程。故障特征（faultsign