国外航空电子系统嵌入式在线监测技术_王红.pdf

综述测控技术2023 年第 42 卷第 1 期收稿日期:2022 03 30基金项目:国防基础科研计划项目(JCKY2021205B111);航空工业应用创新项目(625011802);基础加强计划技术领域基金(2021-JCJQ-JJ-0967)引用格式:王红，潘安君，杨占才，等 国外航空电子系统嵌入式在线监测技术 J 测控技术，2023，42(1):1 9WANG H，PAN A J，YANG Z C，et al Embedded On-Line Monitoring Technology of Foreign Avionics System J Measurement Control Technology，2023，42(1):1 9国外航空电子系统嵌入式在线监测技术王红，潘安君，杨占才，封锦琦，陈洪全，高倩(航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京101111)摘要:在分析国外航空电子系统嵌入式在线监测体系架构和五级监测解决方案的基础上，介绍了国外嵌入式在线监测技术、标准和开发验证工具的发展情况，提出了全机级嵌入式在线监测体系架构、嵌入式专用监控模块研制、嵌入式在线监测系统的仿真验证平台的构建和标准化建设等方面开展工作的建议，希望能够为未来我国航空电子系统嵌入式在线监测技术的发展起到一定的借鉴和指导作用。关键词:航空电子系统;嵌入式在线监测;标准;开发验证工具中图分类号:V21;TP29文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)01 0001 09doi:10 19708/j ckjs 2022 06 272Embedded On-Line Monitoring Technology of Foreign Avionics SystemWANG Hong，PAN An-jun，YANG Zhan-cai，FENG Jin-qi，CHEN Hong-quan，GAO Qian(AVIC Beijing Changcheng Aeronautical Measurement Control Technology esearch Institute，Beijing 101111，China)Abstract:Based on the analysis of the embedded on-line monitoring architecture and five level monitoring so-lutions of foreign avionics systems，the development of foreign embedded on-line monitoring technologies，stand-ards and development verification tools is introduced，and the suggestions on the whole aircraft level embeddedon-line monitoring architecture，the development of embedded special onitoring modules，the construction andstandardization of the simulation verification platform for embedded online monitoring systems are put forwardIt is hoped that it can play a certain reference and guidance role for the development of embedded on-line mo-nitoring technology of avionics system in China in the futureKey words:avionics system;embedded on-line monitoring;standardization;develop validation tools航空电子系统嵌入式在线监测技术是指在系统运行中或基本不拆卸的情况下，使用边界扫描器件、智能测试芯片、智能监控仪器和智能诊断推理等先进嵌入式测试技术，增强传统机内测试(Built-in-Test，BIT)诊断能力，能够独立掌握系统当前的运行状态，独立查明产生故障的部位和原因，预知系统的异常和故障动向，以声、光和显示屏等多种形式进行信息输出，并辅助操作人员和维修人员采取必要对策。外军的实践证明，嵌入式在线监测是提高航空电子系统测试性、维修性和快速维修能力最为简单有效的技术手段。嵌入式在线监测系统是未来新一代航空装备所必须具备的重要系统，是实现传统 BIT 能力增强、故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)系统熟化及装备自主保障的核心关键技术。自欧美等国于 20 世纪 80 年代后期开展基于智能BIT 的嵌入式监测与诊断技术以来，国外相继在边界扫描、嵌入式通信协议、嵌入式监控芯片、嵌入式监控仪器和先进诊断推理算法等领域开展了大量创新性的研究，并在嵌入式在线监测标准、监测方法、监测工具等方面得到了大量应用，为外军装备测试诊断能力提升提供了1重要支撑。目前，国内航空装备嵌入式在线监测设计一般采用传统 BIT 技术，智能 BIT 还未得到有效应用，新的嵌入式在线监测手段也处于空白状态，与国外相比还有较大差距。随着未来超大规模集成电路(Very LargeScale Integration，VLSI)、多核、系统级芯片(System onChip，SoC)等复杂航空电子系统的不断应用，为满足我国未来新型航空电子系统的研制生产对嵌入式在线监测技术需求，本文通过对国外近些年来嵌入式在线监测技术、标准及开发工具的深入剖析，在借鉴国外嵌入式在线监测系统开发经验的基础上，结合国内实际需求，提出了国内嵌入式在线监测系统的一些发展建议，希望能够为我国未来航空电子系统嵌入式在线监测系统的设计、开发和使用起到一定的借鉴作用。1国外航空电子系统嵌入式在线监测体系架构国外航空电子系统嵌入式在线监测体系架构如图1 所示。图 1国外航空电子系统嵌入式在线监测体系架构国外航空电子系统嵌入式在线监测体系架构采用分层逐级监测与融合的技术方案构建，涵盖了航空电子产品各个层级，如车间可更换单元(Shop eplace-able Unit，SU)级(板级)、现场可更换单元(Line e-placeable Unit，LU)级、分系统级、系统级和全机级等各个层次。航空电子系统嵌入式在线监测系统结构层级自下而上主要包括板级嵌入式在线监测层(含各个监测单元)、LU 级嵌入式在线监测层(含各个监测控制器)、分系统级嵌入式在线监测层、系统级嵌入式在线监测层和全机级嵌入式在线监测层。其中，板级和LU 嵌入式在线监测层以实体形式应用到机载产品中，分系统级、系统级和全机级嵌入式在线监测层既可宿主于原有机载系统中，也可以用一台独立控制器实现。高层级的在线监测层负责向低一个层级的在线监测层发送测试向量和控制指令。本层级的在线监测层负责向上一级的在线监测层上报其所属的所有更低层级的监测结果，负责识别监测结果并剔除关联故障。模板内的各个监测单元主要针对模拟电器、数字电路和射频电路等进行嵌入式在线监测，并将监测结果传递给 LU 级的在线监测控制器，然后逐层向上一级在线监测层进行上报。2国外航空电子系统嵌入式在线监测技术由于电子设备在航空装备中所占比例和重要性日益突出，以提高运行可靠性为目标的电子设备嵌入式在线监测技术近年来得到了广泛的重视。国外电子产品嵌入式在线监测相关技术应用较为广泛。众所周知，美国马里兰 CALCE 电子产品和系统中心的电子产品嵌入式在线监测技术的水平处于世界领先地位。美国 Impact 公司采用传感器参数和物理损伤模型相融合的方法，实现了航电系统、GPS 系统及开关电源系统的寿命损耗监测。美国 idgetop 公司的电子产品主机电路通过设置预警电路实现了故障预测功能，为波音公司阿帕奇直升机和欧洲宇航防务集团(EuropeanAeronautic Defence and Space company，EADS)提供了电子产品 PHM 解决方案，主要采用 SJBIST 平台对美国联合攻击战斗机(Joint Strike Flighter，JSF)控制系统关键单元进行实时状态监控与健康管理，并利用 ing-Down 平台针对飞机开关电源系统开发了嵌入式在线监测原理样机。自1985 年以来，联合测试工作组(JointTest Action Group，JTAG)发布了与电子器件边界扫描相2测控技术 2023 年第 42 卷第 1 期关的多项标准，极大地促进了嵌入式在线监测技术的应用;自1995 年以来，IEEE 发布了嵌入式芯片测试、存储器件测试、嵌入式仪器测试等多项标准，为航空电子产品嵌入在线监测技术的进一步发展奠定了基础。通过对国外相关技术进行深入调研，得到国外航空电子系统嵌入式在线监测方法，如表 1 所示。表 1国外航空电子系统嵌入式在线监测方法监测方法分类描述针对航空电子产品不同层级的在线监测方法芯片级(Die Level)利用金丝雀电路、NBTI 效应老化等原理实现在线监测组件级(Component Level)主要对退化老化、辐射损伤及间歇故障等进行在线监测板级(Board Level)针对集成电路、电容器、FPGA 芯片、CPU 芯片、焊点间歇故障现象等进行在线监测模块级(Module Level)针对电源板、数字电路板、模拟电路板及连接器等进行在线监测系统级(System Level)主要针对各个 LU、LU 之间连接网络等进行在线监测适用不同电路类型的在线监测方法时序电路时帧展开法、扫描设计法、伪随机测试法、后续树功能测试法等组合电路穷举法、伪穷举法、布尔差分法、D 算法等大规模集成电路扫描设计、边界扫描、内建自测试等模拟及数模混合电路比较器测试技术、电压求和测试、环绕技术等嵌入式监控硬件的在线监测方法嵌入式监控芯片采用边界扫描技术，通过在板内植入专用监控芯片达到监测电路状态的目的嵌入式监控仪器利用嵌入式仪器对模板内器件进行访问与控制的方法基于处理器的功能测试(PFT)方法通过处理器代理单元实现对板载内存及其他高速组件的在线监控测试受控 FPGA 测试(FCT)方法通过嵌入式 FPGA 仪器实现对模板组件的功能和性能测试监测累积损伤物理损伤模型原位监测产品状态寿命损耗监测(LCM)法原位监测产品寿命期内所承受的全部外部载荷(环境和工作应力)，进而推断产品的剩余寿命监测异常现象信息奇异值分解进行异常状况检测主成分分析进行异常状况检测神经网络进行异常状况检测和趋势分析高斯混合模型监测产品异常状态隐马尔可夫模型监测产品异常状态卡尔曼滤波监测产品异常状态泰勒级数展开前馈信号(泰勒级数展开)来预测故障概率趋势分析模型概率趋势分析被测系统模型基于系统模型进行趋势分析贝叶斯模型实现故障覆盖率和诊断能力的提升多变量状态估计自主检测与健康状态估计自相关核回归方法状态预测数据融合模型实现综合诊断与预测设置预警电路失效机理预警模型在低周疲劳连接件和腐蚀件中设置预警电路评估失效机理TDDB 预警模型利用故障预测芯片来监测晶体管的“时间相关绝缘击穿”(TDDB)监测失效征兆关键性能参数变化模型利用关键参数的变化来预测故障电阻变化模型用焊接件焊点的电阻变化来预测电子产品的残余寿命动态功耗变化模型用动态功耗来预测电路故障2 1针对航空电子产品不同层级的在线监测方法国外电子产品一般采用五级在线监测解决方案，主要包括芯片级、组件级、板级、LU 模块级和系统级。芯片级利用 PDK Check 工具构建原位测试数据库，可采用金丝雀电路、负偏压温度不稳定性(Negati-ue Bias Temperature Instability，NBTI)效应老化等