Совершенствование тестирования и контроля качества радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с помощью визуализации

В.Н. Бойкачёв,

В.В. Хоменко,

Techcom.space@gmail.com, АНО «НТИЦ «ТЕХКОМ», г. Москва

Визуализация как научное направление включает в себя методы и средства идентификации и графического представления решаемых проблем, в данном случае - проблем управления космической техникой, основанные на способности человека видеть, понимать и анализировать изображения.

В процессе развития визуализации и технологии анализа отображаемой информации было выявлено, что человек лучше всего понимает и проникает в суть исследуемого явления, когда он может "погрузиться в мир исследуемого явления", то есть, в пространство модели, и когда его "погружение" усиливается возможностью непосредственно манипулировать данными в пространстве модели [1].

Современные достижения в области информационных технологий и средств отображения разнородной информации предоставляют широкие возможности и соответствующие технические и программные средства для эффективного анализа процессов функционирования сложных технических систем, контроля и управления их качеством путём сопоставления параметров работы моделей с техническими требованиями, заданными заказчиком, в режимах:

· он-лайн;

· Undo (функция отката – сделать один или несколько шагов назад);

· управление статическое (событийно - временное);

· управление динамическое (событийно - временное);

· отражение циклограммы работы отдельных узлов или их совокупности с учётом событий и времён;

· отработка нештатных ситуаций и/или их совокупности;

· отработка ресурсов (энергетических, кинематических, вычислительных, скоростных и др.).

Возможности анализа, оценки и управления качеством функционирования технических систем, которые даёт применение методов визуализации, недостижимы с помощью классических методов. В качестве примера можно привести аварии при выведении на заданные орбиты космических аппаратов (КА), происшедшие в 2011 году по причине разного рода невыявленных ошибок и сбоев в программах полётов. Указанный пример указывает на большую актуальность внедрения методов и средств визуализации в процессы управления качеством бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА на стадии наземной экспериментальной отработки, включая парирование заданных нештатных ситуаций, и проверки готовности к эксплуатации.

В последние годы визуализация всё более широко применяется в науке, промышленности, медицине, на транспорте и в других отраслях, однако в ракетно-космической промышленности её применение носит пока единичный характер, что отрицательно сказывается на качестве космической техники.

Основу проектируемых систем визуализации составляет мнемосхема, отображающая в режиме реального времени контролируемые объекты и системы в виде условных графических обозначений с указанием их состояния, индикацией текущего значения параметров технологического процесса и др.

Мнемосхема - это совокупность сигнальных устройств и сигнальных изображений оборудования и внутренних связей контролируемого объекта, размещаемых на технических средствах отображения (диспетчерских пультах, операторских панелях) или выполненных на персональном компьютере. Информация, которая выводится на мнемосхему, может быть представлена в виде аналогового, дискретного и релейного сигнала, а также графически [2].

На мнемосхемах отражается основное оборудование, сигналы, состояние регулирующих органов. Кроме того, подготавливается вспомогательный и справочный материал, расположенный в дополнительных формах отображения, с возможностями его максимально быстрого извлечения на экран (например, наименования электрических соединителей с временным расписанием сигналов).

В настоящей работе применение метода визуализации рассматривается на примере отработки вычислительного комплекса (ВК) и экспериментального образца источника питания анода (ИПА) стационарного плазменного ракетного двигателя СПД-140Д [3].

При создании, отработке и производстве электронных устройств одним из этапов производства является тестирование правильности работы опытного образца, а, возможно, и всей серии произведённых устройств, например, в случае мелкосерийного производства.

На первый взгляд, задача тестирования может показаться тривиальной. Опытному программисту не составит труда написать программу, которая будет опрашивать, например, необходимые регистры устройства и выводить их значения на экран, или можно, вооружившись мультиметром и осциллографом, измерять нужные величины непосредственно из устройства. Но при возрастании сложности устройства такие методы тестирования могут оказаться очень долговременными и неэффективными. Например, тестируемое устройство должно вести себя определённым образом при одних входных параметрах и совершенно по-другому - при других; процессы, подлежащие тестированию, могут протекать непрерывно во времени. Может появиться необходимость измерения множества различных величин одновременно, а также анализа полученных значений в режиме он-лайн, чтобы в случае сбоя работы устройства выявить его. При классическом подходе к тестированию также могут остаться незамеченными некоторые ошибки в работе устройства.

Решением данной проблемы является создание мнемосхемы, которая будет отображать протекающие процессы и результаты измерений в реальном времени, и где будет наглядно представлена совокупность необходимых элементов, блоков и устройств отображения информации. Для тестирования с помощью мнемосхемы создаётся программа, которая визуализирует (отображает) протекающие процессы.

При таком подходе программа, анализируя полученные от тестируемого устройства данные, сможет сама по определённым, заложенным в неё правилам, обнаруживать ошибки в работе устройства. Кроме того, если не требуется обратной связи с пользователем, то тестирование устройств может производиться в полностью автоматическом режиме, что исключает ошибки тестирования, связанные с человеческим фактором.

Мнемосхема содержит элементы управления, и оператор с их помощью может управлять протекающими процессами и производить тестирование в различных режимах работы. В результате достигается принципиально новый уровень качества тестирования электронных устройств.

Важным свойством мнемосхем является то, что при различных уровнях абстракции можно отобразить протекающие процессы именно таким образом, который необходим для понимания работы тестируемого устройства. Данный метод освобождает работающих с мнемосхемой специалистов от необходимости знаний в области системного программирования. Им необходимо знать только общий алгоритм работы устройства. Другими словами, применение мнемосхемы приводит к снижению требований к уровню квалификации операторов.

Эти свойства мнемосхем позволяют создавать ситуационные центры, в которых группа специалистов разных специальностей может коллегиально анализировать процесс функционирования КА и управлять им. При наличии каналов телеметрии эта работа может проводиться из любой точки земного шара.

Общий принцип действия системы визуализации показан на схеме (см. рис. 1).

рис. 1. Способ тестирования вычислительного комплекса с помощью мнемосхемы

В первом примере в качестве тестируемого устройства выступает вычислительный комплекс (ВК). Вычислительная машина, являющаяся частью этого комплекса, получает данные от внешних датчиков или других устройств, далее она формирует буфер обмена по заранее определённым правилам и отправляет их через коммуникационный интерфейс на персональный компьютер (ПК). Для коммуникации тестируемого устройства или комплекса с компьютером может использоваться любой удобный способ связи, например, можно осуществить связь посредством COM-порта (RS232) или интерфейса ГОСТ Р52070-2003.

Программа для тестирования, запущенная на ПК, постоянно в потоке опрашивает порт и, в случае приёма данных из него, анализирует их. На основе полученной информации программа может принимать различные решения и выводить дополнительную информацию. Например, одним из тестируемых элементов в комплексе является термодатчик, установленный внутри тестируемого устройства. При достижении определённой критической температуры оператор должен быть проинформирован об этом. Таким образом, целесообразно предусмотреть вывод программой на схему этой информации или, например, в случае достижения критической температуры, автоматически принять решение об отключении тестируемого устройства во избежание выхода его из строя.

После того, как все данные получены и проанализированы, они отображаются на мнемосхеме в нужном виде. При этом оператор наглядно может проследить за работой устройства. Как говорилось выше, оператор может иметь обратную связь с тестируемым устройством посредством данной схемы визуализации. В случае необходимости оператор редактирует параметры прямо на схеме, например, включая или отключая определённые ключи. При этом вся информация фиксируется, что позволяет проводить необходимый анализ качества функционирования тестируемого устройства.

Программа может анализировать полученные от пользователя данные и выявлять его ошибки. Кроме того, осуществляется проверка работы системы на запрещённые ситуации (комбинации), временные нестыковки. После этого происходит передача данных, введенных пользователем, обратно в тестируемое устройство или вычислительный комплекс.

При циклическом опросе тестируемого устройства и передаче в него пользовательских данных, достигается отображение текущего состояния устройства в реальном масштабе времени.

При подключении к системе имитатора внешних связей (ИВС) можно провести анализ функционирования тестируемого ВК в реальном режиме, например, по циклограмме работы устройств космического аппарата, которыми управляет данный ВК.

Во втором примере рассматривается отрабатываемый источник питания анода (ИПА) плазменного ракетного двигателя, состоящий из 6 силовых модулей (СМ) [3].

Для обеспечения наладки СМ и испытаний ИПА в целом была разработана мнемосхема ИПА, которая отображается на экране ПК с целью индикации телеметрии и осуществления управляющих функций по включению/отключению СМ, заданию их параметров и управлению нагрузкой ИПА.

рис. 2. Мнемосхема ИПА

Мнемосхема (см. рис. 2) представляет собой программу, написанную на языках C# и Action Script 3.0. Вся управляющая информация для ИПА и данные его телеметрии передаются по протоколу ПИ232Т. Соответственно в ПК должна быть установлена специальная плата адаптера интерфейса ПИ232Т.

Мнемосхема создает на экране ПК структуру ИПА: все шесть СМ и связи между ними, в модулях условно изображены силовые преобразователи, замыкающие ключи, электронные предохранители (ЭП) и датчики. Кроме того, в управляющих полях мнемосхемы имеются кнопки управления каждым СМ и нагрузкой ИПА.

Мнемосхема осуществляет циклический опрос телеметрии каждого СМ: выводятся показания его датчиков тока (первичной и вторичной цепи), напряжения, температуры, состояние ключей ЭП, уровень ШИМ (широтно-импульсная модуляция) в СМ, принятые им установки тока и напряжения и другая информация (наличие +100 В и +15 В в СМ, индикация выполнения команд включения/отключения СМ, причина аварийного отключения СМ, работа по внешней или внутренней частоте 80 кГц). Таким образом, имеется визуальный доступ ко всем основным параметрам СМ. Кроме того, имеется возможность протоколирования показаний всех датчиков в текстовый файл, построения графиков, благодаря чему отсутствует необходимость постоянной фиксации параметров оператором. В связи с этим рабочее место оператора оборудовано двумя мониторами: на одном отображается мнемосхема, на другом – запрашиваемые телеметрические данные в графической форме.

К управляющим функциям мнемосхемы относятся задание тока ограничения ИПА и выходного напряжения каждого СМ, посылка команд включения/отключения СП (состояние подготовки), СМi, ИПА. Кроме того, мнемосхема позволяет управлять нагрузкой ИПА, которая задаётся имитатором нагрузки (ИН).

Для работы с реальным двигателем СПД-140Д потребовалось исполнение интегральных команд - включение напряжения питания 300 В, 800 В с автоматическим поочередным включением соответствующего числа СМ. Для решения указанных задач в дополнение к мнемосхеме была разработана программа запуска ИПА.

Все управляющие действия осуществляются без помощи клавиатуры, одним кликом мыши на выбранной управляющей кнопке мнемосхемы.

Важно отметить, что применение мнемосхемы исключило необходимость разработки и изготовления специального стенда для наладки СМ. Более того, наличие канала телеметрии обеспечивает возможность проведения диагностики и управления ИПА как в наземных, так и в лётных условиях. Наземный обслуживающий персонал при этом будет получать оперативную телеметрическую информацию о работоспособности всех основных частей ИПА в полёте и осуществлять необходимые управляющие функции.

Сегодня, когда внедрение технологий визуализации в космическом машиностроении только начинается, очень важно обеспечить стандартизацию или унификацию применяемых для этих целей вычислительных систем и сред, совместимость форматов данных и протоколов обмена. В случае успешного решения перечисленных проблем конечным пользователям не придётся тратить значительное время на изучение и освоение методов работы с виртуальной средой, так как создаваемые системы будут более простыми, наглядными и адекватными.

Системы визуализации найдут широкое применение и в образовательных процессах по космическим специальностям.

Приведенные в статье примеры показывают большую эффективность и широкие перспективы применения методов визуализации в космической технике.

Литература

1. С.В. Клименко, П .В. Фролов. Системы визуализации и виртуального окружения в задачах нанотехнологий // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2011. №10. - с. 90-94.

2. Википедия, 2012.

3. В.Н. Бойкачев, В.Н. Поспелов, А.А. Муравьев. Источник питания анода для стационарного плазменного двигателя // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2012. №10.