李文海 李睿峰 王怡蘋(píng) 席靚

摘 要：針對(duì)當(dāng)前模擬電路故障物理注入試驗(yàn)中缺乏高效故障注入及測(cè)試數(shù)據(jù)采集手段的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于PXI儀器總線(xiàn)的自動(dòng)化故障注入系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)模擬電路大部分故障的自動(dòng)化注入以及故障響應(yīng)信息的采集等功能，具有通用性、擴(kuò)展性和易操作等特點(diǎn)。此外，對(duì)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制信號(hào)進(jìn)行建模，確保開(kāi)關(guān)切換時(shí)切換對(duì)象、切換時(shí)間的準(zhǔn)確無(wú)誤，避免故障注入過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致故障注入系統(tǒng)和被測(cè)電路的損壞。最后，通過(guò)對(duì)實(shí)例電路進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性，并收集了進(jìn)行測(cè)試性分析所需的數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞： 模擬電路； 物理注入； 數(shù)據(jù)采集； 故障注入系統(tǒng)； 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)； 拓?fù)淠Ｐ?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710.4?34； TP206.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0104?05

Abstract： In allusion to the problem that there are no high efficient fault injection and test data acquisition means in the current analog circuit fault physical injection experiment， an automatic fault injection system based on PXI instrument bus is designed. The system is universal， scalable and easy to operate， and can accomplish functions such as automatic injection for most analog circuit faults and fault response information acquisition. The control signal model of switch network is constructed to ensure that the switching object and switching time are accurate over switch switching， and avoid the damage to fault injection system and circuit under test caused by injection errors. An example circuit test was carried out in which the practicability of the system was verified， and data information needed for testability analysis was collected.

Keywords： analog circuit； physical injection； data acquisition； fault injection system； switch network； topology model

0 引 言

故障注入技術(shù)是進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的重要手段[1]，按試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境即目標(biāo)系統(tǒng)形式，可以劃分為基于模擬的故障注入和基于物理的故障注入兩類(lèi)[2]。前者通過(guò)構(gòu)造模擬模型來(lái)運(yùn)行故障注入試驗(yàn)，后者則可以在實(shí)體電路上注入故障。由于在某些情況下模擬注入得到的結(jié)果與實(shí)際情況還有較大差別，因此需要物理注入對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制故障注入設(shè)備，可以針對(duì)成品電子設(shè)備，在連線(xiàn)上直接注入故障。文獻(xiàn)[3]研制的故障注入設(shè)備，可在電路板與電路板之間、部件與部件之間的J30電連接器處注入8種常見(jiàn)的故障類(lèi)型。文獻(xiàn)[4?5]設(shè)計(jì)一種軟硬件結(jié)合的裝備半實(shí)物測(cè)試模擬器，利用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)半實(shí)物武器裝備模型進(jìn)行測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其測(cè)試性設(shè)計(jì)水平的驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[6]提出一種基于DSP技術(shù)的半實(shí)物仿真式故障注入系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一個(gè)支持多層次多故障類(lèi)型的總線(xiàn)故障注入系統(tǒng)框架。

在上述故障注入工具的設(shè)計(jì)中仍然存在一些問(wèn)題：

1） 基于模擬的故障注入方法容易受到仿真模型的限制，導(dǎo)致部分電路不能模擬，能夠運(yùn)行仿真的電路也都基于理想模型，與具體實(shí)際存在很大差別。

2） 基于故障物理注入開(kāi)發(fā)的工具往往針對(duì)某一具體對(duì)象，缺乏系統(tǒng)全面且穩(wěn)定性高的注入工具。

本文針對(duì)模擬電路的測(cè)試性驗(yàn)證的工程需要，通過(guò)研究電路故障的實(shí)現(xiàn)形式和控制故障注入的操作方式[8]，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化故障注入系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“故障注入系統(tǒng)”），構(gòu)建電路進(jìn)行故障物理注入試驗(yàn)并測(cè)試了故障響應(yīng)。

1 設(shè)計(jì)需求分析

故障注入系統(tǒng)面向裝備研制階段后期獲得的有故障注入接口設(shè)計(jì)的電路成品，需要通過(guò)改變電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)引入故障。在電路測(cè)試性設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)得到的易發(fā)故障模式，在電路內(nèi)部連線(xiàn)的相應(yīng)位置預(yù)留出故障注入接口。

模擬電路主要由各種電子元器件構(gòu)成，如電阻、電感、電容、二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和集成芯片等[9]。文獻(xiàn)[3]給出了常見(jiàn)電路的故障模式，而對(duì)于模擬電路元器件來(lái)說(shuō)，可以歸結(jié)為開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、橋接電阻和連接錯(cuò)誤5種故障類(lèi)型。需要指出的是，對(duì)具有3個(gè)以上管腳的元器件，開(kāi)路故障應(yīng)該分別考慮每個(gè)管腳開(kāi)路的情況，短路故障應(yīng)該分別考慮每2個(gè)管腳間短路的情況。故障注入系統(tǒng)必須能夠模擬上述故障類(lèi)型，具備通用性、擴(kuò)展性和易操作等特點(diǎn)，且具有較好的信號(hào)隔離能力和信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，防止因故障注入系統(tǒng)的接入使被測(cè)對(duì)象的性能受到影響。

2 自動(dòng)化故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)了適用于模擬電路測(cè)試性驗(yàn)證的自動(dòng)化故障注入系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

故障注入系統(tǒng)的主要工作流程為：用戶(hù)通過(guò)軟件完成故障注入試驗(yàn)的相關(guān)設(shè)置并執(zhí)行故障注入；控制模塊讀取用戶(hù)輸入的信息，并驅(qū)動(dòng)儀器完成相應(yīng)的故障注入和數(shù)據(jù)采集操作；根據(jù)采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)，用戶(hù)提取需要的信息，進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 硬件平臺(tái)構(gòu)成

故障注入硬件平臺(tái)如圖2所示。使用18槽PXI機(jī)箱組件集成所有的PXI板卡，并通過(guò)預(yù)留槽位用于功能擴(kuò)展。將這些構(gòu)成單元集成在一臺(tái)便攜箱中，協(xié)同完成圖1中各個(gè)模塊的具體功能。

1） 系統(tǒng)控制模塊。由PXI零槽控制器構(gòu)成，用于根據(jù)控制軟件發(fā)出的命令，產(chǎn)生試驗(yàn)控制的各種信號(hào)。自動(dòng)化故障注入軟件運(yùn)行在控制模塊上，用于輸入和設(shè)置試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，接收底層儀器模塊提供的故障測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行分析和處理。

2） 信號(hào)激勵(lì)模塊。由交直流電源、PXI組件中的DA板卡等構(gòu)成，用于根據(jù)CUT的驅(qū)動(dòng)需求，產(chǎn)生故障注入試驗(yàn)所需的各類(lèi)激勵(lì)，通過(guò)接口模塊接入到CUT內(nèi)部，作為輸入信號(hào)。

3） 故障模擬模塊。由PXI程控電阻卡構(gòu)成，用于模擬產(chǎn)生注入到CUT的各種故障模式，是故障注入總線(xiàn)的故障模擬端。

4） 故障注入模塊。由PXI開(kāi)關(guān)卡構(gòu)成，用于將故障模擬模塊產(chǎn)生的各類(lèi)故障注入到CUT中，是故障注入總線(xiàn)的故障注入端。

5） 信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊。由PXI組件中的矩陣卡構(gòu)成，用于將CUT的測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試模塊連接，完成故障響應(yīng)信息的傳遞，是系統(tǒng)測(cè)試總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集端。

6） 數(shù)據(jù)采集模塊。由PXI組件中的萬(wàn)用表構(gòu)成，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊，在執(zhí)行故障注入的同時(shí)，測(cè)量各測(cè)試點(diǎn)的響應(yīng)特征信息，收集測(cè)試數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)測(cè)試總線(xiàn)的測(cè)量端。

7） 數(shù)據(jù)處理模塊。同樣基于PXI零槽控制器，用于對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做一些基本處理，提取測(cè)試數(shù)據(jù)的部分特征信息，方便后面的測(cè)試性分析。

8） 接口模塊。由通用接口部件構(gòu)成，集合了故障注入總線(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試總線(xiàn)，通過(guò)適配器和適配電纜將CUT接入系統(tǒng)，能夠兼容不同類(lèi)型的CUT。

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件組成

自動(dòng)化故障注入軟件由被測(cè)電路設(shè)置、仿真結(jié)果讀取、故障注入設(shè)置和測(cè)試數(shù)據(jù)采集4個(gè)模塊構(gòu)成，各模塊的具體功能如下：

1） 被測(cè)電路設(shè)置模塊用于讀取原理圖，并輸入網(wǎng)表，是對(duì)CUT內(nèi)部連線(xiàn)及其與故障注入平臺(tái)之間連接關(guān)系的描述，同時(shí)確定所有可達(dá)測(cè)試點(diǎn)。

2） 仿真結(jié)果查看模塊用于查看CUT故障仿真注入的結(jié)果，給用戶(hù)提供一個(gè)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)前仿真結(jié)果的對(duì)比。

3） 故障注入設(shè)置模塊用于編輯、生成故障注入項(xiàng)目。通過(guò)故障元器件和故障模式的選擇，將故障樣本輸入到軟件中。

4） 測(cè)試數(shù)據(jù)采集模塊用于選擇測(cè)試點(diǎn)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，執(zhí)行故障注入，采集測(cè)試數(shù)據(jù)，以及提取測(cè)試信息便于后續(xù)處理。

2.3.2 測(cè)試流程

故障注入軟件運(yùn)行在控制模塊上，通過(guò)底層儀器驅(qū)動(dòng)，完成相關(guān)測(cè)試，測(cè)試流程如圖3所示。

2.3.3 實(shí)用軟件開(kāi)發(fā)

基于CVI軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了圖形化的自動(dòng)化故障注入系統(tǒng)控制軟件。

3 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?/h3>

3.1 開(kāi)關(guān)控制模型設(shè)計(jì)

故障注入系統(tǒng)與CUT之間存在兩類(lèi)連接關(guān)系，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換完成故障注入和數(shù)據(jù)采集功能?？刂崎_(kāi)關(guān)切換時(shí)，必須確保切換對(duì)象、切換時(shí)間的準(zhǔn)確無(wú)誤。因此，建立兩類(lèi)開(kāi)關(guān)控制模型：故障注入模塊開(kāi)關(guān)控制模型和信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊開(kāi)關(guān)控制模型。

3.1.1 故障注入模塊開(kāi)關(guān)控制模型

故障注入模塊采用總線(xiàn)拓?fù)湫问綄?shí)現(xiàn)電路物理連接失效，以三個(gè)開(kāi)關(guān)為一組，在每個(gè)故障注入點(diǎn)處接入一組開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇完成信號(hào)正常傳遞或者接入故障。每個(gè)開(kāi)關(guān)組的第1個(gè)開(kāi)關(guān)保持原有線(xiàn)路的連通，第2個(gè)開(kāi)關(guān)接入故障總線(xiàn)A，第3個(gè)開(kāi)關(guān)接入故障總線(xiàn)B。只考慮注入單個(gè)故障，采用總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可完成上文所述五種類(lèi)型故障的注入，試驗(yàn)機(jī)理如圖4所示。注入開(kāi)路和短路故障，通過(guò)故障注入端的操作即可實(shí)現(xiàn)；對(duì)于參數(shù)漂移故障，系統(tǒng)只能模擬電阻阻值的增大或減小，分別通過(guò)串接電阻和并接電阻實(shí)現(xiàn)，其中串接電阻需要輸出1與輸入2相連；橋接故障與并接電阻相同；連接錯(cuò)誤故障需要使用四組開(kāi)關(guān)將元器件的正負(fù)端短接。

3.1.2 信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊開(kāi)關(guān)控制模型

由于所有測(cè)試點(diǎn)共用同一個(gè)萬(wàn)用表，且測(cè)量電流與測(cè)量電壓或電阻等其他信號(hào)用到的測(cè)試端子是不同的，因此以萬(wàn)用表的三個(gè)測(cè)試端子為基礎(chǔ)構(gòu)建了系統(tǒng)測(cè)試總線(xiàn)，將CUT的所有測(cè)試點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣接入測(cè)試總線(xiàn)。系統(tǒng)配置的矩陣卡可提供4×16矩陣，以矩陣的行作為測(cè)試總線(xiàn)，測(cè)試總線(xiàn)A，B，C分別與萬(wàn)用表的電壓、電流和地三個(gè)端子連接，將測(cè)試點(diǎn)接入矩陣的列，試驗(yàn)機(jī)理如圖5所示。

3.2 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)映射拓?fù)鋷?kù)建立

為了避免故障注入錯(cuò)誤的發(fā)生，建立多路開(kāi)關(guān)選擇矩陣。每個(gè)開(kāi)關(guān)控制模型用向量表示，向量元素映射為開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，控制信號(hào)取值對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)，“0”表示斷開(kāi)，“1”表示接通[10]。依次對(duì)故障注入開(kāi)關(guān)控制向量和數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)控制向量進(jìn)行賦值，建立2類(lèi)開(kāi)關(guān)控制向量的映射拓?fù)鋷?kù)。

3.2.1 故障注入開(kāi)關(guān)映射拓?fù)鋷?kù)

開(kāi)關(guān)卡提供40通道開(kāi)關(guān)，以3個(gè)開(kāi)關(guān)為一組，最多可構(gòu)成13組，占用39個(gè)開(kāi)關(guān)。對(duì)于第i個(gè)故障注入項(xiàng)目，建立一個(gè)39元素的邏輯序列向量式：

3.2.2 數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)映射拓?fù)鋷?kù)

由圖5可知，需要對(duì)48個(gè)雙刀單擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。因此，對(duì)于第i個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，建立一個(gè)48元素的邏輯序列向量式：

3.2.3 操作流程

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，全部開(kāi)關(guān)初始化為斷開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)故障注入軟件編輯故障注入項(xiàng)目并選擇測(cè)試點(diǎn)，軟件建立開(kāi)關(guān)邏輯序列向量，完成故障樣本的依次注入和測(cè)試數(shù)據(jù)采集。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文選用PSpice仿真實(shí)驗(yàn)中常用的線(xiàn)性串聯(lián)穩(wěn)壓電路，設(shè)計(jì)制作了實(shí)體電路板，并預(yù)留出故障注入和響應(yīng)測(cè)試接口。表1是根據(jù)故障模擬注入的結(jié)果選取出的故障樣本。

4.1 被測(cè)電路設(shè)置

CUT輸入激勵(lì)采用10 V/50 Hz的正弦信號(hào)，共有9個(gè)測(cè)試點(diǎn)。讀取原理圖文件和網(wǎng)表文檔到程序中，軟件自動(dòng)完成CUT連接關(guān)系描述與底層具體連線(xiàn)的匹配。

4.2 仿真結(jié)果查看

基于實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)發(fā)的故障模擬注入工具，獲得仿真條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果查看界面可以將仿真結(jié)果讀取到界面上，進(jìn)而查看每個(gè)故障樣本下的仿真數(shù)據(jù)。此外，還可以繪制數(shù)據(jù)圖形。

4.3 故障注入設(shè)置

注入項(xiàng)目編輯部分列舉了實(shí)例電路的所有元器件與故障模式，用戶(hù)可依次進(jìn)行選擇，將表1中的故障樣本輸入到故障注入軟件中。軟件根據(jù)被測(cè)電路設(shè)置中匹配好的底層連接關(guān)系，建立圖6中開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的映射拓?fù)鋷?kù)。以R1開(kāi)路為例，相關(guān)開(kāi)關(guān)組為KG4，包含的開(kāi)關(guān)編號(hào)為K10～K12。正常狀態(tài)下，K10閉合，其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，R1開(kāi)路時(shí)，K10斷開(kāi)。由式（1）得，邏輯序列向量式K1中K1，10=0，K1，11=0，K1，12=0。

4.4 測(cè)試數(shù)據(jù)采集

測(cè)試數(shù)據(jù)采集界面分為測(cè)試相關(guān)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)采集和測(cè)試信息提取三個(gè)部分。

在測(cè)試相關(guān)設(shè)置部分，勾選出前9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)電路功能，設(shè)置數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目為電壓，由于輸入信號(hào)周期為20 ms，因此采集的步進(jìn)為1 ms，持續(xù)時(shí)間為1 s，系統(tǒng)會(huì)在故障注入后延時(shí)1 s用來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。執(zhí)行故障注入，待所有項(xiàng)目完成之后，電路斷電并恢復(fù)至正常狀態(tài)，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)采集部分將故障注入結(jié)果顯示出來(lái)，見(jiàn)圖7。由于CUT各測(cè)試點(diǎn)上多是負(fù)值電壓，因此在測(cè)試信息提取部分提取了測(cè)試數(shù)據(jù)的最小值信息，并保存到文件中。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)模擬電路的故障物理注入問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化故障注入系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠完成對(duì)模擬電路大部分故障的自動(dòng)化注入以及故障響應(yīng)信息的采集，具有通用性、擴(kuò)展性和易操作等特點(diǎn)。采用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制模型，避免故障注入過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致故障注入系統(tǒng)和被測(cè)電路的損壞。最后，通過(guò)對(duì)實(shí)例電路進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性。

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