數(shù)模混合電路故障診斷方法的研究

孔東明,史賢俊

（海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001）

電路故障是指電路系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)特性或參數(shù)出現(xiàn)非正常的偏差，系統(tǒng)喪失了預(yù)定的功能。無論是元件、電路還是系統(tǒng)，由于制造工藝、使用壽命以及工作環(huán)境等條件的影響，故障的產(chǎn)生是不可避免的。

電路故障可以從故障過程、故障數(shù)目、故障性質(zhì)等多個(gè)層面和角度來描述。從故障發(fā)生的過程來看，故障可分為硬故障、軟故障和間歇故障。從同時(shí)故障數(shù)以及各故障之間的相互關(guān)系來看，故障可分為單故障、多故障、獨(dú)立故障和從屬故障。

故障診斷包括故障檢測（Fault Detection）、故障隔離（Fault Isolation）和故障辨識(shí)（Fault Identification）3個(gè)部分。

數(shù)?；旌想娐饭收显\斷是一個(gè)被廣泛關(guān)注的前沿課題，它面臨著許多測試上的難點(diǎn)，解決這個(gè)問題意義重大而且任務(wù)艱巨[1]。

1 數(shù)?；旌想娐饭收显\斷的一些常規(guī)方法

1.1 故障字典法

故障字典法[2]的基本思想是：首先提取電路在各種故障狀態(tài)下的電路特征，然后將特征與故障的一一對應(yīng)關(guān)系列成字典。在實(shí)時(shí)診斷時(shí)，只要獲取電路的實(shí)時(shí)特征，就可以從故障字典中查出此時(shí)對應(yīng)的故障，從而完成故障定位。

故障字典法屬于測前模擬診斷SBT（Simulation Before Test），即對電路的仿真在現(xiàn)場測試前實(shí)施，其思想比較簡單易懂，也易于實(shí)時(shí)診斷，是目前眾多的電路故障診斷方法中較為實(shí)用的一種。但是目前在數(shù)模混合電路的測試中，主要是用直流域和時(shí)域的字典法來診斷，所以一般只能處理單故障和硬故障，處理多故障和軟故障比較困難。同時(shí)，故障字典的建立需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，這也是其不可避免的缺點(diǎn)。

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是依據(jù)生理學(xué)上的真實(shí)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，以及若干基本特性而形成的某種理論抽象，它是簡化和模擬的一種信息處理系統(tǒng)，是高度并行、高度互相連接的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其本身信息處理的特點(diǎn)，如并行性、自學(xué)習(xí)性、自組織性、對外界輸入樣本有很強(qiáng)的識(shí)別分類能力以及聯(lián)想記憶功能等，在電路故障診斷這個(gè)非常復(fù)雜的模式識(shí)別問題上具有極大的優(yōu)勢，能夠解決那些傳統(tǒng)模式識(shí)別方法難以圓滿解決的問題。

一般，一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷主要包括3層：

1）輸入層 負(fù)責(zé)接收各種故障信息和現(xiàn)象；

2）中間層 把從輸入層得到的故障信息，經(jīng)內(nèi)部學(xué)習(xí)和處理轉(zhuǎn)化為針對性的解決方法；

3）輸出層 針對輸入的故障形式，經(jīng)過調(diào)整權(quán)值后得到的故障處理方法。

常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有：BP（ErrorBackPropagationNetwork）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SOM（Self-organizing Feature Map）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、ART（Adaptive Resonance Theory）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

1.3 利用噪聲檢測技術(shù)[3]

近年來大量的研究結(jié)果表明，對于大多數(shù)電子器件，噪聲是導(dǎo)致器件失效的各種潛在缺陷的敏感反映，噪聲檢測方法有著靈敏、普通、快速和非破壞性的突出優(yōu)點(diǎn)，正在發(fā)展成為一種新型的電子器件可靠性表征工具。然而這一方法還是存在很多的問題，比如：噪聲來源的多樣化使得單靠噪聲測量難以得到器件壽命或失效率的精確數(shù)據(jù)等，還有待于進(jìn)一步的深入研究。

1.4 將磁場映像技術(shù)應(yīng)用到故障診斷中[4]

這種故障診斷方法的依據(jù)是：電路板通電后，其上方磁場分布是電路中交變電流的輻射電磁場和周圍環(huán)境磁場影響的合成。電路板元器件發(fā)生故障時(shí)，必引起電流模式發(fā)生改變，從而導(dǎo)致磁場分布也發(fā)生變化。這種根據(jù)電路板附近磁場分布變化對電路板進(jìn)行故障診斷的技術(shù)稱之為基于磁場映像的PCB（Printed Circuit Board）故障診斷技術(shù)。該技術(shù)無需與電路板直接接觸就可以測得其磁場分布的數(shù)據(jù)，省去了各種測試夾具和連接裝置，降低了測試設(shè)備對電路的干擾，給在線測試和診斷帶來一定的方便和安全性，也是測試技術(shù)的最新發(fā)展方向。

1.5 其他的數(shù)?；旌想娐窚y試與診斷方法

1.5.1 基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理）的測試

其基本原理是：應(yīng)用一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可能是正弦信號(hào)通過數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字化然后通過到DA模塊換成模擬形式，然后模擬信號(hào)激勵(lì)測試電路，它的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

1.5.2 IDDQ的測試

IDDQ測試的原理是無故障CMOS電路在靜態(tài)條件下漏電電流非常小，而故障條件下漏電流變得非常大，可以設(shè)定一個(gè)閾值來作為電路有無故障的判據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樗土行Э梢宰鳛楣δ軠y試和基于固定故障測試方法的補(bǔ)充，不需要故障傳輸直接通過電源電流觀察而使得它的可觀測性強(qiáng)。缺點(diǎn)是隨著電路特征的收縮，IDDQ測試的有效性將會(huì)降低。IDDQ靜態(tài)電流測試是專門針對CMOS電路的測試技術(shù)，不適合非CMOS電路的測試。

1.5.3 內(nèi)置自測試方法

內(nèi)置自測試方法目前很多，它的基本思想是把所有的測試電路都做到芯片上，通過發(fā)出一個(gè)特殊的輸入信號(hào)或是輸入組合來激活芯片內(nèi)的某些電路，然后這個(gè)被激活的電路就開始在芯片上運(yùn)行一系列的測試，如果測試的結(jié)果與所希望的結(jié)果不符，芯片就發(fā)出信號(hào)，這樣芯片就能測試它自己了。這里介紹一種混合電路的自測試方案MADBIST：基本原理就是芯片上的全數(shù)字調(diào)制振蕩器產(chǎn)生單位數(shù)字序列，這個(gè)序列中有性能良好的正弦曲線和頻譜互相垂直的諧波信號(hào)，此信號(hào)用來作為AD轉(zhuǎn)換電路的輸入，其輸出用傅里葉變換進(jìn)行處理，測試的另一個(gè)步驟就是用相似的數(shù)字測試信號(hào)激發(fā)DA電路來測試它，輸出通過AD電路來數(shù)字化，一旦認(rèn)為DA起作用，兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能用來測量其他的模擬電路。

1.5.4 模擬測試總線方法

混合信號(hào)測試總線的基本原理就是包含了一組模擬邊界單元以及與兩個(gè)專用管腳（AT1和AT2）相連的兩套模擬總線，這樣混合電路的模擬部分就能用與數(shù)字邊界掃描測試技術(shù)同樣的方法來測試。但是其對分立元件參數(shù)值的測量誤差大，不適于測高頻和射頻混合電路，而且還沒有具體的測試策略。由于相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還沒有推出也給測試系統(tǒng)的自動(dòng)測試帶來了不便，這個(gè)結(jié)構(gòu)也決定了會(huì)提高混合IC的技術(shù)成本。諸多原因決定了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用還沒有被推廣。

2 基于離散事件系統(tǒng)（DES）的方法

離散事件系 統(tǒng)[5]（Discrete Event System ，DES）是 20 世紀(jì)80年代初建立的一類具有代表性的人造系統(tǒng)模型。對其最早的研究可以追溯到排隊(duì)現(xiàn)象和排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的研究。離散事件系統(tǒng)理論是目前一個(gè)比較活躍的研究領(lǐng)域，該領(lǐng)域由于具備在各應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛適應(yīng)性而得到迅速的發(fā)展，特別是在通訊網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)輸系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)、軍事指揮等發(fā)面。運(yùn)用DES理論所研究的系統(tǒng)要具有以下兩個(gè)關(guān)鍵特征:

1）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程是事件（Event）驅(qū)動(dòng)而不是時(shí)間驅(qū)動(dòng)，也就是說DES的行為是由不同類型的events的發(fā)生來控制，而不是時(shí)間的流逝來控制；

2）描述系統(tǒng)的變量中至少有一些是離散的（Discrete）。DES建模時(shí)較典型的discrete變量例子如對一電源的狀態(tài)描述中的過載、輕載、繁忙、DES空閑等，或者用來計(jì)算等待被電源服務(wù)的用戶個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)。

由于數(shù)?；旌想娐返臏y試具備以上兩個(gè)關(guān)鍵特征，所以可以采用DES理論對其進(jìn)行分析研究。該理論將對數(shù)字/模擬信號(hào)的測試統(tǒng)一在同一個(gè)數(shù)學(xué)模型下面，不必因?yàn)殡娐分行盘?hào)模型的不同而將被測試電路按信號(hào)類型分開處理，尤其是當(dāng)數(shù)字和模擬部分相互融合不能分塊時(shí)，這樣處理就顯得非常的重要。在用DES理論進(jìn)行數(shù)模混合電路可測試性分析的框架中，電路元件的故障狀態(tài)用一個(gè)離散狀態(tài)來表示，測試及測試結(jié)果用離散事件來表示。這樣，研究電路的可測試性和故障診斷問題就轉(zhuǎn)化為考察哪些離散事件可觀測、哪些狀態(tài)需要識(shí)別以及研究所有可觀測事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)之間的問題。這樣就對數(shù)字和模擬信號(hào)采用了統(tǒng)一的處理方式。

2.1 DES理論簡介

2.1.1 離散事件

離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的基本要素是離散事件。DES行為隨時(shí)間的演化過程就是離散事件復(fù)雜交互影響的結(jié)果。粗略地說，離散事件是指DES中發(fā)生在離散時(shí)刻的事件，而所謂事件則是指使DES狀態(tài)發(fā)生變動(dòng)的一個(gè)行為或事情。

DES中離散事件具有3個(gè)基本特征：1）離散事件是導(dǎo)致DES狀態(tài)發(fā)生躍變和觸發(fā)新離散事件的唯一元素；2）離散事件發(fā)生的時(shí)刻是異步的非約定的，即發(fā)生時(shí)由且僅由系統(tǒng)的演化過程所決定；3）離散事件是研究DES的主體，對DES的分析歸結(jié)為確定離散事件交互影響所導(dǎo)致的系統(tǒng)的演化過程，對DES的控制歸結(jié)為禁止不期望事件的發(fā)生或者說是使事件按期望的時(shí)序發(fā)生。

2.1.2 離散事件系統(tǒng)

目前對于離散事件系統(tǒng)還沒有一個(gè)具有概括性和普適性并被一致認(rèn)可的定義。然而，可以給其下一個(gè)粗略的定義：離散事件系統(tǒng)是有離散事件驅(qū)動(dòng)，并由離散事件按照一定運(yùn)行規(guī)則相互作用，來導(dǎo)致狀態(tài)演化的一類狀態(tài)系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)具有如下的一些特點(diǎn)：

1）DES的狀態(tài)只能在離散事件點(diǎn)上發(fā)生躍變。在DES中，狀態(tài)演化是由事件驅(qū)動(dòng)的，即僅在驅(qū)動(dòng)事件發(fā)生的瞬時(shí)，狀態(tài)才能出現(xiàn)躍變，其他時(shí)刻則保持不變。這是一種固有的不連續(xù)的屬性。

2）DES的狀態(tài)變化具有異步性和并發(fā)性。在DES中，由系統(tǒng)固有的離散性決定了演化過程中狀態(tài)發(fā)生躍變時(shí)刻呈現(xiàn)異步性，在時(shí)間軸上狀態(tài)躍變時(shí)刻是異步地排列的。此外，一個(gè)離散事件的發(fā)生，可能會(huì)是狀態(tài)變化呈現(xiàn)并發(fā)性，即同時(shí)導(dǎo)致一些乃至全部狀態(tài)變量的躍變。

3）實(shí)際DES的狀態(tài)變化往往呈現(xiàn)不確定性。在DES中，離散事件同時(shí)受系統(tǒng)內(nèi)部因素和外部因素的約束，這些因素嚴(yán)格地說總是包含某種不確定性，由此導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)變化呈現(xiàn)出不確定性。

4）由于DES服從的是人為的邏輯規(guī)則，而不是物理學(xué)定律以及其衍生物，這就決定了DES通常不能采用傳統(tǒng)的微分方程或差分方程來描述。

2.2 采用DES理論對電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模[6-7]

一個(gè)被檢測診斷的數(shù)?；旌想娐稧可用DES理論進(jìn)行建模：G=（∑，Q，δ）。其中∑是G的事件（events）集合；Q是電路G的狀態(tài)（states）集合，（∑和 Q 一般都是有限的）；δ:∑×Q→2Q為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，δ（σ，q）給出當(dāng)事件 σ（σ∈∑）在 G處于狀態(tài)q（q∈Q）時(shí)發(fā)生，然后模型可能進(jìn)入的狀態(tài)集合，一般來說，q取G的正常工作狀態(tài)。事件集∑中的元素σ描述了對被測電路能施行的潛在測試及其結(jié)果，如施加激勵(lì)信號(hào)和測試響應(yīng)結(jié)果；狀態(tài)集Q中的元素q主要用來描述電路系統(tǒng)中各元件的故障狀態(tài)，也可用來描述電路元件的正常狀態(tài)，它們是根據(jù)測試要求定義的；狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ描述了測試及其結(jié)果和故障狀態(tài)之間的關(guān)系。

這里還要涉及到狀態(tài)分區(qū)（states partitioning）的概念。當(dāng)電路系統(tǒng)狀態(tài)集Q給定，假設(shè)有分區(qū)T將Q分成多個(gè)彼此獨(dú)立的子集（小單元），每個(gè)小單元中可能包含一個(gè)狀態(tài)，也可能包含多個(gè)狀態(tài)。如果兩個(gè)狀態(tài)q和q′同屬一個(gè)小單元，則在考慮T時(shí)它們是相當(dāng)?shù)?，?biāo)記為q=Tq′或者q′=Tq。對事件集∑中的每一個(gè)事件σ定義一個(gè)與之相對應(yīng)的分區(qū)Tσ：Tσ={Q（σ），Q-Q（σ）}，其中 Q（σ）={q∈Q：（?q′∈Q）；q∈δ（σ，q′）}，表示事件σ發(fā)生后G可能進(jìn)入的狀態(tài)集合。此時(shí)，分區(qū)Tσ將分為Q在事件σ發(fā)生后G可能所處的狀態(tài)集合和G不可能所處的狀態(tài)集合。因此，在事件σ被觀測到后，可以知道G所處的狀態(tài)必然在Q（σ）中。顯然，對事件集∑中每一個(gè)σ都需要定義一個(gè)分區(qū)Tσ，要得到對應(yīng)σ的Tσ需要模擬仿真實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

既然系統(tǒng)的狀態(tài)描述了電路元件故障及正常情況，那么檢測電路的故障就是判別電路系統(tǒng)G處于哪個(gè)狀態(tài)或哪個(gè)狀態(tài)集合中。根據(jù)對電路系統(tǒng)的測試要求可以將狀態(tài)集Q分區(qū)為各獨(dú)立的小單元，并標(biāo)記為期望分區(qū)Tσ。期望分區(qū)T中每個(gè)小單元表示了電路故障所需要隔離的程度，如果若干個(gè)狀態(tài)處在T中的同一個(gè)小單元內(nèi)，則表示在考慮測試要求T時(shí)它們是相當(dāng)?shù)?，無法將其隔離開來。

2.3 采用DES理論進(jìn)行數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷

在采用DES進(jìn)行數(shù)模混合電路的故障診斷分析中，主要進(jìn)行下面幾個(gè)方面的工作：

1）判斷電路系統(tǒng)的可測試性[8]

首先介紹下可測試性的定義：在電路系統(tǒng)G中所有可觀測事件集合記為∑0，若G在考慮∑0和 T時(shí)存在∧σ∈∑0Tσ≤（∧表示各分區(qū)的交集，≤表示“更精確”），則G可測?？梢钥闯?，可測試性依賴于期望分區(qū)T和可觀測事件集∑0，若G中的任何兩個(gè)不能被所觀測的事件區(qū)分開的狀態(tài)都在T中的同一個(gè)小單元內(nèi)，則G可測。因此觀測一個(gè)事件σ確定一個(gè)分區(qū)Tσ的過程，實(shí)際就是在測試中完成了一步的故障隔離。

2）T給定時(shí)，求電路的最小測試集min OES（T）

所有在分區(qū)為T時(shí)，使電路G可測的可觀測事件集（OES：observable event sets） 的集合為：OES（T）={∑0?∑：G在∑0和T情況下可測}。在被測電路是可測的情況下，去掉部分可觀測事件，仍可以保證測試的故障隔離度，直到從剩余的事件集中再移開任一個(gè)事件，都將使G變得不可測，則剩余的可觀測事件集合就為min OES（T）。但是最小測試集并不是唯一的，可能存在多個(gè)min OES（T），要根據(jù)測試情況以及測試代價(jià)來選取最理想的min OES（T）。

3）求取電路的故障隔離率

如果可觀測事件集∑0先給定，但是G在考慮分區(qū)∑0和T時(shí)是不可測的，那么就要尋找一個(gè)比T“更粗略”的最精細(xì)分區(qū)使得可測。定義所有比“更粗略”的可測試分區(qū)的集合為：D（T）={T′：T≤T′且 G 在∑0和 T′情況下可測}，這個(gè)集合的下確界元素（考慮≤）inf就是要尋找的“最精細(xì)”分區(qū)。這個(gè)最精細(xì)的分區(qū)告訴我們在先給定的可觀測事件集時(shí)哪些狀態(tài)可以區(qū)分隔離開，哪些狀態(tài)不可以隔離，它反映了“可測試度”?？蓽y試度度量了在給定測試點(diǎn)下故障的覆蓋率。

如果測試要求是將電路中的每一個(gè)單故障狀態(tài)都要隔離開來，即測試要求分區(qū) T={{q0}，{q1}，…，{qn}}那么對計(jì)算故障隔離率，inf D（T）中僅包含一個(gè)狀態(tài)元素的小單元所對應(yīng)的故障狀態(tài)是在測試中可以定位和隔離的，故障隔離率為p=m/n，其中m是inf D（T）中可以實(shí)現(xiàn)故障定位的狀態(tài)數(shù)，n是電路系統(tǒng)G中狀態(tài)集Q所包含狀態(tài)的總數(shù)目。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于將對數(shù)字/模擬信號(hào)的測試統(tǒng)一在同一個(gè)數(shù)學(xué)模型下，不必因?yàn)殡娐分行盘?hào)模型的不同而將被測電路按信號(hào)類型分開處理，尤其是當(dāng)數(shù)字和模擬部分相互融合不能分塊時(shí)，在統(tǒng)一的框架下進(jìn)行計(jì)算、判斷和處理就顯得特別重要。

DES理論中，最小測試集的求取是關(guān)鍵，盡管這方面目前已經(jīng)有大量的研究，但是仍是難點(diǎn)之一。

3 結(jié) 論

現(xiàn)階段，大規(guī)模的數(shù)?；旌想娐吩趹?yīng)用中所占的比重越來越大，其故障診斷已經(jīng)成為亟待解決的一個(gè)難題。數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷方法多種多樣，但依舊沒有在質(zhì)上取得突破，未來幾年，數(shù)?；旌想娐饭收显\斷將有進(jìn)一步的發(fā)展。

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