一種面向板級電路的故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李佳亮（裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京，100072）

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一種面向板級電路的故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李佳亮
（裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京，100072）

摘要：在裝備測試性驗(yàn)證過程中，故障注入是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。針對于裝甲裝備測試性設(shè)計(jì)不足的情況，利用已有實(shí)驗(yàn)條件，通過對電路中故障進(jìn)行分類，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)的模擬故障板，對某型坦克炮控系統(tǒng)中的電路板進(jìn)行了故障注入，用故障檢測設(shè)備檢測到故障的存在，通過分析測試性驗(yàn)證數(shù)據(jù)，為裝備BIT研究以及測試性設(shè)計(jì)的提高提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：測試性驗(yàn)證；故障注入；電路故障；炮控系統(tǒng)

1 設(shè)計(jì)思想

在某型坦克炮控系統(tǒng)的故障檢測過程中，操作人員主要是基于電壓信號對各部件進(jìn)行故障檢測，所以對于電壓型故障進(jìn)行模擬并注入，可以通過故障檢測對設(shè)備的測試性進(jìn)行分析并得出結(jié)論。這里提出一種電路故障分類方法，將故障分為硬故障和軟故障，其中硬故障包括短路、斷路等，它是一種對電路性質(zhì)產(chǎn)生根本性改變的結(jié)構(gòu)型的故障；軟故障包括信號噪聲干擾等，它是一種不改變電路性質(zhì)，只對電路產(chǎn)生干擾信號，造成電路性能細(xì)微變化的故障，是一種參數(shù)型故障。本文選取的常見電路故障模式有斷路、短路、固高、固低、串聯(lián)電阻、串聯(lián)電感、并聯(lián)電容、信號干擾等八種故障類型。這里將對于硬故障和軟故障分別進(jìn)行故障模擬，并將故障電路板與故障注入受體電路板連接，然后通過計(jì)算機(jī)控制故障模塊的選通，在合適的通路上注入需要的故障模式。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由故障控制模塊和故障模擬生成模塊組成，其中故障模擬生成模塊區(qū)分為硬故障模塊和軟故障模塊，其分別實(shí)現(xiàn)不同類型故障的模擬和注入。

2.1 故障控制模塊。故障控制模塊由PC機(jī)、控制軟件以及 I/ O接口卡組成。操作人員通過計(jì)算機(jī)控制軟件頁面輸入指令，經(jīng)I/ O接口卡傳遞給故障模塊，模擬并選通故障類型，實(shí)現(xiàn)故障的注入。其中計(jì)算機(jī)用來控制整個(gè)試驗(yàn)的流程和試驗(yàn)結(jié)果的記錄，I/O接口卡與計(jì)算機(jī)相連，用來控制繼電器陣列的選通和工作。

2.2 硬故障注入模塊。硬故障注入模塊主要由故障模擬、故障選通等二級模塊構(gòu)成，其中故障模擬模塊由不同阻值的電阻、數(shù)值不同的電感、電容以及二極管等故障元器件構(gòu)成；故障選通模塊即為繼電器陣列，通過不同的開關(guān)組合，選擇需要的故障模式。

圖1 硬故障注入示意圖

3 工作原理

本設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)和I/O接口卡為通用的計(jì)算機(jī)和 I/O板卡， 控制軟件是根據(jù)設(shè)備硬件和試驗(yàn)需要運(yùn)用Labview等軟件進(jìn)行編制的， 在此就不再贅述。下面主要介紹兩種故障模塊的工作原理。

3.1 硬故障注入模塊。斷路、短路、固高、固低、串聯(lián)電阻、串聯(lián)電感、并聯(lián)電容這些故障模式都可以用開關(guān)控制的方式實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示。斷路，關(guān)斷信號通路；短路，接通不相連的信號通路；固高即持續(xù)高電平，把信號與電源輸入相連；固低即持續(xù)低電平，信號線與地線搭接；串聯(lián)電阻、電感即在信號通路上串聯(lián)不同類型的電阻或電感；并聯(lián)電容即與信號通路并行設(shè)立電容元件。

圖2所示的故障模擬與故障選通繼電器陣列可以用矩陣描述，其中當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)置“1”，開關(guān)斷開時(shí)置“0”?？紤]計(jì)算方便和美觀因素，可以構(gòu)造8×8矩陣A，其正常工作狀態(tài)為A0。例如，在故障狀態(tài)下，當(dāng)選通故障為a線路斷路故障時(shí)，描述矩陣為A1；當(dāng)選通故障為a、b間短路故障時(shí)，描述矩陣為A2；當(dāng)選通故障為b線路固高時(shí)，描述矩陣為A3；當(dāng)選通故障為b線路固低時(shí)，描述矩陣為A4；當(dāng)選通故障為串聯(lián)電阻時(shí)，描述矩陣為A5；當(dāng)選通故障為串聯(lián)電感時(shí)，描述矩陣為A6；當(dāng)選通故障為并聯(lián)電容時(shí)，描述矩陣為A7。其中，描述矩陣表述如下：

由于矩陣表達(dá)的方法不唯一，所以在計(jì)算中應(yīng)選取最合適的描述矩陣。

3.2 軟故障注入模塊。軟故障注入模塊主要指電壓型信號類故障注入模塊，其原理為信號疊加，即對正常的電壓信號進(jìn)行干擾信號的疊加，它的故障表現(xiàn)形式是信號傳輸產(chǎn)生錯(cuò)誤，電壓值的異常。干擾信號來源是故障控制板，該控制板由DSP控制板，D/A轉(zhuǎn)換電路和信號放大電路組成，其中DSP主要由TMS320F28335構(gòu)成，它與上位機(jī)交互信息，產(chǎn)生表述故障特征的數(shù)字信號如正弦波、方波等，D/A轉(zhuǎn)換電路用以產(chǎn)生對應(yīng)的模擬故障信號，通過信號放大電路使輸出電壓值達(dá)到要求，該模擬故障信號將會與正常信號進(jìn)行噪聲疊加，產(chǎn)生故障信號。其工作過程如圖3所示，其中正常電壓信號為u0，模擬電磁干擾電壓信號為u1，經(jīng)噪聲疊加后輸出電壓為u0'，滿足公式u0+u1=u0'。

電信號的傳輸是單向傳輸，如果在電路中添加光電隔離器（亦稱光耦合器）可以提高抗擾性和絕緣性，同時(shí)光電隔離器具有共模抑制能力，對于長線信息傳輸可以提高信噪比，所以針對不同的電路板可以考慮添加光電隔離器來確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。

4 結(jié)論

提出一種電路故障分類方法，將故障分為硬故障和軟故障，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電路故障源板，在某型坦克炮控系統(tǒng)的測試性驗(yàn)證試驗(yàn)中， 應(yīng)用本故障注入系統(tǒng)可以將電路板中常見故障模式順利進(jìn)行注入， 并且在故障檢測端能順利檢測出對應(yīng)的故障，取得了理想的結(jié)果，為今后炮控系統(tǒng)BIT的研究和裝甲裝備測試性設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

田仲，石君友.系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

Design of fault injection system for board-level circuit

Li Jialiang
（Academy Armored Forces Engineering，Beijing，100072，China）

Abstract：In the testability verification process of the equipment，fault injection is a key technology. In armored equipment for testing of inadequate design， use the existing experimental conditions，by classifying the circuit fault，designed and implemented the corresponding fault simulation board，inject fault into the analog board in Gun Control System，detectthe presence of the fault by testing tools， analyzing the test data validation，provide the basis to improve the testing equipment BIT design.

Keywords：testability verification；fault injection；circuit fault；Gun Control System

中圖分類號：TP306

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A