模擬電路故障物理注入系統(tǒng)設(shè)計

李文海 李睿峰 王怡蘋 席靚

摘 要：針對當前模擬電路故障物理注入試驗中缺乏高效故障注入及測試數(shù)據(jù)采集手段的問題，設(shè)計一種基于PXI儀器總線的自動化故障注入系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成對模擬電路大部分故障的自動化注入以及故障響應(yīng)信息的采集等功能，具有通用性、擴展性和易操作等特點。此外，對開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制信號進行建模，確保開關(guān)切換時切換對象、切換時間的準確無誤，避免故障注入過程中發(fā)生錯誤導(dǎo)致故障注入系統(tǒng)和被測電路的損壞。最后，通過對實例電路進行試驗，驗證了該系統(tǒng)的實用性，并收集了進行測試性分析所需的數(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)； 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)； 拓撲模型

中圖分類號： TN710.4?34； TP206.1 文獻標識碼： A 文章編號： 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)是進行產(chǎn)品測試性驗證試驗的重要手段[1]，按試驗運行環(huán)境即目標系統(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[2]。前者通過構(gòu)造模擬模型來運行故障注入試驗，后者則可以在實體電路上注入故障。由于在某些情況下模擬注入得到的結(jié)果與實際情況還有較大差別，因此需要物理注入對其進行驗證。

文獻[1]設(shè)計的自動控制故障注入設(shè)備，可以針對成品電子設(shè)備，在連線上直接注入故障。文獻[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種常見的故障類型。文獻[4?5]設(shè)計一種軟硬件結(jié)合的裝備半實物測試模擬器，利用自動測試系統(tǒng)對半實物武器裝備模型進行測試，從而實現(xiàn)對其測試性設(shè)計水平的驗證。

文獻[6]提出一種基于DSP技術(shù)的半實物仿真式故障注入系統(tǒng)。文獻[7]設(shè)計一個支持多層次多故障類型的總線故障注入系統(tǒng)框架。

在上述故障注入工具的設(shè)計中仍然存在一些問題：

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，能夠運行仿真的電路也都基于理想模型，與具體實際存在很大差別。

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

本文針對模擬電路的測試性驗證的工程需要，通過研究電路故障的實現(xiàn)形式和控制故障注入的操作方式[8]，設(shè)計了一種自動化故障注入系統(tǒng)（以下簡稱“故障注入系統(tǒng)”），構(gòu)建電路進行故障物理注入試驗并測試了故障響應(yīng)。

1 設(shè)計需求分析

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)計的電路成品，需要通過改變電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)引入故障。在電路測試性設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)試驗得到的易發(fā)故障模式，在電路內(nèi)部連線的相應(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、場效應(yīng)管和集成芯片等[9]。文獻[3]給出了常見電路的故障模式，而對于模擬電路元器件來說，可以歸結(jié)為開路、短路、參數(shù)漂移、橋接電阻和連接錯誤5種故障類型。需要指出的是，對具有3個以上管腳的元器件，開路故障應(yīng)該分別考慮每個管腳開路的情況，短路故障應(yīng)該分別考慮每2個管腳間短路的情況。故障注入系統(tǒng)必須能夠模擬上述故障類型，具備通用性、擴展性和易操作等特點，且具有較好的信號隔離能力和信號驅(qū)動能力，防止因故障注入系統(tǒng)的接入使被測對象的性能受到影響。

2 自動化故障注入系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)需求分析，設(shè)計了適用于模擬電路測試性驗證的自動化故障注入系統(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：用戶通過軟件完成故障注入試驗的相關(guān)設(shè)置并執(zhí)行故障注入；控制模塊讀取用戶輸入的信息，并驅(qū)動儀器完成相應(yīng)的故障注入和數(shù)據(jù)采集操作；根據(jù)采集到的測試數(shù)據(jù)，用戶提取需要的信息，進行后續(xù)處理。

2.2 硬件平臺構(gòu)成

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

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)生試驗控制的各種信號。自動化故障注入軟件運行在控制模塊上，用于輸入和設(shè)置試驗相關(guān)參數(shù)，接收底層儀器模塊提供的故障測試結(jié)果，進行分析和處理。

2） 信號激勵模塊。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)動需求，產(chǎn)生故障注入試驗所需的各類激勵，通過接口模塊接入到CUT內(nèi)部，作為輸入信號。

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，是故障注入總線的故障模擬端。

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

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

6） 數(shù)據(jù)采集模塊。由PXI組件中的萬用表構(gòu)成，通過信號轉(zhuǎn)接模塊，在執(zhí)行故障注入的同時，測量各測試點的響應(yīng)特征信息，收集測試數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)測試總線的測量端。

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

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

2.3 控制軟件設(shè)計

2.3.1 軟件組成

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

1） 被測電路設(shè)置模塊用于讀取原理圖，并輸入網(wǎng)表，是對CUT內(nèi)部連線及其與故障注入平臺之間連接關(guān)系的描述，同時確定所有可達測試點。

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，給用戶提供一個試驗實測結(jié)果與驗前仿真結(jié)果的對比。

3） 故障注入設(shè)置模塊用于編輯、生成故障注入項目。通過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） 測試數(shù)據(jù)采集模塊用于選擇測試點，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，執(zhí)行故障注入，采集測試數(shù)據(jù)，以及提取測試信息便于后續(xù)處理。

2.3.2 測試流程

故障注入軟件運行在控制模塊上，通過底層儀器驅(qū)動，完成相關(guān)測試，測試流程如圖3所示。

2.3.3 實用軟件開發(fā)

基于CVI軟件平臺，開發(fā)了圖形化的自動化故障注入系統(tǒng)控制軟件。

3 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲建模

3.1 開關(guān)控制模型設(shè)計

故障注入系統(tǒng)與CUT之間存在兩類連接關(guān)系，通過開關(guān)切換完成故障注入和數(shù)據(jù)采集功能?？刂崎_關(guān)切換時，必須確保切換對象、切換時間的準確無誤。因此，建立兩類開關(guān)控制模型：故障注入模塊開關(guān)控制模型和信號轉(zhuǎn)接模塊開關(guān)控制模型。

3.1.1 故障注入模塊開關(guān)控制模型

故障注入模塊采用總線拓撲形式實現(xiàn)電路物理連接失效，以三個開關(guān)為一組，在每個故障注入點處接入一組開關(guān)，通過開關(guān)選擇完成信號正常傳遞或者接入故障。每個開關(guān)組的第1個開關(guān)保持原有線路的連通，第2個開關(guān)接入故障總線A，第3個開關(guān)接入故障總線B。只考慮注入單個故障，采用總線拓撲結(jié)構(gòu)即可完成上文所述五種類型故障的注入，試驗機理如圖4所示。注入開路和短路故障，通過故障注入端的操作即可實現(xiàn)；對于參數(shù)漂移故障，系統(tǒng)只能模擬電阻阻值的增大或減小，分別通過串接電阻和并接電阻實現(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；連接錯誤故障需要使用四組開關(guān)將元器件的正負端短接。

3.1.2 信號轉(zhuǎn)接模塊開關(guān)控制模型

由于所有測試點共用同一個萬用表，且測量電流與測量電壓或電阻等其他信號用到的測試端子是不同的，因此以萬用表的三個測試端子為基礎(chǔ)構(gòu)建了系統(tǒng)測試總線，將CUT的所有測試點通過開關(guān)矩陣接入測試總線。系統(tǒng)配置的矩陣卡可提供4×16矩陣，以矩陣的行作為測試總線，測試總線A，B，C分別與萬用表的電壓、電流和地三個端子連接，將測試點接入矩陣的列，試驗機理如圖5所示。

3.2 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)映射拓撲庫建立

為了避免故障注入錯誤的發(fā)生，建立多路開關(guān)選擇矩陣。每個開關(guān)控制模型用向量表示，向量元素映射為開關(guān)控制信號，控制信號取值對應(yīng)開關(guān)通斷狀態(tài)，“0”表示斷開，“1”表示接通[10]。依次對故障注入開關(guān)控制向量和數(shù)據(jù)采集開關(guān)控制向量進行賦值，建立2類開關(guān)控制向量的映射拓撲庫。

3.2.1 故障注入開關(guān)映射拓撲庫

開關(guān)卡提供40通道開關(guān)，以3個開關(guān)為一組，最多可構(gòu)成13組，占用39個開關(guān)。對于第i個故障注入項目，建立一個39元素的邏輯序列向量式：

3.2.2 數(shù)據(jù)采集開關(guān)映射拓撲庫

由圖5可知，需要對48個雙刀單擲開關(guān)進行控制。因此，對于第i個測試項目，建立一個48元素的邏輯序列向量式：

3.2.3 操作流程

試驗開始時，全部開關(guān)初始化為斷開狀態(tài)，通過故障注入軟件編輯故障注入項目并選擇測試點，軟件建立開關(guān)邏輯序列向量，完成故障樣本的依次注入和測試數(shù)據(jù)采集。

4 應(yīng)用實例

本文選用PSpice仿真實驗中常用的線性串聯(lián)穩(wěn)壓電路，設(shè)計制作了實體電路板，并預(yù)留出故障注入和響應(yīng)測試接口。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 被測電路設(shè)置

CUT輸入激勵采用10 V/50 Hz的正弦信號，共有9個測試點。讀取原理圖文件和網(wǎng)表文檔到程序中，軟件自動完成CUT連接關(guān)系描述與底層具體連線的匹配。

4.2 仿真結(jié)果查看

基于實驗室已開發(fā)的故障模擬注入工具，獲得仿真條件下的測試數(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，進而查看每個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

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

4.4 測試數(shù)據(jù)采集

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

在測試相關(guān)設(shè)置部分，勾選出前9個測試點，根據(jù)電路功能，設(shè)置數(shù)據(jù)采集項目為電壓，由于輸入信號周期為20 ms，因此采集的步進為1 ms，持續(xù)時間為1 s，系統(tǒng)會在故障注入后延時1 s用來完成數(shù)據(jù)采集。執(zhí)行故障注入，待所有項目完成之后，電路斷電并恢復(fù)至正常狀態(tài)，通過測試數(shù)據(jù)采集部分將故障注入結(jié)果顯示出來，見圖7。由于CUT各測試點上多是負值電壓，因此在測試信息提取部分提取了測試數(shù)據(jù)的最小值信息，并保存到文件中。

5 結(jié) 語

本文針對模擬電路的故障物理注入問題，設(shè)計實現(xiàn)了自動化故障注入系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠完成對模擬電路大部分故障的自動化注入以及故障響應(yīng)信息的采集，具有通用性、擴展性和易操作等特點。采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制模型，避免故障注入過程中發(fā)生錯誤導(dǎo)致故障注入系統(tǒng)和被測電路的損壞。最后，通過對實例電路進行試驗，驗證了系統(tǒng)的實用性。

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