電子設(shè)備測試裝置的通用測試工裝及其測試方法

李 剛，馬彥恒

1.滁州學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，安徽滁州，239000；

2.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北石家莊，050003

現(xiàn)代電子裝備功能越來越先進、系統(tǒng)構(gòu)成越來越復(fù)雜，在其發(fā)生故障后，利用測試裝置測試其故障的難度也越來越大。由于現(xiàn)代電子裝備的復(fù)雜性，導(dǎo)致其測試裝置的設(shè)計、開發(fā)難度也越來越大，電子測試裝置的測試能力是否能夠達到設(shè)計要求也成為了一個越來越難以保證的問題。

為了確保電子測試裝置的設(shè)計、開發(fā)能夠滿足設(shè)計要求，需要在電子測試裝置的研制階段和開發(fā)出來以后，進行功能和性能的驗證。目前一般是針對特定電子測試裝置，使用相應(yīng)的電子裝備實物進行物理故障注入［1-3］，然后利用電子測試裝置對故障進行測試；或者開發(fā)專用測試工裝，模擬電子裝備實物的故障信號，提供給電子測試裝置進行測試，驗證電子測試裝置的測試能力［4-6］。對于第一種做法，將物理故障注入電子裝備，可能會造成對電子裝備的損害，甚至是機毀人亡的災(zāi)難，而且很多的故障是無法注入到電子裝備中的。對于第二種做法，需要針對不同的測試裝置開發(fā)專用的測試工裝，需要耗費大量的時間和費用，開發(fā)難度也比較大，一般的電子測試裝置研發(fā)、生產(chǎn)單位都承擔(dān)不起這樣的成本，導(dǎo)致無測試工裝可用。

針對這一現(xiàn)狀，本文探討了一種電子測試裝置的通用測試工裝技術(shù)，其利用電路仿真模型代替實物電子設(shè)備，利用虛擬儀器技術(shù)模擬產(chǎn)生電子設(shè)備的正常和故障物理信號。這樣可以為各種不同的電子測試裝置提供一個通用的測試平臺，產(chǎn)生所需要的各種正常和故障信號，以驗證各種不同電子測試裝置的功能和性能。此通用工裝和相應(yīng)方法，為電子測試裝置研制階段對設(shè)計水平的評價、驗證提供了一個有效的手段。

1 電子測試裝置通用測試工裝總體設(shè)計方案

電子測試裝置通用測試工裝總體組成框架如圖1所示，由客戶端、服務(wù)器、虛擬儀器和測試適配器四部分組成。

圖1 測試設(shè)備通用驗證工裝總體組成結(jié)構(gòu)

客戶端主要功能是利用電路仿真軟件建立電子裝備（即電子測試裝置測試對象）的電路仿真模型，利用電路仿真模型替代電子裝備實物。在此基礎(chǔ)上，在客戶端利用仿真軟件向電子裝備電路仿真模型中注入仿真故障并進行仿真，得到電子裝備各測試點電信號參數(shù)的仿真值。客戶端實現(xiàn)了對電子裝備實物的仿真模擬和對物理故障注入的仿真模擬，最后可以獲得電子裝備在注入各種故障后，測試點電信號參數(shù)的仿真值。但此時獲得的電信號參數(shù)仿真值只是一系列的數(shù)值，并不是實際物理信號。

服務(wù)器的主要功能是從客戶端獲取電信號參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析，產(chǎn)生控制虛擬儀器所需的各種參數(shù)并下發(fā)給虛擬儀器。下發(fā)給虛擬儀器的參數(shù)主要用于控制虛擬儀器產(chǎn)生與測試點電信號參數(shù)一致的物理信號。

虛擬儀器（基于 PCI、PXI、VXI、LXI等總線技術(shù)的信號產(chǎn)生板卡或單體信號源）主要功能是根據(jù)服務(wù)器提供的參數(shù)產(chǎn)生各種與測試點電信號參數(shù)一致的實際物理信號并傳送給測試適配器。虛擬儀器的種類和數(shù)量需要根據(jù)通用測試工裝保障的電子裝備類型和測試儀器測試覆蓋情況確定和配置。

測試適配器的功能是根據(jù)電子裝備與測試裝置測試連接的接口類型、數(shù)量和測試流程，提供單用或復(fù)用的測試專用或通用接口以供測試裝置驗證其對電子裝備的測試功能、性能時連接所用。測試適配器可以采用通道復(fù)用技術(shù)，使得一個測試接口可以提供多個或多種測試信號，以達到降低成本，減小體積和通用化的目的。但是，測試接口的復(fù)用必須要保證能夠滿足測試裝置不同測試流程對被測信號和接口的需求。

2 故障仿真的自動注入方法

利用電路仿真軟件可以建立電子裝備的電路仿真模型，對電子裝備各測試點電壓、電流等電信號參數(shù)進行仿真，并可以對電路仿真模型注入仿真故障，獲得故障情況下測試點電信號參數(shù)值。目前市場上電路仿真軟件種類較多，本文結(jié)合通用測試工裝的需求，選擇PSPICE軟件作為電路仿真軟件，進行電路故障仿真的自動注入技術(shù)研究。

在對故障仿真注入的研究中發(fā)現(xiàn)，目前故障仿真注入中存在如下問題［7-9］：（1）注入故障數(shù)量大時，需要耗費大量的時間和精力，效率較低；（2）故障注入與故障仿真之間的銜接仍需要手動進行，自動化水平低。這將極大地影響電子設(shè)備測試裝置通用測試工裝應(yīng)用效果，增加其應(yīng)用難度。因此，需要研究故障仿真注入的自動化方法和技術(shù)。

為了實現(xiàn)故障仿真注入的自動化，客戶端軟件采用建立故障庫的方法進行故障注入。即在進行故障注入前建立一個故障庫，將電子零部件或功能模塊不同的故障模式形成故障模型并存儲到故障庫中，需要注入某種類型的故障模式時，直接從庫中調(diào)用相應(yīng)的故障模型替換原正常模型即可。這在很大程度上能夠提高故障自動注入的效率及自動化水平。

對于簡單二端元器件來說，其主要故障模式比較容易實現(xiàn)故障自動注入，在注入過程中直接采用修改參數(shù)的方法實現(xiàn)，簡便易行，不需要特別建立故障模型；對于復(fù)雜元器件或者功能模塊，如三極管，其故障模式比較復(fù)雜，建立故障模型并存儲到故障庫中是必要的。故障庫建立時，根據(jù)仿真軟件特點將故障模型以子電路的形式建立，其基本步驟如下：

（1）將元器件的故障模式在仿真軟件下創(chuàng)建成子電路的形式，并創(chuàng)建其網(wǎng)表；

（2）使用Symbol Creation Wizard向?qū)?chuàng)建故障模型的元件符號；

（3）啟動模型編輯器Model Editor，生成新的模型庫文件.lib和新的符號庫文件.olb庫文件；

（4）配置故障庫文件，新的符號庫（.olb）通過“Add Library”配置，新的模型庫（.lib）在仿真配置窗口中的“Configuration Files”選項卡進行配置，必須同時配置好兩個庫文件，才能保證Capture和PSPICE A／D可以找到故障庫器件。

采用故障庫的方法能夠?qū)崿F(xiàn)故障注入的自動化，但是故障庫的故障模型設(shè)計的準(zhǔn)確度和覆蓋面問題也是該方法中待研究和解決的難點，模型準(zhǔn)確度問題需要對建立的故障庫進行測試驗證進而進行修正，覆蓋面問題則是長期研究工作的積累，通過不斷的積累來完善補充故障庫內(nèi)容。

故障自動注入的核心思想是對PSPICE網(wǎng)表文件的修改和替換。PSPICE的網(wǎng)表文件是純文本文件，進行PSPICE網(wǎng)表文件搜索匹配和替換操作時，不能提供要查找的確切文字或者文字具體位置，因為PSPICE中的網(wǎng)表文件對于不同的電路是動態(tài)變化的，不是對于靜態(tài)文本中的簡單搜索和替換可以完成。所以，對于PSPICE網(wǎng)表文件搜索匹配和替換操作采用文本文件操作的行替換模式及字符匹配進行行替換操作，具體實現(xiàn)流程如圖2所示。

3 信號仿真參數(shù)獲取和下發(fā)方法

使用第2節(jié)介紹的方法，在客戶端將故障注入到電子裝備的電路仿真模型中，然后進行電路仿真，便獲得了電子裝備在注入各種故障后測試點電信號參數(shù)的仿真值。但此時獲得的電信號參數(shù)仿真值只是一系列的數(shù)值，并不是實際物理信號。服務(wù)器需要獲取這些仿真參數(shù)并控制虛擬儀器產(chǎn)生各種物理信號。

圖2 故障自動注入法流程圖

服務(wù)器獲取仿真參數(shù)的方法如下：從客戶端載入電子裝備仿真后測試點的仿真結(jié)果文件，讀取文件中各測試點數(shù)據(jù)，判斷是否為周期信號，如果是周期信號，則計算頻率、周期等相關(guān)參數(shù)，還需要根據(jù)信號的幅度和虛擬儀器所能產(chǎn)生信號的幅度極限，計算虛擬儀器需要產(chǎn)生的信號幅度和衰減量。如果是非周期信號，則只計算虛擬儀器需要產(chǎn)生的信號幅度和衰減量。選擇需要下發(fā)給虛擬儀器的測試點信號，判斷是否為周期信號，若是周期信號，則截取一個周期進行下發(fā)，即將計算所得信號參數(shù)和衰減量下發(fā)給虛擬儀器。如果是非周期信號，則下發(fā)測試點的所有數(shù)據(jù)，虛擬儀器同步產(chǎn)生物理信號。信號參數(shù)獲取和下發(fā)流程如圖3所示。

圖3 信號仿真參數(shù)獲取和下發(fā)流程圖

測試點電信號是否為周期信號，判別方法不一。本文采用如下方法進行判別：讀取客戶端仿真結(jié)果文件中測試點所包含的時間和電壓、電流等電信號數(shù)值，并保存在數(shù)組中。遍歷數(shù)據(jù)找到電壓的最大值和最小值，計算出電壓的中間值；通過循環(huán)判斷電壓在上一時間點小于中間值，下一時間點大于中間值的時間并記錄該時間點；遍歷完數(shù)組后，判斷各區(qū)間的時間差，如果小于規(guī)定閾值（如10%）則斷定為周期信號。

上述算法適用于正弦信號等變化率較小的連續(xù)模擬信號。對于變化率較大的方波信號，可采用以下判別方法：記錄第1個數(shù)據(jù)點電壓，遍歷數(shù)組直到電壓值與第1點相同，記錄第1點到第2點區(qū)間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，并以此區(qū)間長度判斷下一區(qū)間是否與第1區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)相同，如果誤差在規(guī)定個數(shù)（如3個）以內(nèi)，則認(rèn)定為周期信號；如果不相同，則從第2記錄點開始繼續(xù)遍歷尋找下一點，并按照上述方法進行判斷。

為了提高判斷的準(zhǔn)確度，一般情況下，首先使用第二種判別方法進行判別，如果判別結(jié)果不是周期信號，則再使用第一種方法進行判別。

4 實例應(yīng)用

依據(jù)本文所述方法和技術(shù)，開發(fā)了以雷達裝備測試裝置為保障對象的通用測試工裝。該通用工裝以PSPICE軟件作為仿真軟件，開發(fā)了相應(yīng)的客戶端軟件進行故障仿真自動注入［10］，開發(fā)了仿真參數(shù)自動獲取、分析和下發(fā)的服務(wù)器程序，并基于PXI總線的測試機箱和板卡開發(fā)了虛擬儀器，用于產(chǎn)生物理信號［11-12］。

下面以某濾波器電路為例，利用本文所述方法對其進行故障注入、參數(shù)提取分析和下發(fā)以及物理信號生成。該濾波器電路如圖4所示。該電路為多階低通濾波器，經(jīng)過U1，U2，U3三個運放后，濾波器的性能逐漸加強，濾波效果應(yīng)該是逐級變好，更接近理想低通濾波器幅頻特性。電路的頻率特性曲線如圖5所示，可以看出，從U1到U3的濾波效果逐級加強，到U3已基本接近理想低通濾波器。

圖4 橢圓濾波器電路

圖5 橢圓濾波器電路幅頻特性曲線

假設(shè)R12發(fā)生短路故障模式，按照故障自動注入實現(xiàn)流程進行故障注入，讀取網(wǎng)表中R12的參數(shù)、節(jié)點信息，使用替換法進行故障注入。注入故障前的R12網(wǎng)表為：

R_R3 OUT1 N01734 Rbreak 147k

R_R17 N070101 N07176 Rbreak 10k

R_R12 N03111 N03142 Rbreak 10k

C_C2 N01897 N01963 Cbreak 2.67n

注入故障后的網(wǎng)表變?yōu)椋?/p>

R_R3 OUT1 N01734 Rbreak 147k

R_R17 N070101 N07176 Rbreak 10k

R_R12_FaultShort N03111 N03142 Rbreak 0.001u

C_C2 N01897 N01963 Cbreak 2.67n

成功注入故障后，自動啟動PSPICE A／D調(diào)用.cir文件進行含R12短路故障的仿真。通過定性分析可知，R12短路后對前兩級的濾波效果不造成影響，但會導(dǎo)致第三級濾波器的濾波效果變差，故障仿真后的電路頻率特性曲線如圖6所示，可以看出，第三級的濾波器濾波功能（OUT3）明顯減弱，和第二級（OUT2）接近，與理論上的定性分析一致，說明故障注入的正確性。

圖6 注入R12短路故障后的電路頻率特性曲線

在選取500 Hz正弦信號作為輸入信號時，仿真結(jié)果中注入故障后輸出信號（OUT3點）相比于正常輸出信號幅值明顯變小。通用工裝利用CVI軟件驅(qū)動PXI板卡產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號，將此信號接至示波器顯示，示波器顯示波形與仿真軟件中波形一致。這一物理信號可提供給測試裝置進行測試，可以驗證測試裝置是否能夠測試該正弦信號的正常信號和故障信號。對于復(fù)雜信號，一般需要將信號接至專用接口以與測試裝置連接。

5 結(jié) 論

本文介紹了一種測試裝置通用測試工裝技術(shù)，采用電路仿真模型替代電子裝備實物，仿真故障注入替代物理故障注入，利用虛擬儀器技術(shù)產(chǎn)生物理信號，并通過測試適配器實現(xiàn)與測試裝置的連接。這一技術(shù)具有較強的實用性和通用性，能夠解決測試裝置功能、性能驗證可能對測試對象造成物理損傷的危險，還可以降低費用、縮短時間，提高功能、性能驗證的全面性，為測試裝置在研制階段設(shè)計水平的分析、評價提供了一個有效的手段。