模擬電路仿真與故障字典生成方法

吉 蒙，郭玉偉，王卜瑤，呂思璐，王占選

(1.中國(guó)人民解放軍第4724工廠，上海 200436；2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

電路板被廣泛應(yīng)用于日常生活、工作的各個(gè)領(lǐng)域，隨著使用時(shí)間的日益增長(zhǎng)，元器件的可靠性逐漸降低，再加上某些不可預(yù)知因素的影響，使得電路板的故障發(fā)生在所難免。為了提高電路發(fā)生故障的測(cè)試診斷效率，對(duì)電路板級(jí)測(cè)試診斷方法的研究顯得尤為重要[1-3]。

在模擬電路故障診斷問(wèn)題中，當(dāng)前主要的研究方法分別為測(cè)試前仿真和測(cè)試后仿真。測(cè)試前仿真的方法主要是通過(guò)提前仿真，得到各種情況下電路各個(gè)測(cè)點(diǎn)的故障特征，建立故障字典，接著再將測(cè)試時(shí)每次得到的信號(hào)與故障字典相比較就可以確定對(duì)應(yīng)的電路狀態(tài)；測(cè)試后仿真的方法是通過(guò)建立電路方程推導(dǎo)電路參數(shù)，然后在仿真中驗(yàn)證[4-7]。主要對(duì)模擬電路仿真與故障字典生成方法進(jìn)行研究。

1 功能組成

模擬電路仿真與故障字典生成主要功能由電路知識(shí)管理、工程管理、電路仿真設(shè)置、電路仿真、故障字典生成和輔助故障診斷等幾部分組成，如圖1所示。

1)電路知識(shí)管理：用于實(shí)現(xiàn)仿真相關(guān)的原理圖、電路網(wǎng)表、說(shuō)明文檔、元器件、仿真設(shè)置、功能仿真模型、故障仿真模型、仿真結(jié)果以及最終生成的故障字典文件等管理功能[8-9]；

2)工程管理：針對(duì)每一個(gè)仿真電路建立與之對(duì)應(yīng)的仿真工程，用于該電路的仿真和故障字典生成；

3)電路仿真設(shè)置：實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置、測(cè)試點(diǎn)設(shè)置[10]、測(cè)試激勵(lì)設(shè)置、設(shè)置保存等功能；

4)電路仿真：通過(guò)設(shè)計(jì)仿真軟件結(jié)構(gòu)，調(diào)用pspcie仿真引擎，實(shí)現(xiàn)電路的仿真執(zhí)行、仿真類型分析以及仿真結(jié)果的保存等；

5)故障字典生成：實(shí)現(xiàn)仿真的波形識(shí)別、信號(hào)特征提取、容差配置、模糊集劃分以及故障字典文件生成等功能；

6)輔助故障診斷：利用生成的故障字典，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的診斷推理和診斷定位[11-14]。

圖2 模擬電路仿真與故障字典生成方法實(shí)現(xiàn)思路

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模擬電路仿真與故障字典生成方法實(shí)現(xiàn)思路如圖2所示，其理論基礎(chǔ)是故障模式識(shí)別，首先，根據(jù)被測(cè)模擬電路的故障診斷需要確定所要診斷的所有故障模式，建立對(duì)應(yīng)的故障模型；然后利用pspice仿真引擎模擬所有故障模式下的電路狀態(tài)，包括故障仿真和功能仿真，獲取仿真后的所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其做必要的數(shù)據(jù)處理獲取波形特征，并生成波形特征與故障模式對(duì)應(yīng)的故障字典；進(jìn)而在實(shí)際測(cè)試時(shí)，利用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)ATE對(duì)被測(cè)電路加載與電路仿真一致的測(cè)試激勵(lì)，并測(cè)得實(shí)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)；最終，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與故障字典做對(duì)比，利用一定判決準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)故障定位，包括故障的檢測(cè)和隔離。

模擬電路仿真與故障字典生成軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，分為界面層、運(yùn)行層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)層四個(gè)部分：

1)界面層用于提供各個(gè)功能部分的操作界面，分別實(shí)現(xiàn)電路知識(shí)管理、工程管理、仿真設(shè)置、電路仿真、故障字典生成、輔助故障診斷等功能。

2)運(yùn)行層用于實(shí)現(xiàn)電路仿真、故障字典生成等各部分功能單元的資源調(diào)度，包括電路模型管理器、電路仿真器、故障字典生成器以及診斷推理機(jī)等。其中，電路模型管理用于完成故障模式信息、測(cè)試點(diǎn)信息、仿真類型信息、容差信息、故障字典信息、電路知識(shí)信息等資源的管理；電路仿真器包括仿真運(yùn)行所必須的網(wǎng)表文件處理、.cir文件處理以及仿真引擎等；故障字典生成包括仿真數(shù)據(jù)的預(yù)處理、波形識(shí)別以故障字典的生成等；診斷推理實(shí)現(xiàn)測(cè)試程序的執(zhí)行、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與故障字典的對(duì)比，故障的診斷定位等。

3)數(shù)據(jù)訪問(wèn)層主要包括文本文件的管理、仿真相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理等，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電路仿真和故障字典生成整個(gè)過(guò)程中數(shù)據(jù)層文件的訪問(wèn)和處理，數(shù)據(jù)層文件包括仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)表文件、.cir文件、仿真結(jié)果、故障字典文件等各種數(shù)據(jù)。

4)為了實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路板故障診斷定位，設(shè)計(jì)輔助診斷功能。在故障診斷界面中輸入所選擇的仿真類型和測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)生成的故障字典給出故障位置、具體故障模式或可疑故障集，為后續(xù)測(cè)試提供依據(jù)。

輔助診斷[15]軟件依據(jù)的是保存的測(cè)試點(diǎn)列表、仿真類型列表、故障字典數(shù)據(jù)，輸入的是當(dāng)前測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，輔助診斷的核心是故障字典推理機(jī)。推理機(jī)根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，查找故障字典、并判斷當(dāng)前值落在哪個(gè)模糊集對(duì)應(yīng)的模糊域中，從而確定新的可疑故障集，排除其他的故障集。

故障推理機(jī)的推理結(jié)果分別以列表的形式顯示排除的故障和可疑故障。

2.2 電路知識(shí)管理

電路知識(shí)管理包括了被測(cè)電路板的所有知識(shí)和數(shù)據(jù)信息。通過(guò)提供的相關(guān)輸入和管理接口，導(dǎo)入并解析電路板的相關(guān)資料，包括電路原理圖、電路網(wǎng)表、所含元器件數(shù)據(jù)、仿真模型等基本信息的管理，還包括故障注入后的仿真數(shù)據(jù)管理以及電路仿真后的故障字典知識(shí)管理等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)基于仿真的模擬電路故障診斷系統(tǒng)完成故障定位所需的所有電路知識(shí)的集中和統(tǒng)一管理。

2.2.1 電路文件管理功能

電路文件管理實(shí)現(xiàn)對(duì)電路原理圖、電路網(wǎng)表、說(shuō)明文檔、元器件、維修經(jīng)驗(yàn)等文檔資料的統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)，其功能包括對(duì)文件的添加、配置、刪除以及在資源視圖窗口的查看等。電路文件的管理方式按照文件類型、具體信息分類管理，文件類型信息存放在文件分類表中，具體文件信息存放在不同的文件夾中。軟件可以根據(jù)每種文件的類型選擇不同的程序打開，文件類型以及對(duì)應(yīng)的程序打開命令存放于專門的文件中。

元器件管理作為電路文件管理的重要內(nèi)容，主要用來(lái)管理被測(cè)電路板的元器件名稱、位號(hào)、說(shuō)明以及所含的故障模式名稱等信息。元器件管理功能以表格形式存儲(chǔ)，分別是元器件信息表和元器件故障模式表。每個(gè)元器件信息表的數(shù)據(jù)顯示為一行，點(diǎn)擊不同的單元格會(huì)根據(jù)字段的不同顯示下拉框、按鈕或編輯框供選擇或編輯，對(duì)元器件數(shù)據(jù)的操作都會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。元器件故障模式表按照元器件類型存放對(duì)應(yīng)的故障模式，每個(gè)故障模式占一行，通過(guò)選中元器件名稱或故障模式名稱，右鍵進(jìn)行故障模式的添加、修改和刪除操作。

2.2.2 Pspice模型管理

Pspice模型管理功能是為每個(gè)電路提供.cir仿真文件、仿真模型文件的配置管理。

通過(guò)調(diào)用.cir仿真文件和仿真模型文件(包括元器件的功能模型和故障模型)，解析.net網(wǎng)表，啟動(dòng)仿真引擎，完成整個(gè)電路的仿真。.cir文件包含仿真模型存儲(chǔ)路徑、電路網(wǎng)表存儲(chǔ)路徑、仿真時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、仿真精度等參數(shù)配置；仿真模型文件用來(lái)存儲(chǔ)功能模型和故障模型的名稱，元器件的所有故障模型名稱均建在功能模型的子目錄下，便于仿真時(shí)的故障檢索、故障注入和故障仿真。每一個(gè)功能模型和故障模型均可任意添加和刪除，如果對(duì)功能模型進(jìn)行刪除操作，則其包含的所有故障模型將被一并刪除。

2.2.3 仿真數(shù)據(jù)管理功能

仿真數(shù)據(jù)管理功能主要用于加載和管理故障仿真平臺(tái)產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)，將其保存在指定的軟件工程文件夾中，并寫入仿真數(shù)據(jù)表中，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真數(shù)據(jù)文件的分類、索引、加載、刪除、存儲(chǔ)狀態(tài)顯示等功能[16-17]。執(zhí)行新的仿真后，一般會(huì)覆蓋以前的仿真數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)不支持編輯操作，所有的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)也會(huì)顯示在資源視圖中，便于用戶進(jìn)行查看。

2.2.4 故障字典數(shù)據(jù)管理功能

故障字典數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供系統(tǒng)軟件分析使用，也可導(dǎo)出為標(biāo)準(zhǔn)的故障字典輸出文件，供用戶查看或第三方軟件使用。故障字典數(shù)據(jù)管理功能即是對(duì)故障字典輸出文件的管理。故障字典生成后，會(huì)顯示在資源視圖的文件列表中，雙擊可打開并查看文件內(nèi)容。

故障字典數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)故障字典生成平臺(tái)產(chǎn)生的按照一定格式存儲(chǔ)的故障字典數(shù)據(jù)文件的統(tǒng)一管理。故障字典共輸出22個(gè)文件：其中頭文件1個(gè)，用來(lái)記錄故障字典輸出的所有文件信息，還有具體的21個(gè)故障字典文件，包括7個(gè)UUT文件、4個(gè)激勵(lì)與響應(yīng)文、10個(gè)故障知識(shí)文件，如圖4所示為故障字典數(shù)據(jù)管理示意圖。軟件基于樹型控件建立故障字典數(shù)據(jù)文件節(jié)點(diǎn)目錄，并以頭文件、UUT文件組、激勵(lì)響應(yīng)文件組和故障知識(shí)文件組分別作為根節(jié)點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的分類文件加載存儲(chǔ)到工程文件相應(yīng)的文件夾位置下，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組文件的分類、加載、刪除、查看等功能。

圖4 故障字典數(shù)據(jù)管理示意圖

2.3 工程管理

根據(jù)選擇的故障模式、測(cè)試點(diǎn)等的不同，同一個(gè)電路可以建立多個(gè)仿真工程，便于查看不同故障模式的仿真數(shù)據(jù)。工程新建完成后，才可以進(jìn)行電仿真的各項(xiàng)設(shè)置，進(jìn)而開展仿真和數(shù)據(jù)分析等工作。工程管理的功能包括新建、保存、打開和關(guān)閉。

2.3.1 新建工程

工程數(shù)據(jù)和電路數(shù)據(jù)具有相對(duì)獨(dú)立性：電路數(shù)據(jù)主要針對(duì)被測(cè)電路板開展的功能仿真，包含了電路板功能仿真相關(guān)的所有信息，比如功能仿真.opj文件夾、符號(hào)模型、.lib仿真模型、仿真參數(shù)信息等；工程數(shù)據(jù)是以電路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行不同故障模式的注入，便于生成故障字典指導(dǎo)故障診斷。

工程數(shù)據(jù)保存在Project工作區(qū)中，新建工程要向Project工作區(qū)中寫入新建工程的名稱并導(dǎo)入仿真相關(guān)的電路數(shù)據(jù)。其中，電路數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)在Circuit工作區(qū)中，每個(gè)仿真工程也占用一個(gè)獨(dú)立的文件夾。

2.3.2 工程保存

保存當(dāng)前仿真工程相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，包括故障模式設(shè)置、測(cè)試點(diǎn)設(shè)置、容差設(shè)置、以及生成的故障字典，均以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存。

2.3.3 打開工程

通過(guò)下拉對(duì)話框的方式打開已有工程，打開工程后，可以在該工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真設(shè)置、故障注入、仿真、故障字典生成和輔助診斷等操作。

2.3.4 關(guān)閉工程

關(guān)閉工程是關(guān)閉已打開工程有關(guān)的所有數(shù)據(jù)但不刪除后臺(tái)數(shù)據(jù)，并清空界面顯示。

在打開新工程或關(guān)閉軟件之前，也會(huì)出現(xiàn)對(duì)已打開的工程執(zhí)行關(guān)閉操作。

2.4 仿真設(shè)置

對(duì)電路進(jìn)行仿真，需要進(jìn)行一些設(shè)置，這些設(shè)置包括故障設(shè)置、測(cè)試點(diǎn)設(shè)置、激勵(lì)設(shè)置、設(shè)置保存等。

故障模式設(shè)置和測(cè)試點(diǎn)設(shè)置的目的是通過(guò)人為的選擇，篩選出比較關(guān)注的故障和測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而減小仿真和計(jì)算的工作量。

2.4.1 故障設(shè)置

故障設(shè)置，即故障注入，選擇想用的故障模型代替原有電路的功能模型，重新進(jìn)行仿真。默認(rèn)情況下選擇電路中已有的所有故障。

故障設(shè)置主要在資源視圖的故障模型列表中進(jìn)行選擇，每個(gè)位號(hào)對(duì)應(yīng)的元器件下會(huì)羅列該元器件已有的所有故障模型，經(jīng)過(guò)界面用戶設(shè)置后，最終保存到仿真故障模式表中。工程保存后，這些故障設(shè)置會(huì)一并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.4.2 測(cè)試點(diǎn)設(shè)置

默認(rèn)情況下，生成故障字典時(shí)會(huì)將電路網(wǎng)表中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)全部當(dāng)作潛在測(cè)試點(diǎn)，為了優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)的查看、剔除對(duì)故障診斷影響較小的測(cè)試點(diǎn)，同時(shí)減少故障字典計(jì)算工作量，可人為在列表中進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)選擇，未被選擇的測(cè)試點(diǎn)在生成故障字典以及仿真數(shù)據(jù)查看時(shí)將被忽略。

2.4.3 激勵(lì)設(shè)置與仿真設(shè)置保存

激勵(lì)設(shè)置用于根據(jù)電路工作原理，在所有信號(hào)輸入端加載適當(dāng)?shù)男盘?hào)波形，以完成仿真、獲取仿真結(jié)果，供后續(xù)故障字典生成和故障診斷。所加載的信號(hào)波形優(yōu)先選擇具有周期性、信號(hào)特征容易識(shí)別典型波形作為激勵(lì)，比如正弦波、方波、三角波等，非典型波形生成的故障字典不易自動(dòng)判讀。

仿真設(shè)置完成后可保存當(dāng)前仿真工程相關(guān)的所有設(shè)置數(shù)據(jù)，包括故障設(shè)置、測(cè)試點(diǎn)設(shè)置、激勵(lì)設(shè)置等，均以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存。仿真工程關(guān)閉再次打開時(shí)，所有仿真設(shè)置自動(dòng)加載。

2.5 電路仿真功能

模擬電路仿真流程如圖5所示，首先根據(jù)被測(cè)電路板電路圖在仿真引擎下編輯可仿真的原理圖；根據(jù)實(shí)際故障診斷的需要進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置，包括仿真類型、故障設(shè)置、仿真時(shí)間設(shè)置等；然后對(duì)原理圖進(jìn)行編譯，自動(dòng)檢查仿真原理圖、仿真模型、仿真設(shè)置等有無(wú)錯(cuò)誤；進(jìn)而進(jìn)行功能仿真，獲取電路正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行故障注入和故障仿真，獲取所有故障模式下的仿真數(shù)據(jù)，供下一步處理。

圖5 電路仿真流程

2.5.1 仿真軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電路仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示。電路仿真過(guò)程通過(guò)“仿真”按鈕啟動(dòng)，仿真引擎是電路仿真軟件的核心程序。由于仿真時(shí)間可能會(huì)比較長(zhǎng)，仿真引擎由線程執(zhí)行，仿真進(jìn)度由仿真引擎以消息的方式通知界面顯示。

根據(jù)故障模式信息列表和激勵(lì)信息列表進(jìn)行仿真，仿真進(jìn)度可以查看，仿真數(shù)據(jù)可以在資源視圖根據(jù)仿真類型和測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行查看。

圖6 電路仿真結(jié)構(gòu)圖

2.5.2 仿真分析類型

對(duì)電路進(jìn)行仿真時(shí)，需要指定仿真分析類型，以便將仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為特定的格式，默認(rèn)瞬態(tài)仿真。

2.5.3 仿真引擎設(shè)計(jì)

仿真引擎是電路仿真軟件的核心程序，軟件通過(guò)調(diào)用pspice仿真引擎，輸入電路網(wǎng)表、仿真配置、功能和故障模型、測(cè)試激勵(lì)等信息實(shí)現(xiàn)電路的功能仿真和故障仿真。

仿真引擎運(yùn)行時(shí)，首先遍歷仿真類型列表，然后對(duì)每個(gè)仿真類型遍歷仿真所有注入的故障模式。

仿真引擎在調(diào)用Pspice仿真前，首先要生成用于仿真的.net網(wǎng)表文件和.cir仿真文件。其中，針對(duì)每個(gè)故障模式，要在原始網(wǎng)表的基礎(chǔ)上將正常元器件名稱替換為故障仿真元件名稱，實(shí)現(xiàn)故障注入，并保存在故障注入網(wǎng)表文件中，根據(jù)所選仿真類型要向.cir文件中寫入仿真類型設(shè)置。

2.5.4 仿真數(shù)據(jù)保存

仿真數(shù)據(jù)量的大小由界面資源視圖選擇的仿真類型、故障模式多少、仿真時(shí)間和仿真步長(zhǎng)的設(shè)置決定。界面選擇的仿真類型和故障模式信息會(huì)保存仿真類型信息列表和故障模式信息列表中，仿真引擎依次對(duì)各種仿真類型下的故障模式依次進(jìn)行仿真，每個(gè)仿真保存為一個(gè)單獨(dú)的仿真結(jié)果文件。

2.6 故障字典生成

故障字典生成軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示，其核心是故障字典生成器。故障字典生成器的輸入配置數(shù)據(jù)包括保存在電路模型信息管理器中的仿真類型列表、故障模式信息列表、測(cè)試點(diǎn)信息列表和信號(hào)容差；生成故障字典的仿真數(shù)據(jù)通過(guò)仿真結(jié)果文件解析器從仿真結(jié)果文件獲得。

故障字典生成器首先針對(duì)每個(gè)仿真類型生成一個(gè)行為故障、列為測(cè)試點(diǎn)、值為電壓的故障字典，然后對(duì)每個(gè)一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行模糊集劃分，進(jìn)而得到該仿真類型的整數(shù)編碼故障字典。

用戶在資源視圖的仿真類型視圖中選擇不同的仿真類型后，可以在故障字典列表中查看故障字典。

2.6.1 波形識(shí)別

用于分析測(cè)試節(jié)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)是否為典型周期波形，步驟如下。

第一步：對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除毛刺；

第二步：去除信號(hào)中的直流分量，為周期信號(hào)的頻率分析奠定基礎(chǔ)；

第三步：對(duì)信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析。由于直流信號(hào)的自相關(guān)性小，當(dāng)小于一定的閾值時(shí)判定信號(hào)為直流，否則當(dāng)作周期信號(hào)，進(jìn)入下一步分析；另外，當(dāng)信號(hào)的峰峰值小于某一閾值時(shí)，由于信號(hào)比較微弱，也可以判定為直流信號(hào)；

第四步：對(duì)信號(hào)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，當(dāng)直方圖只有兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)候可能為方波或階躍，需要通過(guò)頻率分析進(jìn)一步判斷；

第五步：排除階躍和方波后，可以通過(guò)高低值的線性誤差進(jìn)一步分析，判斷時(shí)正弦波還是三角波。

2.6.2 信號(hào)特征提取

在分析電路的瞬態(tài)故障字典時(shí)，需要對(duì)測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行特征提取，然后才能針對(duì)信號(hào)特征建立故障字典。系統(tǒng)支持的波形包括直流、正弦、方波、階躍、三角波。信號(hào)的特征參數(shù)包括幅值、頻率、直流偏置、高值、低值和占空比。

幅值：計(jì)算信號(hào)均值作幅值；

直流偏置：對(duì)周期信號(hào)計(jì)算其直流分量即可得直流偏置；

頻率：將兩個(gè)相鄰過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差作為周期信號(hào)的周期，取倒數(shù)作為周期信號(hào)的頻率；

占空比：對(duì)于方波信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，然后計(jì)算最大值所占比例即可得方波信號(hào)的占空比；

低值：取濾波后信號(hào)的最小值；

高值：取濾波后信號(hào)的最大值。

2.6.3 容差配置設(shè)計(jì)

雖然在很多情況下，用于模糊集劃分的容差值比較固定。但是，也可能由于仿真類型和電路結(jié)構(gòu)的影響，信號(hào)在不同節(jié)點(diǎn)的特征差異較大。因此，系統(tǒng)在保持默認(rèn)值的基礎(chǔ)上，提供了針對(duì)每個(gè)仿真類型在不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)容差配置的功能。

容差可能會(huì)因仿真類型和節(jié)點(diǎn)而不同，因此，在軟件使用時(shí)需要對(duì)每個(gè)仿真類型下的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行容差配置，并將配置結(jié)果保存在信號(hào)容差配置文件中，用于下一步模糊集的劃分。

容差的設(shè)置分為兩種：絕對(duì)值和相對(duì)值。即用戶可以指定節(jié)點(diǎn)容差的絕對(duì)值，也可設(shè)電路信號(hào)特征的相對(duì)值，默認(rèn)值保存在容差默認(rèn)值配置文件中。其中，直流容差默認(rèn)為±0.7 V，瞬態(tài)容差相對(duì)值默認(rèn)為10%。

2.6.4 模糊集劃分

生成故障字典時(shí)，要對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行模糊集進(jìn)行劃分。

直流模糊集劃分首先對(duì)各個(gè)故障模式在該節(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行從小到大排序。然后，將節(jié)點(diǎn)電壓之間的信號(hào)容差小于一定閾值的故障劃分為一個(gè)模糊集，直到完成所有節(jié)點(diǎn)電壓的比較，將所有故障劃分到對(duì)應(yīng)的模糊集中。

由于瞬態(tài)信號(hào)具有多個(gè)特征，瞬態(tài)模糊集的劃分比直流模糊集的劃分要稍微復(fù)雜一些，但其故障隔離能力往往也比直流故障字典強(qiáng)。在進(jìn)行瞬態(tài)模糊集劃分時(shí)，首先針對(duì)單個(gè)信號(hào)特征進(jìn)行模糊集劃分，這一步與直流模糊集劃分的方法是一致的。在劃分完單個(gè)信號(hào)特征的模糊集后，再逐一對(duì)其他剩余信號(hào)特征進(jìn)行模糊集劃分，最終對(duì)各個(gè)信號(hào)特征形成的模糊集進(jìn)行合成。

2.7 輔助診斷

為了實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路板故障診斷定位，設(shè)計(jì)輔助診斷功能。在故障診斷界面中輸入所選擇的仿真類型和測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)生成的故障字典給出故障位置、具體故障模式或可疑故障集[18]，為后續(xù)測(cè)試提供依據(jù)。

輔助診斷軟件依據(jù)的是保存在電路模型信息中的測(cè)試點(diǎn)列表、仿真類型列表、故障字典數(shù)據(jù)，輸入的是當(dāng)前測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，輔助診斷的核心是故障字典推理機(jī)。推理機(jī)根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，查找故障字典、并判斷當(dāng)前值落在哪個(gè)模糊集對(duì)應(yīng)的模糊域中，從而確定新的可疑故障集，排除其他的故障集[19]。

故障推理機(jī)的推理結(jié)果分別以列表的形式顯示排除的故障和可疑故障。

圖8 輔助診斷功能框圖

3 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)Demo板進(jìn)行仿真驗(yàn)證，Demo板中主要含有多個(gè)運(yùn)放調(diào)理電路，提前準(zhǔn)備好電路仿真用到的功能模型和故障模型[20]，通過(guò)創(chuàng)建仿真原理圖、新建仿真工程、仿真設(shè)置等，進(jìn)行12個(gè)故障模式的單故障仿真，仿真結(jié)果如圖9所示：

1)右上角的“器件故障模式”列表用于勾選想用的故障模型進(jìn)行故障注入，仿真驗(yàn)證中共注入了12個(gè)典型的元器件開路、短路、輸出鉗位故障；

2)右下角“測(cè)試點(diǎn)列表”默認(rèn)仿真和查看所有測(cè)試點(diǎn)信息，也可以只勾選關(guān)注的測(cè)試點(diǎn)；

3)左上角“仿真類型”用于指定仿真類型是靜態(tài)工作點(diǎn)仿真和時(shí)域瞬態(tài)仿真；

4)左下角“電路知識(shí)庫(kù)”存放電路的.cir和.net文件等，默認(rèn)羅列的故障字典文件夾為空，用于存放后續(xù)生成的故障字典數(shù)據(jù)；

5)“仿真任務(wù)列表”羅列中所有仿真數(shù)據(jù)，所有故障注入均為單故障仿真，共進(jìn)行1次功能仿真和12次不同的故障仿真，仿真任務(wù)列表具有仿真進(jìn)度提示功能，仿真成功后的行提示信息會(huì)由“？”變?yōu)椤啊獭薄?/p>

圖9 仿真驗(yàn)證界面

仿真完成后，啟動(dòng)故障字典生成器自動(dòng)得到所有故障模式下的整數(shù)編碼故障字典：

1)軟件左下角“電路知識(shí)庫(kù)”已羅列并且可以雙擊查看所有故障字典文件；

2)軟件中下部“故障檢測(cè)”欄會(huì)提示所有故障模式是否可檢測(cè)、可隔離；

3)軟件中部“故障字典生成”欄羅列所有仿真下的測(cè)試點(diǎn)信號(hào)特征。其中，行為同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同故障仿真下的測(cè)試點(diǎn)信號(hào)特征，列對(duì)應(yīng)不同故障下的仿真，也就是共有13列的仿真數(shù)據(jù)，其中1列為功能仿真、還有12列是故障仿真。

4)雙擊“瞬態(tài)故障字典”下的某一單元格，可在右上角“信號(hào)特征”欄修改該單元格測(cè)試點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)的信號(hào)容差(即信號(hào)特征可以識(shí)別的數(shù)據(jù)上下限)或?qū)⒎抡鏀?shù)據(jù)修改為用戶自定義數(shù)據(jù)。

圖10 故障字典生成

生成故障字典后，X_U2_lf156_p6_open故障模式產(chǎn)生的故障影響使得節(jié)點(diǎn)OUT0產(chǎn)生故障，其故障特征如下圖所示。當(dāng)元器件U2發(fā)生lf156_p6_open故障時(shí)，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)OUT0實(shí)測(cè)信號(hào)特征錄入輔助診斷系統(tǒng)，軟件能夠排除其余11種故障，直接定位到元器件U2的故障模式lf156_p6_open，驗(yàn)證了故障字典生成和輔助診斷的正確性。

圖11 輔助故障診斷

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種模擬電路仿真與故障字典生成的具體實(shí)現(xiàn)方法。該方法通過(guò)創(chuàng)建被測(cè)電路仿真原理圖、新建仿真工程、仿真設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)電路的故障注入、功能仿真和故障仿真；進(jìn)而通過(guò)故障字典生成器對(duì)仿真數(shù)據(jù)處理生成所有故障模式下的整數(shù)編碼故障字典；最終，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做診斷推理實(shí)現(xiàn)故障定位，驗(yàn)證了該方法的可行性。