一種面向板級電路的故障注入系統設計

李佳亮（裝甲兵工程學院控制工程系，北京，100072）

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一種面向板級電路的故障注入系統設計

李佳亮
（裝甲兵工程學院控制工程系，北京，100072）

摘要：在裝備測試性驗證過程中，故障注入是一項關鍵技術。針對于裝甲裝備測試性設計不足的情況，利用已有實驗條件，通過對電路中故障進行分類，設計實現了對應的模擬故障板，對某型坦克炮控系統中的電路板進行了故障注入，用故障檢測設備檢測到故障的存在，通過分析測試性驗證數據，為裝備BIT研究以及測試性設計的提高提供了依據。

關鍵詞：測試性驗證；故障注入；電路故障；炮控系統

1 設計思想

在某型坦克炮控系統的故障檢測過程中，操作人員主要是基于電壓信號對各部件進行故障檢測，所以對于電壓型故障進行模擬并注入，可以通過故障檢測對設備的測試性進行分析并得出結論。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產生根本性改變的結構型的故障；軟故障包括信號噪聲干擾等，它是一種不改變電路性質，只對電路產生干擾信號，造成電路性能細微變化的故障，是一種參數型故障。本文選取的常見電路故障模式有斷路、短路、固高、固低、串聯電阻、串聯電感、并聯電容、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，然后通過計算機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 系統組成

本系統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分為硬故障模塊和軟故障模塊，其分別實現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、控制軟件以及 I/ O接口卡組成。操作人員通過計算機控制軟件頁面輸入指令，經I/ O接口卡傳遞給故障模塊，模擬并選通故障類型，實現故障的注入。其中計算機用來控制整個試驗的流程和試驗結果的記錄，I/O接口卡與計算機相連，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成，其中故障模擬模塊由不同阻值的電阻、數值不同的電感、電容以及二極管等故障元器件構成；故障選通模塊即為繼電器陣列，通過不同的開關組合，選擇需要的故障模式。

圖1 硬故障注入示意圖

3 工作原理

本設備的控制計算機和I/O接口卡為通用的計算機和 I/O板卡， 控制軟件是根據設備硬件和試驗需要運用Labview等軟件進行編制的， 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、串聯電阻、串聯電感、并聯電容這些故障模式都可以用開關控制的方式實現，具體實現方法如圖2所示。斷路，關斷信號通路；短路，接通不相連的信號通路；固高即持續高電平，把信號與電源輸入相連；固低即持續低電平，信號線與地線搭接；串聯電阻、電感即在信號通路上串聯不同類型的電阻或電感；并聯電容即與信號通路并行設立電容元件。

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，其中當開關閉合時置“1”，開關斷開時置“0”?？紤]計算方便和美觀因素，可以構造8×8矩陣A，其正常工作狀態為A0。例如，在故障狀態下，當選通故障為a線路斷路故障時，描述矩陣為A1；當選通故障為a、b間短路故障時，描述矩陣為A2；當選通故障為b線路固高時，描述矩陣為A3；當選通故障為b線路固低時，描述矩陣為A4；當選通故障為串聯電阻時，描述矩陣為A5；當選通故障為串聯電感時，描述矩陣為A6；當選通故障為并聯電容時，描述矩陣為A7。其中，描述矩陣表述如下：

由于矩陣表達的方法不唯一，所以在計算中應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行干擾信號的疊加，它的故障表現形式是信號傳輸產生錯誤，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轉換電路和信號放大電路組成，其中DSP主要由TMS320F28335構成，它與上位機交互信息，產生表述故障特征的數字信號如正弦波、方波等，D/A轉換電路用以產生對應的模擬故障信號，通過信號放大電路使輸出電壓值達到要求，該模擬故障信號將會與正常信號進行噪聲疊加，產生故障信號。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數據的可信度。

4 結論

提出一種電路故障分類方法，將故障分為硬故障和軟故障，設計實現了電路故障源板，在某型坦克炮控系統的測試性驗證試驗中， 應用本故障注入系統可以將電路板中常見故障模式順利進行注入， 并且在故障檢測端能順利檢測出對應的故障，取得了理想的結果，為今后炮控系統BIT的研究和裝甲裝備測試性設計提供了參考依據。

參考文獻

田仲，石君友.系統測試性設計分析與驗證［M］.北京：北京航空航天大學出版社，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

文獻標識碼：A