基于LXI的熱電阻與熱電偶信號故障注入器設計

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(1.江蘇東華測試技術股份有限公司，江蘇 靖江 214500； 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

具有良好測試性的系統和設備，在使用時可以及時發現故障，提高執行任務的可靠性與安全性[1-3]；在維修保障過程中能夠快速地檢測與隔離故障，縮短故障檢測與隔離時間，進而減少維修時間，提高系統可用性?；诠收献⑷氲臏y試性驗證試驗，可以有效的發現和鑒別有關測試性設計缺陷，從而改進設計或完善保障條件來提高測試性水平[4-6]。這種驗證試驗注入的故障模式與評估的試驗結果與裝備真實服役后的情況相當；以試驗數據來檢驗裝備實現測試性設計要求的程度，能夠較真實地反映裝備的真實故障狀態，試驗準確度較高。

采用故障注入器實現故障注入，是當前基于故障注入的測試性驗證試驗的主要故障注入方式，可以有效地提升注入的精度、準確度和自動化水平，重復性高。

通過近年來的測試性驗證試驗，發現作為當前裝備中常見信號類型的熱電阻與熱電偶信號，因具有精度高、幅度小、緩變、四線制或差分傳輸等特點，導致通用的模擬信號故障注入器較難以滿足要求；為滿足該類型信號自動故障注入的需求，研制了基于LXI的熱電阻和熱電偶信號故障注入器。

1 故障注入器功能需求

根據測試性驗證試驗中對熱電阻與熱電偶信號故障注入的需求分析，熱電阻與熱電偶信號故障注入器功能要求包括：

1.1 熱電阻信號故障注入功能要求

1)可對四線制激勵信號注入傳輸線信號+/信號-斷路控制、信號+/信號-線間負載阻抗控制等物理層故障注入；

2)可對四線制測量信號注入傳輸線信號+/信號-間短路控制、信號+/信號-線分別對地短路控制等物理層故障注入；

3)支持向熱電阻信號傳輸線路輸出任意RTD電阻值故障功能；

4)支持向熱電阻信號傳輸線路輸出按照預先設置曲線連續變化的RTD電阻值。

1.2 熱電偶信號故障注入功能要求

1)可對信號傳輸線路進行信號+/信號-斷路控制、信號+/信號-線路串行阻抗控制、信號+/信號-線間負載阻抗控制、信號+/信號-線間短路控制、信號對地短路控制等物理層故障注入；

2)支持對傳輸中的熱電偶信號設定幅度衰減/放大系數功能；

3)支持對傳輸中的熱電偶信號疊加噪聲功能；

4)支持對傳輸中的熱電偶信號疊加低頻干擾功能；

5)支持向熱電偶信號傳輸線路輸出任意幅度熱電偶信號功能；

6)支持向熱電偶信號傳輸線路輸出預先設置曲線連續變化的熱電偶信號功能。

2 故障注入器架構及原理

所研制的熱電阻與熱電偶信號故障注入器AMC9760，其使用方式是：串接入熱電阻和熱電偶信號傳輸線路中，模擬多種熱電阻和熱電偶信號傳輸過程中的故障類型，實現對被測設備熱電阻和熱電偶信號傳輸的仿真和評測。

熱電阻與熱電偶信號故障注入器包含上位機軟件和硬件兩部分；硬件部分包含：基于COME控制單元實現的LXI/USB通訊、顯控和數據處理功能，熱電偶信號故障注入單元，熱電阻信號故障注入單元等；上位機軟件包含軟面板和驅動程序兩部分，可通過軟面板直接控制故障注入器實現故障注入功能。熱電阻與熱電偶信號故障注入器總體組成如圖1所示。

圖1 熱電阻與熱電偶信號故障注入器總體組成示意圖

熱電阻與熱電偶信號故障注入器為了實現系統的測試需求，主要提供了對傳輸線路物理層注入故障的電路和對傳輸線路中傳輸的熱電阻或熱電偶信號注入故障的電路。故障注入器串接在熱電阻或熱電偶信號的傳輸線路中，在不注入故障時，故障注入器只作為一條直通線路，不改變任何原來線路的連接關系和線路上傳輸信號的電特性，這樣就可以保證故障注入器在不注入故障時，對原來的線路及其傳輸的信號不產生任何影響。

熱電阻與熱電偶信號故障注入器向傳輸線路注入的故障類型包括物理層故障和電氣層故障。在物理層故障注入電路的實現設計上，為了保證注入的故障完全仿真被測設備實際工作中可能出現的物理層故障，故障注入器注入的任何物理層故障類型都采用由繼電器陣列和無源程控電阻構成的純無源電路，避免在注入物理層故障時，任何有源電路和元器件影響線路上原有的信號特性，達到與被測設備實際工作中出現的線路故障完全相同的效果。

熱電阻信號故障注入單元的電氣層故障注入電路設計原理：采用內置高精度、高分辨率程控RTD電阻的方式，實現替代原有熱電阻信號向傳輸線路輸出用戶預先設置的高精度RTD電阻信號或輸出按照預先設置曲線連續變化的RTD電阻信號。

熱電偶信號故障注入單元的電氣層故障注入電路設計原理：采用模擬信號乘法電路+高精度信號采集電路的方式實現測試需求，傳輸線路上原有的熱電偶信號在進入故障注入器后首先經過信號調理，然后進入模擬信號乘法電路，在這里，信號按照預先的設置實現信號幅度的放大或衰減，也可以按照預先裝訂的噪聲數據疊加任意類型和特征的噪聲信號，這些噪聲信號既可以是隨機噪聲或白噪聲等中高頻率的噪聲信號，也可以是很低頻率的工頻電源干擾噪聲等低頻信號，實現全面仿真被測設備實際工作中可能出現的熱電偶信號電氣層故障類型，達到系統故障注入需求。

3 熱電阻信號故障注入單元硬件設計

熱電阻信號故障注入單元的硬件設計包括：總線接口、高精度RTD電阻信號注入單元、物理層故障注入單元和FPGA控制邏輯電路等部分。

具體工作過程：外部信號從傳輸線進入物理層故障注入單元，進行物理層故障注入；故障注入單元可以通過設置內部的高精度RTD電阻控制單元，產生用戶程控設置阻值的高精度的熱電阻信號來替代線路上原來的熱電阻信號，實現對線路上傳輸的熱電阻信號的阻值控制。

熱電阻信號故障注入單元硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 熱電阻信號故障注入單元硬件結構框圖

3.1 物理層故障注入單元設計

熱電阻信號故障注入單元的物理層故障電路對4線制電阻的激勵差分線和測量差分線注入故障。物理層故障注入單元中的激勵差分線故障注入電路設計了程控電阻及通道斷路電路，采用多個繼電器控制切換不同阻值電阻組合的方式實現，阻值分別為0，5，10，20，40，80；這些電阻組合在繼電器組的控制下，通過任意組合阻值的方式實現激勵差分線5-155 Ω程控負載阻值變化及激勵差分線間短路故障控制，阻值的控制分辨率為5 Ω。程控電阻及激勵差分線短路電路的原理示意圖如圖3所示。

圖3 程控電阻及短路電路原理示意圖

3.2 高精度RTD電阻信號注入單元

高精度RTD電阻信號注入單元，通過設置內部的高精度、高分辨率RTD電阻模塊，產生用戶程控設置阻值的高精度熱電阻信號，替代線路上原來傳輸的熱電阻信號，實現對線路上傳輸的熱電阻信號的阻值控制。RTD電阻信號注入單元連接示意圖如圖4所示。

圖4 RTD電阻信號注入單元連接示意圖

單元內部的高精度、高分辨率RTD電阻模塊具有非常高的阻值控制精度和控制分辨率，阻值控制精度達到±0.08%讀數±70 mΩ，分辨率達到2 mΩ，而且該RTD電阻模塊的溫度穩定性也很高，可以向傳輸線路上輸出精確的熱電阻替代信號。

熱電阻信號故障注入單元除了仿真出恒定的熱電阻替代信號外，還能夠仿真出按照預先設置曲線連續變化的RTD電阻信號，實現對被測設備注入用戶希望的變化熱電阻。預先設置的RTD電阻信號曲線，通過數據文件的方式被預先加載進熱電阻信號故障注入單元內部的數據存儲器中，故障注入器的軟件面板上的圖形界面可以實時顯示變化曲線的執行過程，便于用戶監視故障注入情況。曲線變化監視界面如圖5所示。

圖5 曲線變化監視界面

4 熱電偶信號故障注入單元硬件設計

熱電偶信號故障注入單元主要用于向傳輸熱電偶信號的線路中注入故障，故障類型包括：傳輸線路物理層、電氣層故障。熱電偶信號故障注入單元硬件主要包括：FPGA內的控制邏輯單元、高精度模擬信號采集電路、高精度模擬信號輸出電路、程控電阻單元、繼電器陣列等。硬件結構框圖如圖6所示。

圖6 熱電偶信號故障注入單元硬件結構框圖

4.1 物理層故障注入電路設計

熱電偶信號故障注入單元的物理層故障電路對信號差分線注入故障。物理層故障注入電路內設計了串行程控電阻、負載程控電阻和通道斷路電路。

串行程控電阻及傳輸線斷路電路，采用多個繼電器控制，切換不同阻值電阻組合的方式實現，阻值分別為0，1，2，4，8，16，32；這些電阻組合在繼電器組的控制下通過任意組合阻值的方式，實現差分線0-63 Ω程控傳輸線串行阻值變化及傳輸線斷路故障控制。負載程控電阻及傳輸線短路電路均采用同樣的原理實現。

4.2 電氣層故障注入電路設計

熱電偶信號故障注入單元的電氣層故障注入電路包括：信號調理放大電路、信號采集電路、高精度四象限乘法D/A信號輸出電路、濾波衰減電路、內部基準源電路和基準源選擇電路。

在進行電氣層故障注入時，電路首先斷開傳輸線路，將原有的熱電偶信號輸入電路中的信號調理放大電路，將熱電偶信號調整為幅度適合故障注入電路的范圍和形式，然后將調理后的信號提供給高精度采集電路和基準源選擇電路；高精度采集電路將信號幅度數字化，之后提供給FPGA內部的信號處理邏輯用于控制精度校準和信號監視；基準源選擇電路根據用戶選擇的電氣層故障注入模式,將信號提供給高精度四象限乘法D/A信號輸出電路作為基準，高精度四象限乘法D/A信號輸出電路將該基準與預先設置的系數值進行乘法計算后輸出，實現對傳輸線上的熱電偶信號進行幅度放大/衰減控制后，傳回到原來的信號傳輸線路中。

熱電偶信號故障注入單元的電氣層示意圖如圖7所示。

圖7 熱電偶信號故障注入單元電氣層示意圖

電氣層故障注入電路采用上述設計方式，可以在注入電氣層故障的同時，將熱電偶傳感器的任何參數變化過程都實時反應到故障注入后的熱電偶信號中，保證在故障注入的過程中，除用戶要注入的故障參數外，不影響線路上原有信號的其它特性。由于電路中采用的高精度四象限乘法D/A芯片具有16位的高分辨率和±1 LSB的高精度，因此可以對熱電偶傳輸線路上的信號進行非常精確的放大/衰減控制，實現微小的受控幅度變化，驗證被測設備對信號變化的靈敏度。

此外，電氣層故障注入電路也可以按照預先裝訂的噪聲數據，疊加任意類型和特征的噪聲信號，由于電路中采用的高精度四象限乘法D/A芯片具有0.5 μs的輸出信號建立時間和最高2 MHz以上的并行數據更新率，因此該電路可以向線路上的熱電偶信號疊加頻率最高超過500 kHz的各種中頻噪聲信號，也可以向熱電偶信號疊加頻率低于10 Hz的各種低頻干擾信號，實現全面仿真實際工作中熱電偶信號可能受到的各種干擾。

除了可以實現上面介紹的幅度變化和噪聲疊加這兩類故障類型外，熱電偶信號故障注入單元還能夠提供完全由用戶自己編制的仿真熱電偶傳感器信號的輸出方式，在這種方式下，用戶可以根據自己測試的需要，完全自主的編制傳輸線路上要傳輸的熱電偶信號幅度變化過程來替代線路上原來的傳輸的信號，達到給線路接入一個程控仿真熱電偶傳感器的效果。

熱電偶信號故障注入單元電氣層四種故障類型示意圖如圖8所示。

圖8 電氣層四種故障類型示意圖

電氣層故障注入電路內部包括一套高精度采集電路，輸入的熱電偶信號經過調理后除了提供給四象限乘法D/A電路外，也提供給高精度采集電路將信號轉換為數字信號上傳到控制計算機的軟件界面實現對線路上熱電偶信號的監視，軟件界面同時按照設置的電氣層故障模式和數據顯示出注入故障后的信號波形供用戶監視實時的故障注入情況。軟件界面的實時信號監視界面如圖9所示。

圖9 軟件界面的實時信號監視界面

5 故障注入器軟件設計

熱電阻與熱電偶信號故障注入器軟件部分主要是運行在上位計算機上的儀器的驅動程序和軟面板。

熱電阻與熱電偶信號故障注入器驅動程序工作流程如圖10所示。

圖10 儀器驅動程序工作流程

熱電阻與熱電偶信號故障注入器驅動程序函數如表1所示。

表1 熱電阻與熱電偶信號故障注入器驅動程序函數表

6 驗證情況

針對某型發動機控制單元開展了測試性驗證試驗。該測試性驗證試驗的主要試驗過程是：對被測對象進行FMEA分析，確定需注入的各類型故障模式在不同層級的分布，按照相關國軍標等標準開展抽樣，基于最后確定的故障樣本開展基于故障注入器的試驗。針對某型發動機控制單元開展的熱電類故障注入的測試數據如表2所示。

試驗過程和結果均表明，該類型故障注入器可有效實現對實際故障的模擬，注入過程穩定，共注入19個故障，平均每個故障的注入及測量時間約為2分鐘，極大提高了試驗的效率。

7 結束語

本文詳細闡明了熱電阻與熱電偶信號故障注入器AMC9760的功能需求、總體組成、硬件設計和軟件設計；目前該型熱電阻與熱電偶信號故障注入器AMC9760已應用于多類型裝備的測試性驗證試驗中，對各類故障模式的注入效果進行了充分驗證。該故障注入器具有良好的推廣價值和應用前景。

表2 某型發動機控制單元熱電類故障注入測試數據

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