一种面向板级电路的故障注入系统设计

李佳亮（装甲兵工程学院控制工程系，北京，100072）



一种面向板级电路的故障注入系统设计

李佳亮
（装甲兵工程学院控制工程系，北京，100072）

摘要：在装备测试性验证过程中，故障注入是一项关键技术。针对于装甲装备测试性设计不足的情况，利用已有实验条件，通过对电路中故障进行分类，设计实现了对应的模拟故障板，对某型坦克炮控系统中的电路板进行了故障注入，用故障检测设备检测到故障的存在，通过分析测试性验证数据，为装备BIT研究以及测试性设计的提高提供了依据。

关键词：测试性验证；故障注入；电路故障；炮控系统

1 设计思想

在某型坦克炮控系统的故障检测过程中，操作人员主要是基于电压信号对各部件进行故障检测，所以对于电压型故障进行模拟并注入，可以通过故障检测对设备的测试性进行分析并得出结论。这里提出一种电路故障分类方法，将故障分为硬故障和软故障，其中硬故障包括短路、断路等，它是一种对电路性质产生根本性改变的结构型的故障；软故障包括信号噪声干扰等，它是一种不改变电路性质，只对电路产生干扰信号，造成电路性能细微变化的故障，是一种参数型故障。本文选取的常见电路故障模式有断路、短路、固高、固低、串联电阻、串联电感、并联电容、信号干扰等八种故障类型。这里将对于硬故障和软故障分别进行故障模拟，并将故障电路板与故障注入受体电路板连接，然后通过计算机控制故障模块的选通，在合适的通路上注入需要的故障模式。

2 系统组成

本系统主要由故障控制模块和故障模拟生成模块组成，其中故障模拟生成模块区分为硬故障模块和软故障模块，其分别实现不同类型故障的模拟和注入。

2.1 故障控制模块。故障控制模块由PC机、控制软件以及 I/ O接口卡组成。操作人员通过计算机控制软件页面输入指令，经I/ O接口卡传递给故障模块，模拟并选通故障类型，实现故障的注入。其中计算机用来控制整个试验的流程和试验结果的记录，I/O接口卡与计算机相连，用来控制继电器阵列的选通和工作。

2.2 硬故障注入模块。硬故障注入模块主要由故障模拟、故障选通等二级模块构成，其中故障模拟模块由不同阻值的电阻、数值不同的电感、电容以及二极管等故障元器件构成；故障选通模块即为继电器阵列，通过不同的开关组合，选择需要的故障模式。

图1 硬故障注入示意图

3 工作原理

本设备的控制计算机和I/O接口卡为通用的计算机和 I/O板卡， 控制软件是根据设备硬件和试验需要运用Labview等软件进行编制的， 在此就不再赘述。下面主要介绍两种故障模块的工作原理。

3.1 硬故障注入模块。断路、短路、固高、固低、串联电阻、串联电感、并联电容这些故障模式都可以用开关控制的方式实现，具体实现方法如图2所示。断路，关断信号通路；短路，接通不相连的信号通路；固高即持续高电平，把信号与电源输入相连；固低即持续低电平，信号线与地线搭接；串联电阻、电感即在信号通路上串联不同类型的电阻或电感；并联电容即与信号通路并行设立电容元件。

图2所示的故障模拟与故障选通继电器阵列可以用矩阵描述，其中当开关闭合时置“1”，开关断开时置“0”。考虑计算方便和美观因素，可以构造8×8矩阵A，其正常工作状态为A0。例如，在故障状态下，当选通故障为a线路断路故障时，描述矩阵为A1；当选通故障为a、b间短路故障时，描述矩阵为A2；当选通故障为b线路固高时，描述矩阵为A3；当选通故障为b线路固低时，描述矩阵为A4；当选通故障为串联电阻时，描述矩阵为A5；当选通故障为串联电感时，描述矩阵为A6；当选通故障为并联电容时，描述矩阵为A7。其中，描述矩阵表述如下：

由于矩阵表达的方法不唯一，所以在计算中应选取最合适的描述矩阵。

3.2 软故障注入模块。软故障注入模块主要指电压型信号类故障注入模块，其原理为信号叠加，即对正常的电压信号进行干扰信号的叠加，它的故障表现形式是信号传输产生错误，电压值的异常。干扰信号来源是故障控制板，该控制板由DSP控制板，D/A转换电路和信号放大电路组成，其中DSP主要由TMS320F28335构成，它与上位机交互信息，产生表述故障特征的数字信号如正弦波、方波等，D/A转换电路用以产生对应的模拟故障信号，通过信号放大电路使输出电压值达到要求，该模拟故障信号将会与正常信号进行噪声叠加，产生故障信号。其工作过程如图3所示，其中正常电压信号为u0，模拟电磁干扰电压信号为u1，经噪声叠加后输出电压为u0'，满足公式u0+u1=u0'。

电信号的传输是单向传输，如果在电路中添加光电隔离器（亦称光耦合器）可以提高抗扰性和绝缘性，同时光电隔离器具有共模抑制能力，对于长线信息传输可以提高信噪比，所以针对不同的电路板可以考虑添加光电隔离器来确保试验数据的可信度。

4 结论

提出一种电路故障分类方法，将故障分为硬故障和软故障，设计实现了电路故障源板，在某型坦克炮控系统的测试性验证试验中， 应用本故障注入系统可以将电路板中常见故障模式顺利进行注入， 并且在故障检测端能顺利检测出对应的故障，取得了理想的结果，为今后炮控系统BIT的研究和装甲装备测试性设计提供了参考依据。

参考文献

田仲，石君友.系统测试性设计分析与验证［M］.北京：北京航空航天大学出版社，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

中图分类号：TP306

文献标识码：A