基于故障注入的電路測試性仿真分析

劉大川

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009）

基于故障注入的電路測試性仿真（也稱測試性虛擬仿真、故障注入仿真）分析最初是在故障診斷中提出的概念，是在產品性能、可靠性、維修性等領域取得成功的基礎上逐漸發展起來的。故障仿真分析在測試性設計的改進與優化、測試性水平的評估與驗證等方面有著其他工作無法替代的優勢，可隨產品的功能、性能設計仿真同步開展，在產品模擬平臺上進行故障仿真注入，進而評價產品測試性水平，及時暴露產品測試性設計薄弱環節，對產品測試性水平的持續增長有著至關重要的作用。從理論上講，可根據需要進行多次的故障模擬、注入與測試虛擬試驗，因此故障仿真技術具有成本低、效率高、過程可控、試驗輸出信息豐富等優點，是產品研制過程中最有效的測試性增長手段之一［1-2］。

1 基于故障注入的測試性仿真思路

故障注入仿真技術是基于對系統的功能、結構和工作機理分析，將系統進行分解，分析各個組成單元之間及其與系統間的故障耦合關系，運用虛擬樣機技術，在數學模型的基礎上，通過計算機建模與仿真軟件實現對系統正常功能與可能存在故障的模擬。

1.1 系統劃分

測試性故障注入仿真一般采用分層、分塊的方式進行建模和分析，模型結構與系統的功能結構類似，這種建模方法便于模型檢驗、校核、綜合集成等，本文提出的測試性系統仿真模型也采用這種建模方法，建模前對系統的層級進行劃分，可分為系統級（System）、子系統級（Subsystem）、功能單元級（Component）等，分別建立測試性分析約定層級中各功能模塊單元的故障仿真模型，低層級仿真模型通過輸出參數及其相互約束和連接關系集成為上一層級的仿真模型，上一層級的模型是對下一層級各仿真模型的封裝。

系統的分層故障仿真模型關系示例如圖1所示，功能單元的故障仿真模型構建形式需要依據具體仿真環境的特點進行，各模型的具體實現在表達形式上可能會有所差別。

圖1 系統的分層故障仿真模型關系

1.2 故障建模仿真流程

一次完整的故障注入試驗包括由試驗者收集整理數據、建立試驗電路仿真模型、確定故障樣本、執行故障注入、運行帶工作負載的目標系統、監視系統行為和分析試驗結果的整個循環過程［3］，電路故障仿真流程圖，如圖2所示，本文將分別對一些關鍵步驟進行分析。從圖2中可以看出，該方法的特點是在進行電路性能設計的同時同步進行故障注入及分析，過程是一個反復迭代的過程，這樣在產品設計階段就可以獲得較多的產品故障數據，可以為故障的影響分析做充分的準備；同時故障注入采用基于軟件的故障注入方式，這種方式效率較高，在產品設計不斷更改時也可以隨時進行故障注入，隨時反饋給設計人員產品的測試薄弱環節，便于電路的修改。

圖2 電路故障仿真實現原理流程圖

1.3 故障注入

電路的故障模型是指電路中各種故障因素的仿真模型。故障建模首先考慮的是，能否模擬真實的故障發生情況，易于注入與易于進行結構驗證分析也是重點考慮的因素之一。

建立故障模型，按照故障出現的次數劃分，可分為單故障和多故障，按照持續時間可劃分為暫時性故障或永久故障，為了減輕故障仿真的開銷，有時需要把故障模型建立在較高層次，可以把一個集合的故障模型利用某個故障模式代替，這樣可以使故障仿真得到簡化但又不影響結果的判定。

故障注入也就是把建立的故障模型加入到正常仿真模型中進行仿真，把故障模式庫電路中某個元器件的某個失效信息，在仿真環境下對正常元器件信息進行修改重組，就可以得到故障仿真模型。

1.4 選擇測試點監視系統行為

測試點越多能夠得到的觀測信息就會越大，但是測試點越多造成的計算量和存儲量就會越大，現實電路設計也越困難，而且由于測試性設計完成后，會降低系統可靠性，增加測試設備的研制費用開支，所以選擇測試點最好考慮到實際電路的布局，首先選擇電路板上容易實現的地方，還要考慮到節省電路開支，盡量選取電路中現有的輸出節點，在現有測試點不能夠滿足系統測試需求時，可以考慮增加必要的電路進行測試［4］。

一般來說，經過復雜的計算能夠選出最好的測試點，但是工程上沒有這個必要，多數情況下，把測試點設置在故障的多發部位，再結合數字、模擬電路的特點，通過適當計算就可以了。

考慮到故障隔離的需要，測試點的選擇要考慮到可更換單元的分布情況，各可更換單元間的故障特性傳遞關系等因素，隨時根據仿真結果進行調整，對于無法提供故障特征的測試點應隨時取消。

1.5 仿真結果處理

從故障仿真中能夠得到大量的電路故障狀態信息，對比正常、故障狀態的電路特點，找到其中的不同，從而得出故障狀態是否能夠被觀測，這是一個極其復雜的過程。系統的故障處理一般由技術人員按照產品的技術規范來進行，但這種方法并不完善，傳統的技術規范中規定的信號量值都比較簡單，很多時候對故障的判定和隔離效果比較差，這里通過對正常仿真結果和故障結果的分析對比，可以得出相對精確的判定依據［5］。

結果判定按以下幾個步驟進行：

1.5.1 根據產品的設計技術指標對故障進行初步定義，剔除測試容差等干擾因素。

1.5.2 對故障的狀態進行定量化處理，如模擬信號的信號極值、相位等以及波形特征參數如各種雜波、正弦波、三角波、方波等都是特征信息，數字量可能包括時間周期、信號強度等。

1.5.3 利用仿真得到的故障信號結果對電路故障現象進行分析，主要是判定是否屬于故障，分析是否能夠進行故障隔離等因素。

2 故障注入仿真舉例

2.1 研究對象

本文選擇某信號處理電路的信號調理部分進行建模，按照本文1.1所述劃分方式把電路劃分為信號采集調理電路和FPGA控制兩部分電路。以信號調理電路部分仿真為例，信號調理電路功能組成及電路仿真節點，見圖3。

圖3 信號調理電路原理圖

2.2 故障注入

通過分析，為便于研究的順利開展，對輸入變量進行了簡化，選擇正弦波和方波作為故障仿真模型的輸入變量Up，如表1。

表1 輸入變量Up

調理電路實際的測試點為信號的最終輸出端OUT，為了監測信號在電路中不同位置的變化及分析的需要，在電路中增加了COM和A1兩個測試點，測試模型如表2。

表2 調理電路的測試模型

2.3 仿真結果舉例

如輸入變量為方波時，電路仿真模型輸入0V～+5V、1KHz方波信號后，電路的狀態（3個測試點OUT、COM、A1輸出）如圖4。

通過修改電路，注入“U2A+輸入端開路”故障，電路仿真模型的狀態如圖5，與模型正常狀態對比，狀態變化明顯，但輸出狀態復雜，無法用簡單信息處理算法進行狀態特征提取，需要調整測試模型中的信息處理算法以提取合適的特征信息提供給決策模型進行故障與否的判斷。

圖4 模型正常狀態波形

圖5 “U2A+輸入端開路”故障波形

仿真的結果證明了測試點信號與輸入變量間的傳遞關系達到了設計目的，故障及其特征、系統狀態及其隨（故障）輸入的變化、測試點及測試的輸出特性都在模型中得到了很好的體現，初步證明了故障注入仿真分析方法在測試性仿真建模方面的可行性。

3 結語

故障模型產生的故障輸入對電路狀態的影響及在測試模型中的可測狀態基本都反映了電路的實際工作情況，需要注意的是部分故障產生的影響可能比較復雜，通過仿真可能無法準確給出影響的結果，這時可根據需要進行相應的測試性專項試驗對該類故障進行試驗驗證。同時，驗證的結果也證明故障仿真模型的分析方法可以給電路的測試性分析工作提供有力的支持，可以推廣到其他電路測試性仿真中應用。目前由于人員經驗及費用問題，對測試性故障仿真分析方法的驗證還不全面，僅進行了電路級可仿真注入故障模型的仿真驗證，還沒有進行仿真環境中仿真的故障統計模型驗證及實際的電路測試性故障注入試驗的驗證等。

［1］楊鵬，邱靜，劉冠軍.基于擴展的關聯模型的測試性分析技術研究［J］.系統工程與電子技術，2008，30（2）：371-374.

［2］石君友，龔晶晶，徐慶波.考慮多故障的測試性建模改進方法［J］.北京航空航天大學學報，2010，36（3）：270-273.

［3］代京，張平，李行善，等.航空機電系統測試性建模與分析新方法［J］.航空學報，2010，31（2）：277-284.

［4］劉維罡，沈頌華.航空航天器配電變換器測試性設計及其仿真研究［J］.宇航學報，2007，28（6）：1747-1752.

［5］汪亞順.裝備壽命預測的仿真基加速試驗方案優化設計方法研究［D］.長沙：國防科學技術大學機電工程與自動化學院，2008.