基于仿真的嵌入式診斷設計方法

為及時、準確地檢測隔離內(nèi)部故障，支持新一代飛機視情維修和自主式保障的實現(xiàn)，提高飛機的保障性和經(jīng)濟可承受性，必須在裝備研制一開始就綜合考慮整體診斷策略的設計，從設計的源頭保證良好的測試性。因此，在設計初期，仿真分析作為設計輔助手段顯得尤為重要。目前，基于仿真的診斷設計研究對實際診斷設計的指導多停留在理論階段，缺乏工程應用的途徑及案例，使得先進的診斷策略設計技術與工程實際脫節(jié)。因此，如何將仿真分析結果有效應用于工程實際，建立起二者之間的橋梁，是診斷設計中亟待解決的問題。筆者介紹了一種基于仿真的嵌入式診斷設計方法，并基于案例對該方法的有效性和實用性進行了驗證。該方法為仿真分析得到的最優(yōu)診斷策略在嵌入式診斷設計中的有效落實提供了思路和途徑，實現(xiàn)了建模仿真分析工作對實際工程設計的有效指導，可用于指導產(chǎn)品實際診斷設計。

1 技術原理及流程

基于仿真的嵌入式診斷設計方法基于診斷對象的故障傳遞關系、故障模式信息、測試點信息、功能框圖等輸入，以測試性模型和EDA功能仿真模型為基礎。一方面，以測試性建模分析為手段，獲得診斷邏輯/標準，明確各故障模式的檢測隔離判據(jù)，將其作為診斷推理的依據(jù)，即得到故障一測試相關性矩陣;另一方面，以功能仿真分析和故障注入仿真分析為輔助，確定需獲取的信號以及信號采集處理方法，進一步獲得一種全新的故障一信號一測試相關性矩陣，最終形成診斷對象的嵌入式診斷策略。依據(jù)獲得的診斷策略，可以進行診斷算法、程序及電路等的設計，從而在實際應用時根據(jù)相關參數(shù)的監(jiān)控結果，得到所需的診斷結果，實現(xiàn)機內(nèi)診斷。具體的診斷設計方法實施流程如圖1所示。

圖1 基于仿真的診斷設計方法實施流程

2 案例分析

以某型號飛機航電系統(tǒng)中的語音處理單元的機內(nèi)診斷(BIT)設計為例，詳細介紹所述的基于仿真的嵌入式診斷設計方法。其功能框圖和組成結構如圖2所示。

圖2 診斷對象功能框圖

收集診斷對象的設計資料、技術說明、電路原理圖和功能框圖等。依據(jù)相關資料，分析診斷對象的功能、特性。依據(jù)產(chǎn)品的可靠性分析結果、產(chǎn)品的信號流圖，確定產(chǎn)品的故障模式信息及故障傳遞關系;同時，基于產(chǎn)品物理結構和測試處理能力，初步選定產(chǎn)品的可用測試點。如表1所示。

表1 故障模式分析表

2.1 建立故障一測試相關性矩陣

確定故障一測試相關性矩陣的過程即建立診斷邏輯/判據(jù)的過程。

(1)產(chǎn)品測試性模型建模。

依據(jù)產(chǎn)品的功能框圖，結合故障模式信息、故障傳遞關系等，基于產(chǎn)品可用測試點，建立起產(chǎn)品的初步測試性模型。筆者選用TADS軟件實現(xiàn)案例系統(tǒng)的模型建立，其模型為分層結構的信號流模型，如圖3所示。

圖3 案例系統(tǒng)的測試性模型

(2)基于建立的測試性模型，依據(jù)產(chǎn)品的診斷要求和設計約束條件，進行測試性分析。

①分析故障模式與測試點測試結果的關系，生成相關性矩陣。利用TADS軟件，對建立的模型執(zhí)行靜態(tài)分析和測試性分析，得到模型的故障一測試相關性矩陣(D矩陣)。

②優(yōu)化測試點布局和相關性矩陣，得到診斷邏輯/判據(jù)。產(chǎn)品的最優(yōu)診斷策略以測試點的優(yōu)選結果為基礎。因此，應在滿足測試性指標的基礎上，識別冗余測試，進一步隔離模糊組，實現(xiàn)對相關性矩陣的優(yōu)化。在篩選去除未選用測試后，即可得到該診斷對象的診斷邏輯/判據(jù)。如表2所示。

表2 優(yōu)化后的故障一測試相關性矩陣

2.2 確定診斷用信號/參數(shù)集

為實現(xiàn)故障一測試相關性矩陣中測試的詳細設計，通過EDA電路功能仿真及故障仿真，獲取診斷對象的正常狀態(tài)及各故障狀態(tài)下的信號表征，得到為實現(xiàn)診斷所需的信號/參數(shù)集，并對其進行一定的優(yōu)化，確定用于診斷的信號/參數(shù)集。

(1)建立產(chǎn)品EDA電路功能模型和EDA故障模型，仿真獲取狀態(tài)信息。

筆者使用仿真分析軟件Saber作為EDA建模分析工具，根據(jù)所述的建模手段及方法，依據(jù)案例電路功能原理，建立其電路功能模型，并進行仿真分析，可得到產(chǎn)品正常工作狀態(tài)下的電路各信號/參數(shù)狀態(tài)及特征，如圖4所示?；诠收夏Ｐ徒７椒ǎ瑸楣收弦粶y試相關性矩陣中的故障模式建立故障模型。在本案例的典型故障模式模型和仿真結果參見文獻。將故障模型置于電路功能仿真環(huán)境中，進行故障注入仿真分析，得到產(chǎn)品各故障狀態(tài)下的信號/參數(shù)特性。案例電路各故障模式的故障狀態(tài)如表3中相應列所示。

(2)確定支持診斷所需采集的信號/參數(shù)。

根據(jù)診斷對象的故障狀態(tài)、電路特性和診斷需求，確定診斷所需信號/參數(shù)集，其原則如下：

①合并可復用的信號/參數(shù)。對于故障表征在同一信號上的故障模式，其檢測參數(shù)可復用，以增加電路的利用率，減小檢測電路/算法的體積/規(guī)模。

②等效處理特征信號/參數(shù)。對于獲取存在困難的信號/參數(shù)可通過仿真分析，選用易于實現(xiàn)的等效信號/參數(shù)進行檢測，選擇時可優(yōu)先考慮已使用的檢測信號/參數(shù)，以及對故障狀態(tài)表征信號靈敏度較高的電路參數(shù)/信號。

圖4 案例電路的電路功能仿真結果

2.3 信號處理策略設計

信號處理策略設計即是在確定的診斷用信號/參數(shù)集的基礎上，確定其采集和分析處理方法，如對信號/參數(shù)所作的調(diào)整、變換和傳輸，包括放大、衰減、濾波、整流、統(tǒng)計分析、頻譜分析和A/D變換等。本案例中，為實現(xiàn)在線診斷，可將各類信號轉換成數(shù)字量信號由處理器統(tǒng)一進行采集處理?？偨Y得到各故障模式的檢測信號/參數(shù)及其檢測手段，如表3中相應列所示。

表3 音頻處理單元案例各故障模式的檢測參數(shù)及處理方法

2.4 建立診斷對象的故障-信號-測試矩陣

結合故障一測試矩陣(診斷邏輯)和確定的各故障模式的檢測參數(shù)及其檢測處理方法，可形成診斷對象的故障-信號-測試矩陣。其根據(jù)各故障狀態(tài)下需檢測的信號/參數(shù)特性，將建模分析得到的診斷邏輯中的測試點測試結果以實際電路信號/參數(shù)特征量的形式表征，即得到診斷邏輯的實現(xiàn)策略。故障-信號-測試相關性矩陣示例如表4所示。

表4 故障-信號-測試相關性矩陣示例

2.5 機內(nèi)診斷方案設計

根據(jù)確定的故障-信號-測試矩陣、需檢測參數(shù)的檢測手段及信號處理方法等，確定機內(nèi)診斷設計方案。

①機內(nèi)診斷推理代碼/程序設計。將根據(jù)具象化的診斷策略(故障-信號-測試相關性矩陣)，設計機內(nèi)診斷推理代碼，并結合產(chǎn)品功能原理，以最優(yōu)的軟硬件規(guī)模，設計實現(xiàn)診斷推理代碼。代碼可以以控制程序的形式加載到處理器中;也可以以查詢語句的形式存儲在ROM中。

②實現(xiàn)信息處理設計。即以實際電路和算法實現(xiàn)對診斷所需信號/參數(shù)的采集和處理。

③得到診斷結果。以周期BIT為例，在線診斷時，以設計的采集處理電路周期性監(jiān)測各相關信號，根據(jù)監(jiān)測結果，依機內(nèi)診斷推理代碼輸出診斷結果，實現(xiàn)機內(nèi)診斷設計。

在案例電路中，可選用診斷設計電路包括如真有效值(RMS)測量電路、模數(shù)轉換電路、處理器及其外圍電路三大部分，如圖5所示。圖中，RMS測量電路，可采用專用的真有效值測量集成電路芯片來實現(xiàn);A/D轉換電路，需轉換信號為5路，配合處理器，使用滿足要求的8位或12位A/D轉換芯片即可;處理器則依據(jù)電路特性和診斷需求，使用一般單片機、DSP或FPGA等都可實現(xiàn)。

圖5 診斷設計功能框圖

依據(jù)選用的處理器，將2.1節(jié)所述的故障-信號-測試相關性矩陣設計為合適的診斷代碼，載入處理器中;各類診斷用信號經(jīng)過相應的處理，由處理器進行統(tǒng)一的采集分析;依據(jù)采集的信號狀態(tài)和內(nèi)置的診斷邏輯，可采用門限比較法，得到案例電路的診斷結果。

3 結束語

將測試性建模分析和EDA仿真分析手段有效結合，論述了一種基于仿真的診斷設計方法。其以測試性建模分析得到的故障一測試相關性矩陣為基礎，依據(jù)EDA功能及故障仿真分析，獲取診斷所需的檢測信號/參數(shù)狀態(tài)并確定信號處理方法，從而構建得到一種故障一信號一測試相關性矩陣，用以指導產(chǎn)品的嵌入式診斷設計。文中基于工程案例，對該嵌入式診斷設計方法進行了詳細介紹，依據(jù)文中案例，通過適當添加軟硬件電路，采集9個測試點上的信號，即可實現(xiàn)對案例診斷對象18種故障模式的有效檢測和隔離。該方法為將測試性仿真分析得到的最優(yōu)診斷策略應用于工程實際提供了思路和途徑，為產(chǎn)品嵌入式診斷設計實現(xiàn)提供了有效指導。