基于仿真的嵌入式診斷設(shè)計(jì)方法

為及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)隔離內(nèi)部故障，支持新一代飛機(jī)視情維修和自主式保障的實(shí)現(xiàn)，提高飛機(jī)的保障性和經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)的源頭保證良好的測(cè)試性。因此，在設(shè)計(jì)初期，仿真分析作為設(shè)計(jì)輔助手段顯得尤為重要。目前，基于仿真的診斷設(shè)計(jì)研究對(duì)實(shí)際診斷設(shè)計(jì)的指導(dǎo)多停留在理論階段，缺乏工程應(yīng)用的途徑及案例，使得先進(jìn)的診斷策略設(shè)計(jì)技術(shù)與工程實(shí)際脫節(jié)。因此，如何將仿真分析結(jié)果有效應(yīng)用于工程實(shí)際，建立起二者之間的橋梁，是診斷設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，并基于案例對(duì)該方法的有效性和實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)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(shè)計(jì)中的有效落實(shí)提供了思路和途徑，實(shí)現(xiàn)了建模仿真分析工作對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的有效指導(dǎo)，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品實(shí)際診斷設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)原理及流程

基于仿真的嵌入式診斷設(shè)計(jì)方法基于診斷對(duì)象的故障傳遞關(guān)系、故障模式信息、測(cè)試點(diǎn)信息、功能框圖等輸入，以測(cè)試性模型和EDA功能仿真模型為基礎(chǔ)。一方面，以測(cè)試性建模分析為手段，獲得診斷邏輯/標(biāo)準(zhǔn)，明確各故障模式的檢測(cè)隔離判據(jù)，將其作為診斷推理的依據(jù)，即得到故障一測(cè)試相關(guān)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(hào)以及信號(hào)采集處理方法，進(jìn)一步獲得一種全新的故障一信號(hào)一測(cè)試相關(guān)性矩陣，最終形成診斷對(duì)象的嵌入式診斷策略。依據(jù)獲得的診斷策略，可以進(jìn)行診斷算法、程序及電路等的設(shè)計(jì)，從而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)相關(guān)參數(shù)的監(jiān)控結(jié)果，得到所需的診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)診斷。具體的診斷設(shè)計(jì)方法實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 基于仿真的診斷設(shè)計(jì)方法實(shí)施流程

2 案例分析

以某型號(hào)飛機(jī)航電系統(tǒng)中的語(yǔ)音處理單元的機(jī)內(nèi)診斷(BIT)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹所述的基于仿真的嵌入式診斷設(shè)計(jì)方法。其功能框圖和組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 診斷對(duì)象功能框圖

收集診斷對(duì)象的設(shè)計(jì)資料、技術(shù)說明、電路原理圖和功能框圖等。依據(jù)相關(guān)資料，分析診斷對(duì)象的功能、特性。依據(jù)產(chǎn)品的可靠性分析結(jié)果、產(chǎn)品的信號(hào)流圖，確定產(chǎn)品的故障模式信息及故障傳遞關(guān)系;同時(shí)，基于產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)和測(cè)試處理能力，初步選定產(chǎn)品的可用測(cè)試點(diǎn)。如表1所示。

表1 故障模式分析表

2.1 建立故障一測(cè)試相關(guān)性矩陣

確定故障一測(cè)試相關(guān)性矩陣的過程即建立診斷邏輯/判據(jù)的過程。

(1)產(chǎn)品測(cè)試性模型建模。

依據(jù)產(chǎn)品的功能框圖，結(jié)合故障模式信息、故障傳遞關(guān)系等，基于產(chǎn)品可用測(cè)試點(diǎn)，建立起產(chǎn)品的初步測(cè)試性模型。筆者選用TADS軟件實(shí)現(xiàn)案例系統(tǒng)的模型建立，其模型為分層結(jié)構(gòu)的信號(hào)流模型，如圖3所示。

圖3 案例系統(tǒng)的測(cè)試性模型

(2)基于建立的測(cè)試性模型，依據(jù)產(chǎn)品的診斷要求和設(shè)計(jì)約束條件，進(jìn)行測(cè)試性分析。

①分析故障模式與測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的關(guān)系，生成相關(guān)性矩陣。利用TADS軟件，對(duì)建立的模型執(zhí)行靜態(tài)分析和測(cè)試性分析，得到模型的故障一測(cè)試相關(guān)性矩陣(D矩陣)。

②優(yōu)化測(cè)試點(diǎn)布局和相關(guān)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(cè)試點(diǎn)的優(yōu)選結(jié)果為基礎(chǔ)。因此，應(yīng)在滿足測(cè)試性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，識(shí)別冗余測(cè)試，進(jìn)一步隔離模糊組，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)性矩陣的優(yōu)化。在篩選去除未選用測(cè)試后，即可得到該診斷對(duì)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(cè)試相關(guān)性矩陣

2.2 確定診斷用信號(hào)/參數(shù)集

為實(shí)現(xiàn)故障一測(cè)試相關(guān)性矩陣中測(cè)試的詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過EDA電路功能仿真及故障仿真，獲取診斷對(duì)象的正常狀態(tài)及各故障狀態(tài)下的信號(hào)表征，得到為實(shí)現(xiàn)診斷所需的信號(hào)/參數(shù)集，并對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化，確定用于診斷的信號(hào)/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(jìn)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(hào)/參數(shù)狀態(tài)及特征，如圖4所示?；诠收夏Ｐ徒７椒?，為故障一測(cè)試相關(guān)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(jié)果參見文獻(xiàn)。將故障模型置于電路功能仿真環(huán)境中，進(jìn)行故障注入仿真分析，得到產(chǎn)品各故障狀態(tài)下的信號(hào)/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(yīng)列所示。

(2)確定支持診斷所需采集的信號(hào)/參數(shù)。

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

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

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

圖4 案例電路的電路功能仿真結(jié)果

2.3 信號(hào)處理策略設(shè)計(jì)

信號(hào)處理策略設(shè)計(jì)即是在確定的診斷用信號(hào)/參數(shù)集的基礎(chǔ)上，確定其采集和分析處理方法，如對(duì)信號(hào)/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(jì)分析、頻譜分析和A/D變換等。本案例中，為實(shí)現(xiàn)在線診斷，可將各類信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)由處理器統(tǒng)一進(jìn)行采集處理?？偨Y(jié)得到各故障模式的檢測(cè)信號(hào)/參數(shù)及其檢測(cè)手段，如表3中相應(yīng)列所示。

表3 音頻處理單元案例各故障模式的檢測(cè)參數(shù)及處理方法

2.4 建立診斷對(duì)象的故障-信號(hào)-測(cè)試矩陣

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

表4 故障-信號(hào)-測(cè)試相關(guān)性矩陣示例

2.5 機(jī)內(nèi)診斷方案設(shè)計(jì)

根據(jù)確定的故障-信號(hào)-測(cè)試矩陣、需檢測(cè)參數(shù)的檢測(cè)手段及信號(hào)處理方法等，確定機(jī)內(nèi)診斷設(shè)計(jì)方案。

①機(jī)內(nèi)診斷推理代碼/程序設(shè)計(jì)。將根據(jù)具象化的診斷策略(故障-信號(hào)-測(cè)試相關(guān)性矩陣)，設(shè)計(jì)機(jī)內(nèi)診斷推理代碼，并結(jié)合產(chǎn)品功能原理，以最優(yōu)的軟硬件規(guī)模，設(shè)計(jì)實(shí)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(yǔ)句的形式存儲(chǔ)在ROM中。

②實(shí)現(xiàn)信息處理設(shè)計(jì)。即以實(shí)際電路和算法實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷所需信號(hào)/參數(shù)的采集和處理。

③得到診斷結(jié)果。以周期BIT為例，在線診斷時(shí)，以設(shè)計(jì)的采集處理電路周期性監(jiān)測(cè)各相關(guān)信號(hào)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，依機(jī)內(nèi)診斷推理代碼輸出診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)診斷設(shè)計(jì)。

在案例電路中，可選用診斷設(shè)計(jì)電路包括如真有效值(RMS)測(cè)量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)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(cè)量電路，可采用專用的真有效值測(cè)量集成電路芯片來實(shí)現(xiàn);A/D轉(zhuǎn)換電路，需轉(zhuǎn)換信號(hào)為5路，配合處理器，使用滿足要求的8位或12位A/D轉(zhuǎn)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(jī)、DSP或FPGA等都可實(shí)現(xiàn)。

圖5 診斷設(shè)計(jì)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(hào)-測(cè)試相關(guān)性矩陣設(shè)計(jì)為合適的診斷代碼，載入處理器中;各類診斷用信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的處理，由處理器進(jìn)行統(tǒng)一的采集分析;依據(jù)采集的信號(hào)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(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

將測(cè)試性建模分析和EDA仿真分析手段有效結(jié)合，論述了一種基于仿真的診斷設(shè)計(jì)方法。其以測(cè)試性建模分析得到的故障一測(cè)試相關(guān)性矩陣為基礎(chǔ)，依據(jù)EDA功能及故障仿真分析，獲取診斷所需的檢測(cè)信號(hào)/參數(shù)狀態(tài)并確定信號(hào)處理方法，從而構(gòu)建得到一種故障一信號(hào)一測(cè)試相關(guān)性矩陣，用以指導(dǎo)產(chǎn)品的嵌入式診斷設(shè)計(jì)。文中基于工程案例，對(duì)該嵌入式診斷設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，依據(jù)文中案例，通過適當(dāng)添加軟硬件電路，采集9個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)案例診斷對(duì)象18種故障模式的有效檢測(cè)和隔離。該方法為將測(cè)試性仿真分析得到的最優(yōu)診斷策略應(yīng)用于工程實(shí)際提供了思路和途徑，為產(chǎn)品嵌入式診斷設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了有效指導(dǎo)。