数模混合电路故障诊断软件开发平台
2008-11-13
作者：北京航天测控技术开发公司
一、模拟电路仿真存在的问题
模拟电路和数字电路中测试信号的极大差异通常使得测试数模混合电路变得很困难，主要体现在：①模拟电路的输入激励和输出响应都是连续量，模拟电路的故障模型比较复杂，难以简单量化；②检测点的数据取值困难，模拟电路中的元器件参数具有容差，只是尚在允许范围之内，导致实际故障的模糊性，不能决定实际故障的物理位置；③模拟电路广泛存在非线性问题，随着电路规模的增加，计算量以指数形式增加；④模拟电路存在大量的反馈电路，增加了计算和测试的复杂性；⑤数模电路故障模型尚不完全成熟，缺乏强有力的模拟故障激励和测试生成工具，对其测试的时间很容易变得很长，与ATE（自动测试设备）的接口也不方便；⑥有些电路数字和模拟部分相互融合不能分块。这些特点增加了对混合电路测试诊断的难度。
二、数模混合电路故障诊断软件平台组成
常用的仿真EDA软件很多，但是这类软件只能完成电路板的功能仿真，不具备故障插入以及故障仿真的功能。针对数模混合电路板的特点，设计数模混合电路故障诊断软件平台，不仅可以实现电路板的功能仿真，同时可以依据电路板的器件特点插入故障模式" title="故障模式">故障模式或自定义器件的模型，从而完成电路板整板的功能与故障仿真。
航天测控数模混合电路故障诊断软件开发平台通过向仿真器导入电路描述文件，对电路进行仿真，或用户自定义故障类型，进行故障仿真。对仿真器的输出数据进行处理，形成故障字典，对被测电路进行基于故障字典的诊断。诊断结果加入诊断知识库，可根据需要对故障字典实施数据挖掘以丰富知识库，实现知识共享。
1、原理图
原理图是为了实现某种功能而设计的电路图。数模混合电路故障诊断软件平台需要电路板仿真信息，包括电路板的元器件、网络连接关系等，为下一步的功能仿真和故障仿真提供必要条件。提供用户方便的电路原理图设计前端，为仿真引擎生成标准的网表格式。可实现protel ASCII标准格式电路原理图导入显示、元器件绘图修改、功能导航操作等人机界面功能。后台包含电气域节点合并、网表生成算法等模块，支持用户进行电路原理图图形化修改操作，解决文本编辑网表文件需遵循繁杂语法规则的弊端。
2、元器件模型
元器件模型是将电路原理图转化为仿真软件能够识别的仿真模型，也叫标称仿真模型，其中关键在于能否对每一个元器件都有准确的建模。一般仿真软件都含有大量的元器件库，随时可以调用，但由于元器件的发展日新月异，元器件库中不可能包含所有元器件的模型，因此对库里没有的元器件必须重新建模。显然，建模的好坏直接影响仿真的精度，也是利用仿真软件研究系统测试性设计的关键环节，如果不能精确地建立系统的仿真模型，后面的工作就无法进行。
仿真平台的元件参数库中包含了几万种元器件和单元集成电路的模型参数，基本上能够满足一般用户的要求。库模型大致可分为6类：基本无缘元件（如电阻、电容、电感、互感、传输线等）；常用的半导体器件（如二极管、双极晶体管、结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管，GaAs场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT等）；独立电压源和独立电流源（如直流DC、交流DC、瞬态TRAN分析和逻辑模拟所需的各种激励信号波形）；各种受控电压源、受控电路源和受控开关；基本数字电路单元（如常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAM、ROM等）；常用的单元电路（如放大器类集成电路等）。
仿真平台提供一个模型参数配置界面，让用户自己生成模拟时所需的元器件库以外的模型参数，设置好分析参数后，即可和系统自带模型一样，在原理图绘制界面下进行后续仿真工作。
3、仿真引擎
数模混合电路故障诊断软件平台实现仿真引擎从linux到windows移植，并嵌入到仿真框架内。SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。
对前端生成的网表文件调用仿真引擎进行电路分析，提供仿真算法的收敛性参数调试设置窗口，以保证复杂规模非线性电路仿真的收敛性，并支持仿真引擎输出原始数据的图形显示。对于电路正常仿真，可进行工作点分析，直流扫描分析、瞬态分析、交流小信号分析、蒙特卡罗分析，并可调用显示程序进行各种仿真分析数据的图形显示。对于电路故障仿真，可对批量插入的故障列表进行序列化故障仿真，为后端故障字典处理提供统一的批量故障仿真分析数据文件。
4、故障模式
选择故障集实际上是设置电路各种故障状态，确定可诊断的故障集。一般电路的故障模式有开路、短路、参数漂移和固定高、固定低、反相、桥接等。分析电路板中元器件所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度、难易程度以及发生频度予以分类，将发生概率高、危害度大的故障选作故障集，而不必对所有元件的硬故障都予以考虑。对于具体电路还需具体问题具体分析，确定故障模型。
| 设备构成件类别 | 故障模式 |
| 变频器 | 开路、短路、漂移 |
| 功率计 | 短路、开路、读数错误 |
| 继电器 | 触电电阻过大，触电短路、开路振动，线圈开路、短路、结合不稳定 |
| 可变电阻 | 短路、开路、数值漂移、机械故障 |
| 保险丝 | 开路、熔断电流变化 |
| 半导体 | 短路、开路、开关电流、电压增大、杂波、噪声、失控、参数漂移 |
| 电线 | 开路、短路、接触不良、绝缘破损 |
| 灯炮 | 灯丝断、发光亮度变化、破损、噪声 |
| 信号发生器 | 开路、短路信号不稳定、信号漂移 |
| 开关 | 开路、短路、不稳定、振动、电极损伤、接触电阻大 |
| 插座 | 开路、短路、破损、机械故障 |
| 马达 | 开路、短路、过热、振动、噪声 |
| 变压器 | 开路、短路、过热、绝缘破坏 |
| 发电机 | 开路、短路、过热振动、噪声、参数漂移 |
| 二极管 | 开路、短路、参数漂移 |
| 滤波器 | 开路、短路、参数漂移、机械损伤 |
| 接头 | 开路、短路接触电阻大、绝缘破坏、 |
5、输入激励选取
通常采用与实际工作相似的输入信号作为激励信号。为了充分隔离故障集中的所有故障，往往需要多种输入信号的组合信号，甚至还需要另选一些实际工作中没有的组合信号作为激励，通常需要根据经验或通过对电路作灵敏度分析，逐步试探得到能隔离故障集中所有故障的激励信号。
6、故障注入
故障注入是故障模式集中的故障注入到标称仿真模式型的过程。用户通过可视化故障建模及故障注入，实现对电路中所有同类元件进行批量故障注入和单个故障注入，并提供开放的可不断丰富的元器件故障图形模型库和故障仿真模型库。对于库中不存在的故障模型，用户可通过新增故障模型功能进行元件故障模型设计，并自动添加到对应的故障模型库中。
7、测试点选取
要了解电路所处的状态就必须从电路中提取相关的信息，测试点实际上就是提取电路信息的观测点。测试点多所得到的信息量就大，判断电路状态就比较容易。但测试点过多，可能会造成因计算和存储大量不必要的信息而浪费计算机资源。
8、模糊集和故障字典
由于模拟电路中各元件存在容差，导致节点电压存在一定变化范围，而不是一个确定值。这时就需要引入模糊集的概念以实现故障隔离，如果利用所选择的测试节点和激励信号所生成的模糊集足以隔离出所有故障，利用现有信息建立故障字典。
二、数模混合电路故障诊断软件平台的特点
数模混合电路故障诊断软件属于EDA软件中的开发环境类，符合目前开发工具的发展。它既具备一般EDA软件的前端图形处理功能，也具备先进的过程仿真分析功能，同时融入了高效的智能化故障模式分析、故障诊断功能，集成了电子辅助设计技术和先进人工智能故障诊断技术的优点。用户可方便通地过计算机辅助获得UUT对象的丰富状态知识进行故障诊断，避免了以往基于先验专家知识和实板测试获得故障诊断知识的缺陷，用户只需建立相应的UUT的电路模型，插入对应的故障模式，导入不同模式组合的激励即可获得完备的故障字典。数模混合电路故障诊断软件平台具有以下特点：
1、为用户提供和谐友好的人机界面，具有强大的电子电路辅助设计编辑功能。用户可方便地进行电路原理图导入、设计、修改。
2、具备完备的电子元件图形和仿真模型库。开发环境元件库不仅囊括了现行EDA软件的基本元器件图形模型类，还丰富了对应的元件仿真模型，使得本平台相比其他EDA软件可支持包含更多更复杂元器件电路的仿真分析。
3、具备开放式的元件建模功能。在具备基本大类元件库的基础理论上提供了自定义元件建模功能，使用户可依据元件资料方便地进行图形建模，并自动丰富到现有元器件库中，避免由于个别元器件过老或太新没有仿真模型而无法进行电路整体仿真的缺陷。
4、具备丰富的元件故障模式。相比现行故障仿真EDA软件（如TINA）具备更为复杂的故障模式，用户不仅可方便注入开路短路故障，也可选择不同的插入方式插入参数漂移、桥接、非线性失效等复杂等效故障。
5、具备开放式的故障建模功能。提供开放式的故障建模模块，支持用户建立故障模型库所不涵盖的稀有故障模式，并自动集成到故障模型库中，方便二次使用。
6、集成了先进的模数故障仿真引擎。开发环境集成了最新的SPICE、CIDAR、XSPICE仿真引擎技术，并自主开发了模数混合接口的建模技术，提升了传统SPICE仿真引擎对简单数字器件的兼容支持问题，使开发环境可支持模拟、模数混合电路的故障仿真。
7、采用了模糊集、蒙特卡罗、神经网络等先进智能计算方法实现了对模拟电路容差变化的有效性支持。模拟及模数混合信号存在一定的容差范围，为了拟合电路故障状态的自然分布以提供精确有效的故障字典，采用了模糊集与蒙特卡罗相结合的方式来提升故障字典诊断的有效性。
8、集成了先进的故障统计算法。在获取故障字典后，可自动统计出故障检测与隔离情况，分析故障之间的等效关系及冗余关系，提供标准的故障字典检测率和隔离率指标。
9、采用了ODBC、DELPHI显示等主流的软件开发技术，平台的可重用性、鲁棒性好，易于修改和升级。
三、应用实例
通过实际电路板的原理仿真结果与第三方EDA软件仿真结果进行对比，结果数据一致，然后对电路板进行实际测试，测试数据与仿真结果对比，验证仿真的正确性、准确度等功能及性能指标。通过对仿真情况的分析，完全可以完成对模拟器件、数字器件的仿真。通过与实板数据对比，其精度满足要求。
航天测控数模混合电路故障诊断软件开发平台提供用于模拟及模数混合电路故障仿真及故障诊断的通用环境，解决以往基于人为先验专家故障知识进行故障诊断的弊端。使用户不需要对电路实板进行破坏性故障测试，只需通过元器件故障建模和电路仿真分析，在平台可视化界面的指导下，利用平台的各种功能组件，即可获得电路在不同模式下的电路状态进而构建仿真故障字典实现故障诊断，极大地提高了数模混合电路的故障诊断效率。
北京航天测控技术开发公司以通用测控产品为主，主要有六大类：基础测试测量仪器，包括16大类230余种的VXI/PXI/LXI/CPCI/CAN/GPIB总线系列化仪器模块及信号调理模块；软件及信息化产品，包括虚拟仪器测试开发环境和远程分布式测试与故障诊断系统；通用测试系统，包括“广灵通”通用测试平台及其系列产品；测试与维修保障系统，包括“华佗”电子设备电路板维修测试与诊断系统及其系列产品和装备维修测试与诊断系统；自动化控制系统，包括遥测遥控及工业自动化等系统产品；测试系统辅助配套产品。同时公司还可以根据用户的具体需求，提供ATE/ATS、DCS/FCS的系统集成、方案设计、技术咨询、软件开发、结构设计以及远程信息化测试、测试/诊断程序开发及技术培训与维护等服务。
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