航天測(cè)控?cái)?shù)模混合電路故障診斷軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　電子設(shè)備電路板的維修主要集中在處理數(shù)字電路、模擬電路和數(shù)模混合電路3類電路的維修問(wèn)題上，其中又以數(shù)模混合電路的維修比例最大，大量數(shù)模混合電路由于缺少資料、維修難度大，造成維修效率低下或者不能維修，使得電子設(shè)備的可靠性不能得到有效的保障。一方面大量電子設(shè)備由于缺少備件而不能有效的使用，另一方面大量的待檢測(cè)數(shù)模混合電路不能得到有效的維修和使用。建立具有數(shù)模混合電路維修診斷能力的軟件平臺(tái)，提高數(shù)模電路診斷效率具有重要的意義。北京航天測(cè)控技術(shù)開(kāi)發(fā)公司針對(duì)數(shù)模混合電路板，開(kāi)展數(shù)模混合電路特別是模擬電路的測(cè)試仿真與故障診斷軟件的研究，跟蹤世界先進(jìn)的測(cè)試診斷技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)，建立了數(shù)模混合電路測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)，提高了我國(guó)數(shù)模混合電路測(cè)試診斷與維護(hù)的水平和能力。

　　一、模擬電路仿真存在的問(wèn)題
　　模擬電路和數(shù)字電路中測(cè)試信號(hào)的極大差異通常使得測(cè)試數(shù)模混合電路變得很困難，主要體現(xiàn)在：①模擬電路的輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)都是連續(xù)量，模擬電路的故障模型比較復(fù)雜，難以簡(jiǎn)單量化；②檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)取值困難，模擬電路中的元器件參數(shù)具有容差，只是尚在允許范圍之內(nèi)，導(dǎo)致實(shí)際故障的模糊性，不能決定實(shí)際故障的物理位置；③模擬電路廣泛存在非線性問(wèn)題，隨著電路規(guī)模的增加，計(jì)算量以指數(shù)形式增加；④模擬電路存在大量的反饋電路，增加了計(jì)算和測(cè)試的復(fù)雜性；⑤數(shù)模電路故障模型尚不完全成熟，缺乏強(qiáng)有力的模擬故障激勵(lì)和測(cè)試生成工具，對(duì)其測(cè)試的時(shí)間很容易變得很長(zhǎng)，與ATE（自動(dòng)測(cè)試設(shè)備）的接口也不方便；⑥有些電路數(shù)字和模擬部分相互融合不能分塊。這些特點(diǎn)增加了對(duì)混合電路測(cè)試診斷的難度。

　　二、數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)組成
　　常用的仿真EDA軟件很多，但是這類軟件只能完成電路板的功能仿真，不具備故障插入以及故障仿真的功能。針對(duì)數(shù)模混合電路板的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電路板的功能仿真，同時(shí)可以依據(jù)電路板的器件特點(diǎn)插入故障模式或自定義器件的模型，從而完成電路板整板的功能與故障仿真。
　　航天測(cè)控?cái)?shù)模混合電路故障診斷軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)通過(guò)向仿真器導(dǎo)入電路描述文件，對(duì)電路進(jìn)行仿真，或用戶自定義故障類型，進(jìn)行故障仿真。對(duì)仿真器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成故障字典，對(duì)被測(cè)電路進(jìn)行基于故障字典的診斷。診斷結(jié)果加入診斷知識(shí)庫(kù)，可根據(jù)需要對(duì)故障字典實(shí)施數(shù)據(jù)挖掘以豐富知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享。

　　1、原理圖
　　原理圖是為了實(shí)現(xiàn)某種功能而設(shè)計(jì)的電路圖。數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)需要電路板仿真信息，包括電路板的元器件、網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系等，為下一步的功能仿真和故障仿真提供必要條件。提供用戶方便的電路原理圖設(shè)計(jì)前端，為仿真引擎生成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)表格式。可實(shí)現(xiàn)protel ASCII標(biāo)準(zhǔn)格式電路原理圖導(dǎo)入顯示、元器件繪圖修改、功能導(dǎo)航操作等人機(jī)界面功能。后臺(tái)包含電氣域節(jié)點(diǎn)合并、網(wǎng)表生成算法等模塊，支持用戶進(jìn)行電路原理圖圖形化修改操作，解決文本編輯網(wǎng)表文件需遵循繁雜語(yǔ)法規(guī)則的弊端。
　　2、元器件模型
　　元器件模型是將電路原理圖轉(zhuǎn)化為仿真軟件能夠識(shí)別的仿真模型，也叫標(biāo)稱仿真模型，其中關(guān)鍵在于能否對(duì)每一個(gè)元器件都有準(zhǔn)確的建模。一般仿真軟件都含有大量的元器件庫(kù)，隨時(shí)可以調(diào)用，但由于元器件的發(fā)展日新月異，元器件庫(kù)中不可能包含所有元器件的模型，因此對(duì)庫(kù)里沒(méi)有的元器件必須重新建模。顯然，建模的好壞直接影響仿真的精度，也是利用仿真軟件研究系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果不能精確地建立系統(tǒng)的仿真模型，后面的工作就無(wú)法進(jìn)行。
　　仿真平臺(tái)的元件參數(shù)庫(kù)中包含了幾萬(wàn)種元器件和單元集成電路的模型參數(shù)，基本上能夠滿足一般用戶的要求。庫(kù)模型大致可分為6類：基本無(wú)緣元件（如電阻、電容、電感、互感、傳輸線等）；常用的半導(dǎo)體器件（如二極管、雙極晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管（IGBT等）；獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源（如直流DC、交流DC、瞬態(tài)TRAN分析和邏輯模擬所需的各種激勵(lì)信號(hào)波形）；各種受控電壓源、受控電路源和受控開(kāi)關(guān)；基本數(shù)字電路單元（如常用的門電路、傳輸門、延遲線、觸發(fā)器、可編程邏輯陣列、RAM、ROM等）；常用的單元電路（如放大器類集成電路等）。
　　仿真平臺(tái)提供一個(gè)模型參數(shù)配置界面，讓用戶自己生成模擬時(shí)所需的元器件庫(kù)以外的模型參數(shù)，設(shè)置好分析參數(shù)后，即可和系統(tǒng)自帶模型一樣，在原理圖繪制界面下進(jìn)行后續(xù)仿真工作。
　　3、仿真引擎
　　數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真引擎從linux到windows移植，并嵌入到仿真框架內(nèi)。SPICE可對(duì)電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括電阻、電容、電感、互感、獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導(dǎo)體器件。
　　對(duì)前端生成的網(wǎng)表文件調(diào)用仿真引擎進(jìn)行電路分析，提供仿真算法的收斂性參數(shù)調(diào)試設(shè)置窗口，以保證復(fù)雜規(guī)模非線性電路仿真的收斂性，并支持仿真引擎輸出原始數(shù)據(jù)的圖形顯示。對(duì)于電路正常仿真，可進(jìn)行工作點(diǎn)分析，直流掃描分析、瞬態(tài)分析、交流小信號(hào)分析、蒙特卡羅分析，并可調(diào)用顯示程序進(jìn)行各種仿真分析數(shù)據(jù)的圖形顯示。對(duì)于電路故障仿真，可對(duì)批量插入的故障列表進(jìn)行序列化故障仿真，為后端故障字典處理提供統(tǒng)一的批量故障仿真分析數(shù)據(jù)文件。
　　4、故障模式
　　選擇故障集實(shí)際上是設(shè)置電路各種故障狀態(tài)，確定可診斷的故障集。一般電路的故障模式有開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移和固定高、固定低、反相、橋接等。分析電路板中元器件所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度、難易程度以及發(fā)生頻度予以分類，將發(fā)生概率高、危害度大的故障選作故障集，而不必對(duì)所有元件的硬故障都予以考慮。對(duì)于具體電路還需具體問(wèn)題具體分析，確定故障模型。

設(shè)備構(gòu)成件類別	故障模式
變頻器	開(kāi)路、短路、漂移
功率計(jì)	短路、開(kāi)路、讀數(shù)錯(cuò)誤
繼電器	觸電電阻過(guò)大，觸電短路、開(kāi)路振動(dòng)，線圈開(kāi)路、短路、結(jié)合不穩(wěn)定
可變電阻	短路、開(kāi)路、數(shù)值漂移、機(jī)械故障
保險(xiǎn)絲	開(kāi)路、熔斷電流變化
半導(dǎo)體	短路、開(kāi)路、開(kāi)關(guān)電流、電壓增大、雜波、噪聲、失控、參數(shù)漂移
電線	開(kāi)路、短路、接觸不良、絕緣破損
燈炮	燈絲斷、發(fā)光亮度變化、破損、噪聲
信號(hào)發(fā)生器	開(kāi)路、短路信號(hào)不穩(wěn)定、信號(hào)漂移
開(kāi)關(guān)	開(kāi)路、短路、不穩(wěn)定、振動(dòng)、電極損傷、接觸電阻大
插座	開(kāi)路、短路、破損、機(jī)械故障
馬達(dá)	開(kāi)路、短路、過(guò)熱、振動(dòng)、噪聲
變壓器	開(kāi)路、短路、過(guò)熱、絕緣破壞
發(fā)電機(jī)	開(kāi)路、短路、過(guò)熱振動(dòng)、噪聲、參數(shù)漂移
二極管	開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移
濾波器	開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、機(jī)械損傷
接頭	開(kāi)路、短路接觸電阻大、絕緣破壞、

　　5、輸入激勵(lì)選取
　　通常采用與實(shí)際工作相似的輸入信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。為了充分隔離故障集中的所有故障，往往需要多種輸入信號(hào)的組合信號(hào)，甚至還需要另選一些實(shí)際工作中沒(méi)有的組合信號(hào)作為激勵(lì)，通常需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)對(duì)電路作靈敏度分析，逐步試探得到能隔離故障集中所有故障的激勵(lì)信號(hào)。
　　6、故障注入
　　故障注入是故障模式集中的故障注入到標(biāo)稱仿真模式型的過(guò)程。用戶通過(guò)可視化故障建模及故障注入，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中所有同類元件進(jìn)行批量故障注入和單個(gè)故障注入，并提供開(kāi)放的可不斷豐富的元器件故障圖形模型庫(kù)和故障仿真模型庫(kù)。對(duì)于庫(kù)中不存在的故障模型，用戶可通過(guò)新增故障模型功能進(jìn)行元件故障模型設(shè)計(jì)，并自動(dòng)添加到對(duì)應(yīng)的故障模型庫(kù)中。
　　7、測(cè)試點(diǎn)選取
　　 要了解電路所處的狀態(tài)就必須從電路中提取相關(guān)的信息，測(cè)試點(diǎn)實(shí)際上就是提取電路信息的觀測(cè)點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)多所得到的信息量就大，判斷電路狀態(tài)就比較容易。但測(cè)試點(diǎn)過(guò)多，可能會(huì)造成因計(jì)算和存儲(chǔ)大量不必要的信息而浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源。
　　8、模糊集和故障字典
　　由于模擬電路中各元件存在容差，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓存在一定變化范圍，而不是一個(gè)確定值。這時(shí)就需要引入模糊集的概念以實(shí)現(xiàn)故障隔離，如果利用所選擇的測(cè)試節(jié)點(diǎn)和激勵(lì)信號(hào)所生成的模糊集足以隔離出所有故障，利用現(xiàn)有信息建立故障字典。