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    基于仿真的嵌入式診斷設計方法

    2017-08-25 11:32:41

    [導讀] 為及時、準確地檢測隔離內部故障,支持新一代飛機視情維修和自主式保障的實現,提高飛機的保障性和經濟可承受性,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。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

    為及時、準確地檢測隔離內部故障,支持新一代飛機視情維修和自主式保障的實現,提高飛機的保障性和經濟可承受性,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。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,可用于指導產品實際診斷設計。

    1 技術原理及流程

    基于仿真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,將其作為診斷推理的依據,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相關參數的監控結果,得到所需的診斷結果,實現機內診斷。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中的語音處理單元的機內診斷(BIT)設計為例,詳細介紹所述的基于仿真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。依據相關資料,分析診斷對象的功能、特性。依據產品的可靠性分析結果、產品的信號流圖,確定產品的故障模式信息及故障傳遞關系;同時,基于產品物理結構和測試處理能力,初步選定產品的可用測試點。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/判據的過程。

    (1)產品測試性模型建模。

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

     

    圖3 案例系統的測試性模型

    (2)基于建立的測試性模型,依據產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,對建立的模型執行靜態分析和測試性分析,得到模型的故障一測試相關性矩陣(D矩陣)。

    ②優化測試點布局和相關性矩陣,得到診斷邏輯/判據。產品的最優診斷策略以測試點的優選結果為基礎。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,實現對相關性矩陣的優化。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。如表2所示。

    表2 優化后的故障一測試相關性矩陣

     

    2.2 確定診斷用信號/參數集

    為實現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及各故障狀態下的信號表征,得到為實現診斷所需的信號/參數集,并對其進行一定的優化,確定用于診斷的信號/參數集。

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

    筆者使用仿真分析軟件Saber作為EDA建模分析工具,根據所述的建模手段及方法,依據案例電路功能原理,建立其電路功能模型,并進行仿真分析,可得到產品正常工作狀態下的電路各信號/參數狀態及特征,如圖4所示。基于故障模型建模方法,為故障一測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境中,進行故障注入仿真分析,得到產品各故障狀態下的信號/參數特性。案例電路各故障模式的故障狀態如表3中相應列所示。

    (2)確定支持診斷所需采集的信號/參數。

    根據診斷對象的故障狀態、電路特性和診斷需求,確定診斷所需信號/參數集,其原則如下:

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

    ②等效處理特征信號/參數。對于獲取存在困難的信號/參數可通過仿真分析,選用易于實現的等效信號/參數進行檢測,選擇時可優先考慮已使用的檢測信號/參數,以及對故障狀態表征信號靈敏度較高的電路參數/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/參數集的基礎上,確定其采集和分析處理方法,如對信號/參數所作的調整、變換和傳輸,包括放大、衰減、濾波、整流、統計分析、頻譜分析和A/D變換等。本案例中,為實現在線診斷,可將各類信號轉換成數字量信號由處理器統一進行采集處理。總結得到各故障模式的檢測信號/參數及其檢測手段,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。其根據各故障狀態下需檢測的信號/參數特性,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/參數特征量的形式表征,即得到診斷邏輯的實現策略。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 機內診斷方案設計

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

    ①機內診斷推理代碼/程序設計。將根據具象化的診斷策略(故障-信號-測試相關性矩陣),設計機內診斷推理代碼,并結合產品功能原理,以最優的軟硬件規模,設計實現診斷推理代碼。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實現信息處理設計。即以實際電路和算法實現對診斷所需信號/參數的采集和處理。

    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測各相關信號,根據監測結果,依機內診斷推理代碼輸出診斷結果,實現機內診斷設計。

    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;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;處理器則依據電路特性和診斷需求,使用一般單片機、DSP或FPGA等都可實現。

     

    圖5 診斷設計功能框圖

    依據選用的處理器,將2.1節所述的故障-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;各類診斷用信號經過相應的處理,由處理器進行統一的采集分析;依據采集的信號狀態和內置的診斷邏輯,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EDA功能及故障仿真分析,獲取診斷所需的檢測信號/參數狀態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診斷策略應用于工程實際提供了思路和途徑,為產品嵌入式診斷設計實現提供了有效指導。

    [整理編輯:CK365測控網]
    標簽:  嵌入式[8]    仿真[26]
     
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