CN102270253B - 一种基于状态图的机内测试建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于状态图的机内测试(BIT)建模仿真方法，属于电子信息的测试性技术领域，包括以下几个步骤：步骤一：建立被测单元的状态图模型；步骤二：建立BIT的状态图模型；步骤三：建立干扰的状态图模型；步骤四：建立BIT仿真综合模型；步骤五：故障与干扰注入及仿真评价；本发明从BIT的设计特性出发，给出了BIT的通用要素模板，根据该模板可以快捷地进行BIT要素分解；本发明给出了BIT各要素的状态图建模基本方式，能够对常见的模拟BIT、数字BIT、软件BIT进行建模；本发明给出了故障与干扰的仿真注入方法，通过状态仿真可以对BIT的故障检测和虚警抑制能力进行分析。

Description

一种基于状态图的机内测试建模仿真方法

技术领域

本发明属于电子信息的测试性技术领域，涉及利用状态图技术的机内测试(BIT)建模仿真方法。

背景技术

机内测试(Built-In Test，BIT)是系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力，是电子系统或设备的重要组成部分，BIT作为改善系统故障诊断与维修能力的有力手段，极大地降低设备维修和综合保障费用。目前，BIT由模拟向数字化发展，由硬件向软件和软硬件综合化方向发展。

在现有的BIT设计分析方法中，除了工程化设计分析方法之外，还包括基于TEAMS软件的故障与BIT关联关系建模分析、基于EDA软件的BIT电路性能建模仿真分析。基于TEAMS的关联建模分析方法，属于定性分析方法，不支持对BIT自身功能和性能进行定量描述和分析。基于EDA的性能建模仿真分析方法虽然属于定量分析方法，但适用范围小，不能对数字化和软件化BIT进行性能建模仿真。

状态图是利用有限状态机、流程图符、状态转换符建立复杂系统生存周期模型来描述对象随时间变化的动态行为。利用状态图，可以实现对各类形式的BIT进行建模仿真分析，以发现BIT设计不足。在目前关于BIT设计分析方法的公开资料中，还没有利用状态图技术进行BIT建模仿真分析的方法。

发明内容

本发明的目的是为了实现对各类形式BIT进行建模仿真分析，在MATLAB的Simulink和Stateflow工具基础上，提出一种基于状态图的BIT建模仿真分析方法，主要通过对BIT要素分解，基于要素与状态图仿真基本模型映射关系的要素建模，要素模型综合，故障与干扰注入，模型仿真与分析，实现对各类形式BIT的故障检测与虚警抑制能力的仿真分析。

一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，包括以下几个步骤：

步骤一：建立被测单元的状态图模型；

步骤二：建立BIT的状态图模型；

步骤三：建立干扰的状态图模型；

步骤四：建立BIT仿真综合模型；

步骤五：故障与干扰注入及仿真评价；

本发明的优点在于：

(1)本发明从BIT的设计特性出发，给出了BIT的通用要素模板，根据该模板可以快捷地进行BIT要素分解；

(2)本发明给出了BIT各要素的状态图建模基本方式，能够对常见的模拟BIT、数字BIT、软件BIT进行建模；

(3)本发明给出了故障与干扰的仿真注入方法，通过状态仿真可以对BIT的故障检测和虚警抑制能力进行分析；

(4)本发明填补了基于状态图技术的BIT建模仿真分析方法的空白。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明方法建立UUT状态图模型的流程；

图3是本发明方法检测逻辑的状态图模型；

图4是本发明方法重复测试方法的状态图模型；

图5是本发明方法BIT信息编码算法的状态图模型；

图6是本发明方法综合BIT要素建立BIT状态图模型的流程；

图7是本发明方法建立测试参数/项目的干扰状态图模型的流程；

图8是本发明方法BIT状态图模型仿真流程；

图9是本发明方法CPU板的状态图模型；

图10是本发明方法CPU板温度BIT的状态图模型；

图11是本发明方法CPU板温度参数干扰的状态图模型；

图12是本发明方法建立的CPU板BIT状态图仿真综合模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：建立被测单元的状态图模型

被测单元(Unit Under Test，UUT)的状态图模型为：

U＝(UI_i，UO_i，US|i＝1～n)                                           (1)

式中：U表示UUT的状态图模型；UI_i表示UUT的第i个输入，n表示输入的总数，输入一般包含故障状态、故障类型、故障模式、故障时间等，UI_i＝(IN_i，IV_j，IM_j|i＝1～n，j＝1～n)，IN_i表示UUT第i个输入的名称，IV_j表示UUT第i个输入的第j个取值，IM_j表示UUT第i个输入的第j个取值的含义；UO_i表示UUT的第i个输出，输出一般为UUT的测试参数/项目，UO_i＝(ON_i，OV_j，OM_j|i＝1～n，j＝1～n)，ON_i表示UUT第i个输出的名称，OV_j表示UUT第i个输出的第j个取值范围，OM_j表示UUT第i个输出的第j个取值范围的说明；US表示UUT的状态转移描述，US＝{NS_i，OS_i，US_i|i＝1～n}，NS_i表示UUT的第i个状态的名称，状态包含正常与故障两种形式；OS_i表示第i个状态的状态动作；US_i表示第i个状态的转移逻辑，US_i＝{TOS_j，TL_j|j＝1～n}，TOS_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移目标状态，TL_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移标签。

UUT的输入变量可以采用表1所示的表格进行描述，包含输入变量的序号、名称、取值和含义。

UUT的输出变量可以采用表2所示的表格进行描述，包含输出变量的序号、名称、取值范围和说明。

表1输入变量描述

输入变量序号	名称	取值	含义

表2输出变量描述

输出变量序号	名称	取值范围	说明

UUT的状态转移描述可以采用表3所示的表格进行描述，包括状态序号、状态、状态动作、转移逻辑，转移逻辑包含转移目标状态和转移标签两项。

表3 UUT的状态转移描述

其中，UUT状态图的每一个输入/输出均是数据对象，并作为Stateflow与Simulink之间接口，状态动作和转移标签都应包含相应的数据对象。

流程如图2所示，建立UUT的状态图模型的具体步骤如下：

(1)根据仿真要求确定UUT状态图模型的输入，UUT的输入一般包括故障状态、故障类型、故障模式、故障时间等，输入名称、取值、含义根据UUT的仿真需求确定；

(2)根据UUT被测试的测试参数/项目，确定UUT的输出变量，输出变量的名称即测试参数/项目，输出变量的取值范围及其说明根据UUT的设计资料与故障数据确定；

(3)根据UUT的FMECA数据，分析UUT的所有故障模式，再加上正常状态，可确定UUT状态转移描述的状态集合；

(4)从状态集合中选择一个状态，根据测试参数/项目的判别基准确定状态动作，添加状态动作的数据对象，确定方法如下：

1、若所选状态为正常状态，则状态动作为将每一项测试参数/项目的判别基准内取值赋给相应的测试参数/项目以及状态触发更新次数计数；

2、若所选状态为故障状态，则状态动作为将与该故障影响的测试参数/项目对应的判别基准外取值赋给相应的测试参数/项目；

(5)确定上述(3)中所选状态的转移目标状态和转移标签，添加转移标签的数据对象，确定方法如下：

1、若所选状态为正常状态，转移目标状态有两类：一类是正常状态自身，此时状态转移逻辑的转移标签为空；另一类是状态集合中所有的故障状态，根据UUT的输入参数与故障状态的发生条件确定向各个故障状态转移时的转移标签；

2、若所选状态为故障状态，则状态转移目标是该故障状态本身，此时状态转移逻辑的转移标签为空，即自循环；

其中，默认转移逻辑的转移目标状态为正常状态，默认转移逻辑的转移标签为空；

(6)如果状态集合内的所有状态分析完毕，则继续下一步，否则转到(3)；

(7)根据上述步骤确定的状态转移描述，建立UUT的状态图模型；

步骤二：建立BIT的状态图模型

建立BIT状态图模型包含三个环节：分析UUT的BIT组成与要素、确定BIT要素的通用状态图模型和综合BIT要素建立BIT的状态图模型。

(1)分析UUT的BIT组成与要素；

根据被测单元和BIT的设计资料，分析被测单元的BIT组成，对UUT各BIT的要素进行详细分析。

BIT元组模型如下：

BE＝(ID，G，TP，DL，FA，IM，OM，AO，IN，OUT)                       (2)

式中：BE表示BIT的要素；

ID表示BIT标识集合，ID＝{BIT_i|i＝1～n}，TIT_i表示第i个BIT的标识，n表示BIT的总数；

G表示BIT功能集合，G＝{g_i|i＝1～n}，g_i表示第i个BIT的功能。BIT功能分为测试和集成管理两类。

TP表示测试参数/项目集合，TP＝{P_i|i＝1～n}，P_i表示第i个BIT的测试参数或测试项目；测试参数通常是指BIT监测的参数或信号，测试项目是指不适于利用参数或信号直接表达的测试内容。当第i个BIT的功能为集成管理时，P_i为空值。

DL表示检测逻辑集合，DL＝{(C_i，AM_i)|i＝1～n}，C_i表示第i个BIT的测试判别基准，表示第i个BIT的判别算法；当第i个BIT的功能为集成管理时，C_i和AM_i为空值。

FA表示防虚警措施集合，FA＝{fa_i|i＝1～n}，fa_i表示第i个BIT的防虚警措施。防虚警措施可根据BIT具体情况确定，通常包括重复测试、表决测试和延时测试等。当第i个BIT的功能为集成管理时，fa_i为空值。

IM表示管理算法集合，IM＝{im_i|i＝1～n}，im_i表示第i个BIT的管理算法，管理算法通常包括BIT信息合成、编码和调用管理等。当第i个BIT的功能为测试时，im_i为空值。

OM表示输出方式集合，OM＝{om_i|i＝1～n}，om_i表示第i个BIT的输出方式，输出方式的包括：高低电平输出、模拟量输出、数字化总线输出、软件消息输出。

AO表示接收对象集合，AO＝{ao_i|i＝1～n}，ao_i表示第i个BIT输出信号的接收对象。ao_i可以是一个或多个BIT，当第i个BIT的功能为集成管理时，ao_i为空值。

IN表示输入集合，IN＝{in_i|i＝1～n}，in_i表示第i个BIT的输入子集。

OUT表示输出集合，OUT＝{out_i|i＝1～n}，out_i表示第i个BIT的输出子集。

为了便于工程应用，可以采用表4所示的表格对被测单元的各项BIT的要素进行详细分析，包括编号、BIT标识、BIT功能、测试参数/项目、检测逻辑、防虚警措施、管理算法、输出方式、接收对象、输入、输出等11项。

表4 UUT的BIT组成与要素分析

分析UUT的BIT组成与要素的步骤如下：

①根据UUT的设计资料确定UUT各个BIT组成和物理位置，然后确定各项BIT的详细要素。

②详细填写表1中的项目内容，完成UUT的BIT组成与要素分析，得到UUT的各BIT的详细信息。

(2)确定BIT要素的通用状态图模型；

从表4中选择一项BIT要素，确定与所选BIT要素相关的所有状态图基本要素，对BIT要素进行状态图模型建模，具体过程如下：

1)BIT标识

BIT标识即被测单元的各BIT状态图模型的名称，位于状态图的下方，BIT标识一般与BIT的具体功能一致。

2)BIT功能

BIT功能是BIT的属性，无直接的状态图模型与其对应。当BIT的功能为测试时，则BIT仅包含检测逻辑和防虚警措施；当BIT的功能为集成管理时，则BIT仅包含管理算法。

3)测试参数/项目

测试参数/项目可以用状态图的数据对象表示，数据对象可以在状态图或模型浏览器中通过菜单或工具按钮添加，数据对象的类型根据测试参数/项目的具体情况而定，通过将数据对象的作用范围设置为input从而在BIT状态图模型中建立的输入端口将从UUT输出的测试参数/项目通过信号连接线连接到各BIT状态图模型的输入端口。

4)检测逻辑

检测逻辑包含判别基准和判别算法。判别基准，即测试参数/项目的门限值/基准值，可以用状态图的数据对象表示。

检测逻辑的判别算法是测试参数/项目与判别基准进行比较的过程，包含正常和故障两个分支。

检测逻辑的状态图模型如图3所示。根据状态图的转移优先规则，标号为“1”的转移具有优先检测权。检测逻辑的执行过程为：将测试参数/项目(data)与判别基准(BIT_threshold)进行比较，如果测试参数/项目(data)不满足判别基准(BIT_threshold)则测试不通过给出NO GO信号；否则测试通过给出GO信号，其中NO GO与GO信号为01数字信号。

5)防虚警措施

防虚警措施常用方法有重复测试、表决测试和延时测试等，防虚警措施也可根据BIT具体情况采用其他复杂方法。

重复测试方法的状态图模型如图4所示。重复测试次数(n)初始值为0，重复测试法的执行过程为：当BIT测试参数/项目(data)不满足判别基准(BIT_threshold)时，判断重复测试次数是否大于等于重复测试阈值(t)，是则BIT测试不通过输出NO GO信号，表示测试参数/项目故障；否则重复测试次数自加1。如果测试参数/项目满足判别基准，则BIT测试通过输出GO信号，表示测试参数/项目正常，此时重复测试次数清零。

6)管理算法

管理算法通常包括BIT信息合成、编码和调用管理等，这里给出BIT信息编码算法的状态图模型如图5所示，图中在真值表(truthtable)内建立了名为bit_code的函数，输入形参为A、B、C、D、E，输出形参为BIT_CODE_OUT，使用时将各BIT的输出作为函数的输入，BIT信息编码(BIT_CODE)作为输出，其中输入有温度BIT(Tem_BIT)、接口BIT(Int_BIT)、指令BIT(Ins_BIT)、ROM的BIT(Rom_BIT)、端口BIT(Port_BIT)。

7)输出方式

输出方式可用Simulink的信号连接线表示，可将BIT的输出信号送到接受对象输入端口或子系统的输出端口。

8)接收对象

接收对象是指BIT的检测结果的输出目标对象，接受对象可以是BIT也可以是其他功能模块。

9)输入

BIT的输入一般包含来自UUT的测试参数/项目、检测逻辑的判别基准和防虚警措施的参数。

10)输出

BIT的输出是BIT的检测结果信号，检测结果只有通过与不通过两种。

(3)综合BIT要素建立BIT的状态图模型

如图6所示，综合BIT要素建立BIT状态图模型的具体步骤如下：

①从确定的BIT标识集合中选择一项，插入状态图(即Simulink模型库中的Chart)作为该BIT标识对应BIT的状态图模型；

②如果BIT的功能是测试，则确定BIT的测试参数/项目，将BIT要素中的检测逻辑和防虚警措施两项添加到BIT状态图模型中；如果BIT的测试功能是集成管理，则确定被管理的BIT项目，将BIT要素中的管理算法一项添加到BIT状态图模型中；

③为状态图添加数据对象，并设置数据对象的数据类型和作用范围；

④将测试参数/项目和检测逻辑的输入参数通过信号连接线连接到状态图的输入端口上，将状态图的输出端口通过信号连接线连接到BIT的接受对象的输入端口上；

⑤如果BIT标识集合中存在相对应BIT的状态图模型尚未建立，则转到①。

步骤三：建立干扰的状态图模型

建立干扰的状态图模型的具体步骤如下：

干扰模块的状态图模型为：

DB＝(DBI_i，DBO_i，DBS，do，dl|i＝1～n)                               (3)

式中：DB表示干扰的状态图模型；DBI_i表示干扰的第i个输入，n表示干扰输入的总数，输入一般包含干扰状态、干扰类型、干扰模式等；DBI_i＝(IN_i，IV_j，IM_j|i＝1～n，j＝1～n)，IN_i表示干扰第i个输入的名称，IV_j表示干扰第i个输入的第j个取值，IM_j表示干扰第i个输入的第j个取值的含义；DBO_i表示干扰的第i个输出，输出一般为干扰量；DBO_i＝(ON_i，OV_j，OM_j|i＝1～n，j＝1～n)，ON_i表示干扰第i个输出的名称，OV_j表示干扰第i个输出的第j个取值范围，OM_j表示干扰第i个输出的第j个取值范围的说明；DBS表示干扰的状态图，DBS＝{NS_i，OS_i，DBS_i|i＝1～n}，NS_i表示干扰的第i个状态的名称；OS_i表示第i个状态的状态动作；DBS_i表示第i个状态的转移逻辑，DBS_i＝{TOS_j，TL_j|j＝1～n}，TOS_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移目标状态，TL_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移标签。do表示被干扰的测试参数/项目，即被干扰对象；dl表示被干扰对象的干扰位置。

干扰的输入变量可以采用表1所示的表格进行描述，包含输入变量的序号、名称、取值及含义。

干扰的输出变量可以采用表2所示的表格进行描述，包含输出变量的序号、名称、取值范围及说明。

干扰的状态转移描述可以采用表5所示的表格进行描述，包括状态序号、状态、状态动作、转移逻辑，转移逻辑包含转移目标状态和转移标签两项。

表5干扰的状态转移描述

其中，干扰状态图的每一个输入/输出均是数据对象，并作为Stateflow与Simulink之间接口，状态动作和转移标签都包含相应的数据对象。

其中，无干扰状态一般作为干扰状态图模型默认转移逻辑的转移目标状态，此时默认转移逻辑的转移标签为空。

如图7所示，建立干扰的状态图模型的具体步骤如下：

(1)从UUT输出的测试参数/项目中选择一项作为干扰对象；

(2)根据仿真要求确定干扰状态图模型的输入，干扰的输入一般包括干扰状态、干扰类型、干扰模式、干扰时间等，输入的名称、取值、含义根据干扰的仿真需求确定；

(3)根据被干扰的测试参数/项目，确定干扰的输出，输出即干扰变量，输出的名称、取值范围及其说明根据干扰的设计资料与干扰数据确定；

(4)根据干扰的工作模式确定状态转移描述的状态集合，状态集合包含了：无干扰状态、随机干扰状态和注入干扰状态三个状态；

(5)从状态集合中选择一个状态，根据被干扰的测试参数/项目确定状态动作，添加状态动作的数据对象，确定方法如下：

1、若所选状态为无干扰状态，则状态动作为将干扰量清零；

2、若所选状态为随机干扰状态，则状态动作为利用随机算法将制定区间的随机值赋给干扰变量；

3、若所选状态为注入干扰状态，则状态动作为利用指定的干扰算法产生的干扰值赋给干扰变量；

(6)确定所选状态的转移目标状态和转移标签，添加转移标签的数据对象，确定方法如下：

1、若所选状态为无干扰状态，转移目标状态有两类：一类是随机干扰状态，根据；另一类是注入干扰状态，根据干扰的输入参数与状态的发生条件确定向状态转移目标转移的转移标签；

其中，默认转移的转移目标状态是无干扰状态，，此时默认转移的转移标签为空。

2、若所选状态为随机干扰状态，则状态转移目标是该状态本身，此时状态转移逻辑的转移标签为空，即自循环；

3、若所选状态为注入干扰状态，则状态转移目标是该状态本身，此时状态转移逻辑的转移标签为空，即自循环；

(7)如果状态集合内的所有状态分析完毕，则继续下一步，否则转到(5)；

(8)如果UUT的测试参数/项目中存在未建立干扰模型的测试参数/项目，则转到(1)，直至为所有的测试参数/项目建立了相应干扰的状态图模型为止。

步骤四：建立BIT仿真综合模型

具体步骤如下：

(1)在建立好的UUT、BIT、干扰的状态图模型基础上添加Simulink部件：

1、根据被干扰对象的干扰位置，将各个测试参数/项目干扰的输出通过信号连接线连接到相应的干扰位置；

2、为建立好的UUT模型、BIT模型和干扰模型添加外部触发，即将所有状态图模型的更新模式设置为外部事件触发。

(2)将状态图模型的输入、输出、状态图模型以及接入到状态图模型输入与输出的Simulink部件通过信号线连接起来组成BIT仿真综合模型。

步骤五：故障与干扰注入及仿真评价

仿真之前将建立好的BIT仿真综合模型进行复位。仿真输入数据集包括BIT配置表、故障数据表、干扰数据表，可根据仿真需要进行灵活设置。该步骤分三部分：故障注入与BIT仿真、故障和干扰注入与BIT仿真、仿真评价，如图8所示，具体为：

(1)故障注入与BIT仿真

根据已建立的BIT仿真模型进行故障注入与BIT仿真分析的具体步骤如下：

①根据UUT的FMECA数据建立UUT的故障模式集，完成故障输入数据表，对被测单元进行故障注入。故障注入数据表可采用表6所示的表格进行描述，包含编号、故障状态、故障类型、故障模式和故障注入时间五项。

②设置干扰模块干扰信号量输出为零，运行仿真模型。干扰输入数据表可以采用表7所示表格进行描述，包含编号、干扰模块、干扰状态、干扰模型、干扰注入时间、干扰结束时间和干扰量七项。

③BIT配置可采用表8所示表格进行描述，BIT配置包括判别基准、防虚警措施和BIT故障代码三项。各项参数设置完毕后运行仿真模型，观察BIT输出信号的波形和故障代码，得到BIT仿真模型的故障注入诊断结论，诊断结论可采用表9所示的表格进行描述，包含编号、故障模式两项。

表6 故障注入数据表

表7 干扰注入数据表

表8 BIT配置表

判别基准	防虚警措施	BIT故障代码

表9 诊断结论表

编号	故障模式

(2)故障和干扰注入与BIT仿真

具体步骤如下：

1)根据故障输入数据表对被测单元设置故障注入参数；

2)根据干扰输入数据表对测试参数设置干扰注入参数，运行仿真模型，完成故障与干扰的注入；

3)观察BIT输出信号的波形与故障代码，得到诊断结论数据。

(3)仿真评价

1、仿真评价参数计算

具体步骤如下：

①计算故障检测率(Fault Detect Rate，FDR)

故障检测率(FDR)计算模型如下：

$\mathrm{FDR}=\frac{N_{\mathrm{RSF}}}{N_{\mathrm{ISF}}}\×100\%---\left(4\right)$

式中：FDR表示故障检测率；N_RSF表示诊断结论数据中状态类别为单故障且正确检测到的故障总数；N_ISF表示仿真输入数据集中故障类型为单故障的总数。

②计算虚警率(Fault Alarm Rate，FAR)

虚警率(FAR)计算模型如下：

$\mathrm{FAR}=\frac{N_{\mathrm{RFA}}}{N_D}=\frac{N_{\mathrm{RFA}}}{N_{\mathrm{RF}}+N_{\mathrm{RFA}}}\×100\%---\left(5\right)$

式中：FAR表示虚警率；N_RFA表示诊断结论数据中状态类别为故障而实际正常的总数；N_RF表示诊断结论数据中状态类别为单故障且仿真输入数据集中故障类型为单故障的总数；N_D表示诊断结论为故障的告警总次数。

2、仿真评价

根据系统对BIT的测试性要求，运行BIT状态图仿真模型，统计仿真评价参数，判断BIT状态图仿真模型是否能满足系统规范中对BIT的测试性要求。

BIT状态图仿真模型的仿真评价可以通过表10所示的表格进行描述，包括注入故障数、检测到故障总数、正确检测到的故障数、故障检测率、故障隔离率与虚警率。

表10 仿真评价表

实施例：

下面以某装备综合航电系统中央告警计算机的CPU板及其BIT为例，对本发明方法进行说明。

CPU板BIT状态图仿真综合模型由4大模块组成：UUT、干扰、测试BIT、集成管理BIT，案例选取的若干故障模式，及其正常取值、故障取值和故障代码，如表11所示。

表11 案例故障模式

步骤一：建立CPU板的状态图模型

(1)CPU板状态图模型的输入

CPU板状态图模型的输入如表12所示。

表12 CPU板状态图模型的输入

(2)CPU板状态图模型的输出

CPU板状态图模型的输出如表13所示。

表13 CPU板状态图模型的输出

(3)CPU板的状态转移描述

根据CPU板的FMECA数据，确定CPU板故障模式集合，并从确定的CPU板故障模式集合中选出若干故障模式用于本案例如表14所示。

CPU板的状态转移描述如表15所示。其中，a表示CPU_Normal状态的更新次数，ml为matlab的函数命名空间，str2num()、rand()和ceil()分别是ml命名空间下的函数，功能分别为字符串转数字、伪随机数生成和返回大于或者等于指定表达式的最小整数。

表14选出的若干CPU板故障模式

故障模式(Mode)	故障模式
		1	CPU指令故障
2	CPU接口测试反馈数据偶数位异常
		3	ROM内部数据全部变小
4	CPU板温度过高
		5	CPU端口扫时间超时
6	CPU接口测试反馈数据奇数位异常
		7	ROM内部数据位置互换

表15 CPU板的状态转移描述

其中，当Fault_type＝＝0时，CPU板可以随机发生上述7种故障中的任一种故障，即随机永久故障。其原理为利用Matlab的ml命名空间的随机函数rand()产生一个范围为[0，1000]的随机数r，然后根据随即变量r落在表16所示的人为给定的状态转移条件区间内的概率实现状态转移，完成随机永久故障的注入。案例中各个故障状态发生的概率是以0.1％为单位。

表16 永久随机故障发生的转移条件对照表

序号	状态转移条件	转移目标状态
			1	r＞＝950&&r＜960	CPU_Instruct_Fault
2	r＞＝960&&r＜970	CPU_Interface_Fault1
			3	r＞＝970&&r＜980	CPU_Rom_Fault1
4	r＞＝980	CPU_Tenperature_Fault
			5	r＞＝910&&r＜930	CPU_Port_Fault
6	r＞＝930&&r＜940	CPU_Interface_Fault2
			7	r＞＝940&&r＜950	CPU_Rom_Fault2

其中，当Fault_type＝＝1时，状态CPU_Normal的所有转移标签如表17所示。

表17 状态CPU_Normal的转移标签

其中，CPU板状态图的输入/输出均是数据对象，并作为CPU板状态图与Simulink模块之间的接口，状态动作和转移标签都包含相应的数据对象，只有变量a为本地数据对象。

其中，正常状态CPU_Normal作为默认转移逻辑的转移目标状态，此时默认转移逻辑的转移标签为空。

其中，状态与转移目标状态之间的转移可通过信号连接线、连接点和转移标签实现，添加必要的连接点使得状态之间的转移条理清晰。

建立的CPU板的状态图模型如图9所示，图中涉及的代码均与上述设置相对应。

步骤二：建立CPU板BIT的状态图模型

(1)分析CPU板的BIT组成与要素

CPU板BIT组成与要素分析如表18所示。

表18 CPU板BIT组成与要素分析

(2)确定CPU板BIT要素的状态图模型

1)BIT标识

详见表18。

2)测试参数/项目

详见表18。

3)检测逻辑

CPU板测试参数/项目的判别基准如表19所示。

表19 CPU板测试参数/项目的判别基准

本案例中，BIT对CPU板各测试参数/项目检测逻辑的判别算法均相同，这里以温度BIT的判别算法为例进行说明，CPU板温度BIT检测逻辑的状态图模型如图10所示。图中，Temperature为温度参数，Threshold_U为正常温度上限，Threshold_L为正常温度下限，Tem_BIT_out为温度BIT测试输出。连接点的两个转移中，标号为“1”的转移检测次序优先于标号为“2”的转移。Tem_BIT_out＝0表示CPU板温度正常，Tem_BIT_out＝1表示CPU板温度过高。

4)防虚警措施

CPU板的各BIT的防虚警措施均采用重复测试的方法，这里以CPU板温度BIT的防虚警措施为例进行说明，CPU板温度BIT内防虚警措施的状态图模型如图10所示。图中，在温度BIT的检测逻辑基础上增加了防虚警措施，loop_num为重复测试阈值，n为记录测试重复次数的整型变量。

各BIT的重复测试阈值loop_num初始值设置为3，重复测试次数n的初始值为0。

5)输出方式

详见表18。

6)接受对象

详见表18。

7)输入

详见表18。

8)输出

详见表18。

(3)综合BIT要素建立BIT的状态图模型

根据表18对CPU板BIT组成与分析，综合BIT各要素，建立测试BIT和集成管理BIT的状态图模型，测试BIT包含CPU指令测试BIT、CPU接口测试BIT、CPU板ROM测试BIT、CPU板温度测试BIT、CPU端口扫描时间测试BIT。

步骤三：建立干扰的状态图模型

本案例中，温度和端口扫描时间两个测试参数/项目均设置干扰，其余三项测试参数/项目不设置干扰，这里以温度参数的干扰为例进行说明。

温度干扰的输入如表20所示，温度干扰的唯一输出为Tem_dis，取值范围为Tem_dis∈R。

表20 温度干扰模型的输入

温度干扰的状态转移描述如表21所示。

表21 温度干扰的状态转移描述

表22 温度干扰的状态转移描述的转移标签

表中，t表示状态更新次数，整型变量。建立的CPU板温度干扰模块状态图模型如图11所示。

步骤四：建立CPU板BIT仿真综合模型

(1)将CPU板温度干扰和CPU端口扫描时间干扰状态图模型的输出通过Simulink库的Sum块分别与温度信号(Temperature)和CPU端口扫描时间(Port_time)叠加，在UUT_CPU模型的输出端口Interface与Interface_bit的输入端口Interface之间添加数据类型转换Convert块。

(2)为CPU板、CPU指令测试BIT、CPU接口测试BIT、温度测试BIT、ROM测试BIT、CPU端口扫描时间测试BIT、集成管理BIT的状态图模型及温度干扰、CPU端口扫描时间干扰的状态图模型添加双边沿触发，触发事件源为Timer。

(3)为了仿真分析方便，添加Simulink部件Mux和Scope，将信号源通过Mux块加以集成输出到Scope块以便观察输出的信号。

(4)将建立的CPU板、各测试BIT、集成管理BIT、各测试参数/项目干扰的状态图模型、状态图模型的输入输出与相关的Simulink部件组合成可工作的CPU板BIT仿真综合模型，完成的CPU板BIT状态图仿真综合模型示意图如图12所示。

步骤五：故障与干扰注入及仿真评价

(1)故障注入与仿真分析

①BIT配置。

CPU板BIT仿真模型的配置数据详见表23所示。

表23 BIT配置表

判别基准	防虚警措施	BIT故障代码
			见表19	见表18	见表11

②设置故障注入数据。

CPU板BIT状态图仿真综合模型的故障注入数据如表24所示，本案例的故障均为单故障。

表24 故障注入数据表

③仿真运行。

根据以上故障注入数据对CPU板的BIT仿真综合模型进行故障注入，运行仿真模型，观察CPU板各BIT输出波形和诊断结果，得到的诊断结论数据如表25所示。

表25 诊断结论数据表

编号	故障模式
		1	CPU指令故障
2	CPU接口故障

3	CPU板正常
		4	CPU板温度过高
5	CPU板ROM故障
		6	CPU板温度过高
7	CPU端口故障
		8	CPU指令故障
9	CPU板温度过高
		10	CPU指令故障
11	CPU板正常
		12	CPU端口故障
13	CPU板ROM故障
		14	CPU板温度过高
15	CPU端口故障
		16	CPU指令故障
17	CPU端口故障
		18	CPU板ROM故障
19	CPU板温度过高
		20	CPU指令故障
21	CPU端口故障

(2)故障和干扰注入与仿真分析

本案例只对Temperature和Port_time测试参数进行干扰注入，故障注入数据表如表26所示，干扰注入数据如表27所示。

表26 故障注入数据表

表27 干扰注入数据表

通过输入故障和干扰注入数据，运行仿真模型，观察CPU板各BIT输出波形和诊断结果，得到诊断结论数据如表28所示。

表28 诊断结论数据表

编号	故障模块
		1	CPU指令故障
2	CPU板ROM故障
		3	CPU接口故障
4	CPU板温度过高
		5	CPU板ROM故障
6	CPU板温度过高
		7	CPU端口故障
8	CPU指令故障
		9	CPU板温度过高
10	CPU板ROM故障
		11	CPU板正常
12	CPU端口故障
		13	CPU板ROM故障

14	CPU板温度过高
		15	CPU端口故障
16	CPU指令故障
		17	CPU板温度过高
18	CPU板ROM故障
		19	CPU板温度过高
20	CPU指令故障
		21	CPU端口故障
22	CPU板温度过高
		23	CPU端口故障

(3)仿真评价

根据表24的故障注入数据和表25的诊断结论数据，无干扰注入时的统计结果如表29所示。由于本案例某些测试BIT的检测逻辑的判别算法采用简单算法，导致测试BIT不能检测到所有的故障模式，如果采用更为成熟和复杂的算法可显著提高故障检测率。

表29 CPU板BIT仿真模型仿真评价表

根据表26的故障注入数据和表27的干扰注入数据，有干扰注入时的统计结果如表30所示。仿真时，增加测试BIT的防虚警措施的重复测试次数阈值，即设置重复测试次数阈值为4时，表30中检测到的故障总数为22，虚警率FAR为4.76％。适当改善BIT的防虚警措施能显著降低测试BIT的虚警率。

表30 添加干扰注入后的仿真评价表

基于状态图技术的BIT仿真模型不仅能够实现对被测单元及其各BIT的建模、故障注入与仿真，而且通过干扰模型和防虚警措施的建模，能够实现对BIT的故障检测与虚警抑制能力分析。

Claims (5)

1.一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：建立被测单元的状态图模型；

被测单元简称UUT，被测单元的状态图模型为：

U＝（UI_i,UO_i,US|i＝1～n）（1）

式中：U表示UUT的状态图模型；UI_i表示UUT的第i个输入，n表示输入的总数，UI_i＝(IN_i,IV_j,IM_j|i＝1～n,j＝1～n)，IN_i表示UUT第i个输入的名称，IV_j表示UUT第i个输入的第j个取值，IM_j表示UUT第i个输入的第j个取值的含义；UO_i表示UUT的第i个输出，UO_i＝(ON_i,OV_j,OM_j|i＝1～n,j＝1～n)，ON_i表示UUT第i个输出的名称，OV_j表示UUT第i个输出的第j个取值范围，OM_j表示UUT第i个输出的第j个取值范围的说明；US表示UUT的状态转移描述，US＝{NS_i,OS_i,US_i|i＝1～n}，NS_i表示UUT的第i个状态的名称，状态包含正常与故障两种形式；OS_i表示第i个状态的状态动作；US_i表示第i个状态的转移逻辑，US_i={TOS_j,TL_j|j＝1～n}，TOS_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移目标状态，TL_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移标签；

步骤二：建立BIT的状态图模型；

具体为：

（1）分析UUT的BIT组成与要素；

BIT元组模型如下：

BE＝(ID,G,TP,DL,FA,IM,OM,AO,IN,OUT)（2）

式中：BE表示BIT的要素；

ID表示BIT标识集合，ID＝{BIT_i|i＝1～n}，BIT_i表示第i个BIT的标识，n表示BIT的总数；

G表示BIT功能集合，G＝{g_i|i＝1～n}，g_i表示第i个BIT的功能；

TP表示测试参数/项目集合，TP＝{P_i|i＝1～n}，P_i表示第i个BIT的测试参数或测试项目；当第i个BIT的功能为集成管理时，P_i为空值；

DL表示检测逻辑集合，DL＝{(C_i,AM_i)|i＝1～n}，C_i表示第i个BIT的测试判别基准，AM_i表示第i个BIT的判别算法；当第i个BIT的功能为集成管理时，C_i和AM_i为空值；

FA表示防虚警措施集合，FA＝{fa_i|i＝1～n}，fa_i表示第i个BIT的防虚警措施；当第i个BIT的功能为集成管理时，fa_i为空值；

IM表示管理算法集合，IM＝{im_i|i＝1～n}，im_i表示第i个BIT的管理算法，当第i个BIT的功能为测试时，im_i为空值；

OM表示输出方式集合，OM＝{om_i|i＝1～n}，om_i表示第i个BIT的输出方式；

AO表示接收对象集合，AO＝{ao_i|i＝1～n}，ao_i表示第i个BIT输出信号的接收对象；ao_i为一个或多个BIT，当第i个BIT的功能为集成管理时，ao_i为空值；

IN表示输入集合，IN＝{in_i|i＝1～n}，in_i表示第i个BIT的输入子集；

OUT表示输出集合，OUT＝{out_i|i＝1～n}，out_i表示第i个BIT的输出子集；

（2）确定BIT要素的通用状态图模型；

具体过程如下：

1）确定BIT标识

BIT标识即被测单元的各BIT状态图模型的名称，位于状态图的下方；

2）确定BIT功能

BIT功能是BIT的属性，无直接的状态图模型与其对应；当BIT的功能为测试时，则BIT仅包含检测逻辑和防虚警措施；当BIT的功能为集成管理时，则BIT仅包含管理算法；

3）确定测试参数/项目

4）确定检测逻辑

检测逻辑包含判别基准和判别算法；判别基准，即测试参数/项目的门限值/基准值，用状态图的数据对象表示；检测逻辑的判别算法是测试参数/项目与判别基准进行比较的过程，包含正常和故障两个分支；

5）确定防虚警措施

6）确定管理算法

7）确定输出方式

8）确定接收对象

接收对象是指BIT的检测结果的输出目标对象；

9）确定输入

BIT的输入包含来自UUT的测试参数/项目、检测逻辑的判别基准和防虚警措施的参数；

10）确定输出

BIT的输出是BIT的检测结果信号，检测结果只有通过与不通过两种；

（3）综合BIT要素建立BIT的状态图模型

具体步骤如下：

①从确定的BIT标识集合中选择一项，插入状态图作为该BIT标识对应BIT的状态图模型；

②如果BIT的功能是测试，则确定BIT的测试参数/项目，将BIT要素中的检测逻辑和防虚警措施两项添加到BIT状态图模型中；如果BIT的测试功能是集成管理，则确定被管理的BIT项目，将BIT要素中的管理算法一项添加到BIT状态图模型中；

③为状态图添加数据对象，并设置数据对象的数据类型和作用范围；

④将测试参数/项目和检测逻辑的输入参数通过信号连接线连接到状态图的输入端口上，将状态图的输出端口通过信号连接线连接到BIT的接受对象的输入端口上；

⑤如果BIT标识集合中存在相对应BIT的状态图模型尚未建立，则转到①；

步骤三：建立干扰的状态图模型；

干扰模块的状态图模型为：

DB＝(DBI_i,DBO_i,DBS,do,dl|i＝1～n）（3）

式中：DB表示干扰的状态图模型；DBI_i表示干扰的第i个输入，n表示干扰输入的总数，DBI_i＝(IN_i,IV_j,IM_j|i＝1～n,j＝1～n)，IN_i表示干扰第i个输入的名称，IV_j表示干扰第i个输入的第j个取值，IM_j表示干扰第i个输入的第j个取值的含义；DBO_i表示干扰的第i个输出；DBO_i＝(ON_i,OV_j,OM_j|i＝1～n,j＝1～n)，ON_i表示干扰第i个输出的名称，OV_j表示干扰第i个输出的第j个取值范围，OM_j表示干扰第i个输出的第j个取值范围的说明；DBS表示干扰的状态图，DBS＝{NS_i,OS_i,DBS_i|i＝1～n}，NS_i表示干扰的第i个状态的名称；OS_i表示第i个状态的状态动作；DBS_i表示第i个状态的转移逻辑，DBS_i={TOS_j,TL_j|j＝1～n}，TOS_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移目标状态，TL_j表示第i个状态转移逻辑的第j个转移标签；do表示被干扰的测试参数/项目，即被干扰对象；dl表示被干扰对象的干扰位置；

步骤四：建立BIT仿真综合模型；

具体步骤如下：

（1）在建立好的UUT、BIT、干扰的状态图模型基础上添加Simulink部件：

a、根据被干扰对象的干扰位置，将各个测试参数/项目干扰的输出通过信号连接线连接到相应的干扰位置；

b、为建立好的UUT模型、BIT模型和干扰模型添加外部触发，即将所有状态图模型的更新模式设置为外部事件触发；

（2）将状态图模型的输入、输出、状态图模型以及接入到状态图模型输入和输出的Simulink部件通过信号线连接起来组成BIT仿真综合模型；

步骤五：故障与干扰注入及仿真评价；

具体为：

（1）故障注入与BIT仿真；

具体步骤如下：

①根据UUT的FMECA数据建立UUT的故障模式集，完成故障输入数据表，对被测单元进行故障注入；

②确定干扰输入数据表，设置干扰模块干扰信号量输出为零，运行仿真模型；

③设置BIT配置包括判别基准、防虚警措施和BIT故障代码三项；各项参数设置完毕后运行仿真模型，观察BIT输出信号的波形和故障代码，得到BIT仿真模型的故障注入诊断结论；

（2）故障和干扰注入与BIT仿真

具体步骤如下：

1）根据故障输入数据表对被测单元设置故障注入参数；

2）根据干扰输入数据表对测试参数设置干扰注入参数，运行仿真模型，完成故障与干扰的注入；

3）观察BIT输出信号的波形与故障代码，得到诊断结论数据；

（3）仿真评价

A、仿真评价参数计算

具体步骤如下：

①计算故障检测率

故障检测率计算模型如下：

$\mathrm{FDR}=\frac{N_{\mathrm{RSF}}}{N_{\mathrm{ISF}}}\×100\%---\left(4\right)$

式中：FDR表示故障检测率；N_RSF表示诊断结论数据中状态类别为单故障且正确检测到的故障总数；N_ISF表示仿真输入数据集中故障类型为单故障的总数；

②计算虚警率

虚警率计算模型如下：

$\mathrm{FAR}=\frac{N_{\mathrm{RFA}}}{N_D}=\frac{N_{\mathrm{RFA}}}{N_{\mathrm{RF}}+N_{\mathrm{RFA}}}\×100\%---\left(5\right)$

式中：FAR表示虚警率；N_RFA表示诊断结论数据中状态类别为故障而实际正常的总数；N_RF表示诊断结论数据中状态类别为单故障且仿真输入数据集中故障类型为单故障的总数；N_D表示诊断结论为故障的告警总次数；

B、仿真评价

根据系统对BIT的测试性要求，运行BIT状态图仿真模型，统计仿真评价参数，判断BIT状态图仿真模型是否能满足系统规范中对BIT的测试性要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，其特征在于，步骤一的具体步骤为：

（1）根据仿真要求确定UUT状态图模型的输入，UUT的输入包括故障状态、故障类型、故障模式、故障时间、输入名称、取值、含义，根据UUT的仿真需求确定；

（2）根据UUT被测试的测试参数/项目，确定UUT的输出变量，输出变量的名称即测试参数/项目，输出变量的取值范围及其说明根据UUT的设计资料与故障数据确定；

（3）根据UUT的FMECA数据，分析UUT的所有故障模式，再加上正常状态，可确定UUT状态转移描述的状态集合；

（4）从状态集合中选择一个状态，根据测试参数/项目的判别基准确定状态动作，添加状态动作的数据对象，确定方法如下：

A、若所选状态为正常状态，则状态动作为将每一项测试参数/项目的判别基准内取值赋给相应的测试参数/项目以及状态触发更新次数计数；

B、若所选状态为故障状态，则状态动作为将与该故障影响的测试参数/项目对应的判别基准外取值赋给相应的测试参数/项目；

（5）确定上述（4）中所选状态的转移目标状态和转移标签，添加转移标签的数据对象，确定方法如下：

A、若所选状态为正常状态，转移目标状态有两类：一类是正常状态自身，此时状态转移逻辑的转移标签为空；另一类是状态集合中所有的故障状态，根据UUT的输入参数与故障状态的发生条件确定向各个故障状态转移时的转移标签；

B、若所选状态为故障状态，则状态转移目标是该故障状态本身，此时状态转移逻辑的转移标签为空，即自循环；其中，默认转移逻辑的转移目标状态为正常状态，默认转移逻辑的转移标签为空；

（6）如果状态集合内的所有状态分析完毕，则继续下一步，否则转到（3）；

（7）根据步骤（6）确定的状态转移描述，建立UUT的状态图模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，其特征在于，所述的步骤二中：

（1）中，所述的BIT功能分为测试和集成管理两类；所述的测试参数通常是指BIT监测的参数或信号，测试项目是指不适于利用参数或信号直接表达的测试内容；所述的防虚警措施根据BIT具体情况确定，包括重复测试、表决测试和延时测试；所述的管理算法包括BIT信息合成、编码和调用管理；BIT输出方式的包括：高低电平输出、模拟量输出、数字化总线输出、软件消息输出；

（2）的3）中，所述的测试参数/项目用状态图的数据对象表示，数据对象在状态图或模型浏览器中通过菜单或工具按钮添加，数据对象的类型根据测试参数/项目的具体情况而定，将数据对象的作用范围设置为输入，在BIT状态图模型中建立输入端口，将从UUT输出的测试参数/项目，通过信号连接线，连接到各个BIT状态图模型的输入端口；4）中检测逻辑的执行过程为：将测试参数/项目与判别基准进行比较，如果测试参数/项目不满足判别基准则测试不通过给出不通过信号；否则测试通过给出通过信号，其中不通过与通过信号为0、1数字信号；5）中防虚警措施采用重复测试方法，具体为：重复测试次数初始值为0，重复测试法的执行过程为：当BIT测试参数/项目不满足判别基准时，判断重复测试次数是否大于等于重复测试阈值，则BIT测试不通过输出不通过信号，表示测试参数/项目故障；否则重复测试次数自加1；如果测试参数/项目满足判别基准，则BIT测试通过输出通过信号，表示测试参数/项目正常，此时重复测试次数清零；6）中管理算法包括BIT信息合成、编码和调用管理；7）中输出方式采用Simulink的信号连接线表示，将BIT的输出信号送到接受对象输入端口或子系统的输出端口；8）中接受对象是BIT或者其他功能模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，其特征在于，所述的步骤三具体步骤为：

（1）从UUT输出的测试参数/项目中选择一项作为干扰对象；

（2）根据仿真要求确定干扰状态图模型的输入，干扰的输入包括干扰状态、干扰类型、干扰模式、干扰时间，输入的名称、取值、含义根据干扰的仿真需求确定；

（3）根据被干扰的测试参数/项目，确定干扰的输出，输出即干扰变量，输出的名称、取值范围及其说明根据干扰的设计资料与干扰数据确定；

（4）根据干扰的工作模式确定状态转移描述的状态集合，状态集合包含了：无干扰状态、随机干扰状态和注入干扰状态三个状态；

（5）从状态集合中选择一个状态，根据被干扰的测试参数/项目确定状态动作，添加状态动作的数据对象，确定方法如下：

A、若所选状态为无干扰状态，则状态动作为将干扰量清零；

B、若所选状态为随机干扰状态，则状态动作为利用随机算法将制定区间的随机值赋给干扰变量；

C、若所选状态为注入干扰状态，则状态动作为利用指定的干扰算法产生的干扰值赋给干扰变量；

（6）确定所选状态的转移目标状态和转移标签，添加转移标签的数据对象，确定方法如下：

A、若所选状态为无干扰状态，转移目标状态有两类：一类是随机干扰状态；另一类是注入干扰状态，根据干扰的输入参数与状态的发生条件确定向状态转移目标转移的转移标签；其中，默认转移的转移目标状态是无干扰状态，此时默认转移的转移标签为空；

B、若所选状态为随机干扰状态，则状态转移目标是该状态本身，此时状态转移逻辑的转移标签为空，即自循环；

C、若所选状态为注入干扰状态，则状态转移目标是该状态本身，此时状态转移逻辑的转移标签为空，即自循环；

（7）如果状态集合内的所有状态分析完毕，则继续下一步，否则转到（5）；

（8）如果UUT的测试参数/项目中存在未建立干扰模型的测试参数/项目，则转到（1），直至为所有的测试参数/项目建立了相应干扰的状态图模型为止。

5.根据权利要求1所述的一种基于状态图的机内测试建模仿真方法，其特征在于，所述步骤五（1）的①中，故障注入数据表包含编号、故障状态、故障类型、故障模式和故障注入时间五项；②中，干扰输入数据表包含编号、干扰模块、干扰状态、干扰模型、干扰注入时间、干扰结束时间和干扰量七项；③中诊断结论采用表格进行描述，包含编号、故障模式两项。

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