CN102435938B - 一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法 - Google Patents

一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于功能测试的数字电路故障检测定位系统及方法，该系统由上位机、网路交换机、下位机、程控电源、仪表、被测件、适配器构成；该方法根据被测件的输入输出信号设计单一、复合、针对性3类测试场景，上位机根据场景数据库控制下位机对被测件的硬件通道进行三轮遍历检测：第一轮单一场景测试找到绝对损坏或绝对正常的器件，第二轮复合场景测试首先找出绝对正常的通道和器件，同时将响应错误的通道及器件按照故障发生概率进行数学累加，第三轮针对性场景测试在第二轮测试给出故障统计数据的基础上对故障概率高且故障次数多的重点怀疑器件施加针对性激励并辅助仪表最终判定该器件是否故障。本发明在提高自动化程度的同时降低了故障误判率。

Description

一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法
技术领域
本发明涉及数字电路故障检测及故障定位技术领域，尤其涉及一种离线的基于被测件功能的数字逻辑电路故障检测及故障定位的系统和方法。
背景技术
由于数字集成电路功能复杂度和制造集成度的迅速提升，因厂家制造和用户使用而导致的电路失效问题日益突出。利用测试技术实现对各种电子装备高效故障检测及故障定位能大幅缩短武器装备的故障排查和维修时间，提高武器装备的综合战斗力，所以测试技术越来越受到各国军界的重视。
目前武器装备系统广泛采用的集成测试维修体系分为两大类，即在线测试法和离线测试法。在线测试法是指将被测试件装入装备整机内，依赖装备整机自身产生测试激励，通过装备自身的机内检测设备或辅助仪表测量来判定被测试件的功能正常与否。该方法由于使用装备整机作为测试设备，方法简便，额外研制生产的设备较少。但若在阵地级维修中使用该技术进行故障检测定位，一定程度上会影响装备的正常执勤，同时有扩大故障范围的隐患；若在基地级维修中使用该方法则需要额外购置一套完整的装备，成本较高，同时在线测试法受条件因素的限制较大，很难进行准确的故障定位。离线测试法是指被测试件脱离装备自身，在一种专门的或通用的测试平台上进行故障检测或定位的测试方法。目前采用最多的是基于边界扫描技术的离线测试方法，但是应用这项技术需要被测件电路板本身在设计时增加20%~30%的硬件电路，而且必须应用支持IEEE1149.1可测试性标准的器件。到目前为止国产电子装备出于成本和性能的考虑，很少采用支持边界扫描技术的设计，对于极少数支持边界扫描技术的电路板在测试时也存在一个很大的问题，就是需要将被测件的固件和软件擦除，也就是将其具有的功能性特征擦除才可以采用边界扫描技术测试，这样非常不利于服役产品的技术状态控制。对于现役装备无论采用依赖整机的在线测试法还是基于边界扫描技术的离线测试法都存在一定的弊端，所以迫切需要一种能在脱离整机并且不改变被测件状态的前提下进行故障检测定位的系统和方法。
发明内容
本发明提供一种基于功能测试的数字电路故障检测和故障定位的系统和方法，实现在脱离整机并且不更改被测件技术状态的条件下进行器件级的故障检测和定位。
数字逻辑电路的特征是输入和输出全部为二进制0/1信号，计算机系统可以明确认定出其电气状态。本发明中所述场景即测试用激励和响应的计算机数字化描述，便于数据库存储和计算机解析。器件包含1个或多个部件，所谓部件是能完成独立功能的器件的一部分，例如1片74HC244集成电路含有8个独立的部件，其中一个部件发生故障即认定该器件故障。
本发明所提供的解决方案是：
故障检测定位系统包括：上位机、程控电源、仪表、网络交换机、下位机、适配器、被测件。其中上位机用于人机交互，通过数字接口实现对程控电源和仪表的控制和数据采集，并存储场景数据库，通过网络控制下位机实现测试激励的产生，同时对下位机的测试结果进行综合解析。程控电源通过数字接口与上位机相连，程控电源受上位机控制，为下位机和被测件供电。仪表通过数字接口受控于上位机，通过硬件探针实现对被测件的信号采集。网络交换机通过网络连接上位机、被测件和下位机。下位机根据上位机的指令产生测试激励，并对测试响应进行采集并上报上位机。适配器是一块无源的印刷电路板，实现被测件和下位机的接口匹配连接。
基于功能的数字电路故障检测定位方法是根据被测件的输入输出信号设计单一、复合、针对性3类测试场景，其中单一场景选择输入/输出之间仅包含单一元器件的通路或通过逻辑判断能够准确而唯一定位的硬件通道设计，一旦场景测试不通过即可确定该器件损坏；复合场景：根据被测件的输入和输出信号设计场景，保证被测件对外的每个输入和输出信号均至少翻转一次即0到1或者1到0变化一次，如果能够使通道上器件的输入输出完全翻转一次的场景组测试通过，则认定这个场景组所涉及的已翻转的部件全部正常；针对性场景：针对被测件完成功能所涉及的每个器件的每个部件设计场景，使指定器件的输入和输出根据测试激励的翻转而翻转。根据场景数据库对被测件的硬件通道进行三轮遍历检测：第一轮单一场景测试找到绝对损坏或绝对正常的器件，第二轮复合场景测试首先找出绝对正常的通道和器件，同时将响应错误的通道及器件按照故障发生概率进行数学累加，第三轮针对性场景测试在第二轮测试给出故障统计数据的基础上对故障概率高且故障次数多的重点怀疑器件施加针对性激励并辅助仪表最终判定该器件是否故障。
故障检测定位首先通过被测件外接信号进行自动的场景测试，逐步排除正常的元器件以逼近故障嫌疑器件，在存在串联模型的情况下最后通过精确的仪表探针辅助测量确定故障元器件。此故障检测方法的关键在于场景的设计，并基于被测件对外连接的所有输入信号和输出信号编制场景。一般情况下，任何一个输入信号总会影响至少一个输出信号，任何一个输出信号总是至少受一个输入信号影响。假设被测件对外连接的信号中有                                                
Figure 253541DEST_PATH_IMAGE001
个输入信号和
Figure 776926DEST_PATH_IMAGE002
个输出信号，为了达到每个信号翻转一次的要求，则场景数总可以设计成
Figure 19820DEST_PATH_IMAGE003
个。对于输入信号的检测方法为：对于任何一个输入信号
Figure 323762DEST_PATH_IMAGE004
，同时可能需要辅助其他输入信号
Figure 598886DEST_PATH_IMAGE005
，总有被它影响的结果输出
Figure 553941DEST_PATH_IMAGE006
，这个场景即可描述为。改变足以引起输出状态
Figure 680346DEST_PATH_IMAGE006
变化的输入信号
Figure 572210DEST_PATH_IMAGE004
状态，判断输出结果
Figure 132504DEST_PATH_IMAGE006
是否发生预期变化以判断该输入信号是否被正确响应。接着还需要为场景设计一个对偶场景为
Figure 166374DEST_PATH_IMAGE008
，如果和
Figure 463680DEST_PATH_IMAGE008
组成的场景组测试响应完全正确，可以判断出该场景组所经过的且已正常翻转的与输入信号S和输出信号R相关的部件为无故障部件。同理，对于任何一个输出信号
Figure 219278DEST_PATH_IMAGE009
，总有影响其状态的输入信号
Figure 719529DEST_PATH_IMAGE010
，同时可能需要辅助其他输入信号
Figure 140146DEST_PATH_IMAGE011
。改变足以引起输出状态
Figure 924300DEST_PATH_IMAGE009
变化的输入信号
Figure 100067DEST_PATH_IMAGE010
的状态，判断输出结果
Figure 25297DEST_PATH_IMAGE009
是否产生预期变化以判断该输入信号
Figure 62654DEST_PATH_IMAGE010
是否被正确响应。同样针对每个输出信号
Figure 124151DEST_PATH_IMAGE009
至少可以编写两个场景
Figure 470819DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 194930DEST_PATH_IMAGE013
Figure 222929DEST_PATH_IMAGE014
。这些场景可以分为两类：单一场景和复合场景。单一场景是指从信号输入到信号输出仅经过一个器件的硬件通道，复合场景是指从信号输入到信号输出经过多个器件的硬件通道，同时根据每个部件的失效率为每个复合场景通道上的部件分配故障权重，此通道上所有部件的故障权重总和应为100%。此外还需要一种针对性场景，针对性场景是针对某个器件的单个部件设计的场景，用于解决串联模型下故障的精确定位，场景中测试激励基于上面所述输入信号来产生，原则上采用使部件的输入
Figure 369374DEST_PATH_IMAGE017
和对应的输出
Figure 997801DEST_PATH_IMAGE018
管脚上能够产生翻转的信号，这些场景可描述为
Figure 611054DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 971628DEST_PATH_IMAGE020
。
本发明结合了基于功能测试的测试法和基于探针测量的测试法，其有益效果是不用更改被测件的技术状态，避免出现因为测试需要而造成人为的技术状态混乱，通过逐步缩小故障器件范围并采用仪器仪表辅助测量方法最终实现故障定位，在提高自动化程度的同时降低了故障误判率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的一个实施例的下位机组成框图。
图3为本发明的一个实施例的被测件原理图。
图4为本发明的一个实施例中对应图3被测件的适配器原理图。
图5为本发明的一个实施例的测试流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1 所示，本系统包括上位机1、仪表2、程控电源3、网络交换机4、被测件5、适配器6、下位机7七个部分。
其中上位机1通过GPIB接口与程控电源和仪表相连，通过网络接口与网络交换机相连。上位机1为一台PC机，用于人机交互、数据存储和解析，实现对程控电源3和仪表2的控制和数据采集，存储测试场景数据库，根据数据库内容通过网络控制下位机7产生测试激励，并且将下位机7的测试结果与数据库场景中的测试响应进行比对判断，进行故障综合解析。
程控电源3为Agilent的4通道均可独立调节的程控直流电源N6702A，通过GPIB接口与上位机1相连，通过供电线缆与仪表2、被测件5和下位机7相连，程控电源3受上位机1的控制，为仪表2、下位机1和被测件5供电。
仪表2包括Agilent数字示波器6032A和Agilent数字多用表34401A，通过GPIB接口与上位机1相连，受上位机1的控制，实现仪表参数设置和信号采集，通过硬件探针与被测件5相连，实现对被测点的信号采集检测。
网络交换机4通过网络接口与上位机1、被测件5和下位机7相连，实现上位机与下位机，被测件5与下位机之间的网络数据中转传输。
下位机7通过网络接口与网络交换机相连，通过网络接口实现与上位机1的数据交互，接收上位机1的指令产生测试激励，并对测试响应进行采集，上报上位机1，因为被测件的输入输出接口与下位机的输入输出接口物理位置不可能完全一致，所以下位机7通过适配器6连接被测件5。
适配器6是一块无源的印刷电路板，实现被测件5和下位机7的接口匹配连接。
如图2所示对下位机具体实施例进行说明。下位机具体功能电路包括：CPU模块8、可编程逻辑器件（FPGA）9、电平转换电路10、驱动电路11。CPU模块8采用Digital Logic的MSM586-SEV-128M-E48，通过PC104总线与可编程逻辑器件（FPGA）9相连， CPU模块8的网络接口与图1中的网络交换机相连，CPU模块8接收上位机的指令，配合可编程逻辑器件（FPGA）9产生被测件所需要的测试激励，同时将可编程逻辑器件（FPGA）9采集到的被测件响应结果回送上位机。可编程逻辑器件（FPGA）9采用Altera的EP2C35F672I8，主要用于产生测试激励和对被测件响应结果的初步处理。电平转换电路10用于将可编程逻辑器件（FPGA）9输出的TTL信号转换成RS422电平信号，以适应被测件输入输出接口不同电平的需求。驱动电路11用于将可编程逻辑器件（FPGA）9输出的TTL信号与被测件的TTL信号进行隔离保护。
如图3所示给出一个被测件的具体实施例。下面根据这个被测件的实施例对发明进行描述。被测件实现的是4个输入信号之间的逻辑组合形成8个输出。其中涉及的器件有D1、D2、D3、D4、D5。D1为4路与门74HC08，D2、D5为4路非门74HC04，D3为4路或非门74HC02，D4为8路驱动器74HC244。本发明基于被测件的功能，所以功能上不使用的部分不在检测的范围内。根据发明内容中的部件概念，故障检测只涉及到D1的1个部件，D2的1个部件，D3的1个部件，D4的7个部件和D5的1个部件。下表是对每个部件的描述。
 
Figure 421064DEST_PATH_IMAGE021
对于D1而言只要D1（1）正常就认为D1正常，D1（1）故障就认为D1故障；对于D2来说只要D2（1）正常就认为D2正常，D2（1）故障就认为D2故障；对于D3来说只要D3（1）正常就认为D3正常，D3（1）故障就认为D3故障；对于D4来说必须D4（1）、D4（2）、D4（3）、D4（4）、D4（5）、D4（6）、D4（7）都正常才认为D4正常，D4（1）、D4（2）、D4（3）、D4（4）、D4（5）、D4（6）、D4（7）中任意一个故障都认为D4故障；对于D5来说只要D5（1）正常就认为D5正常，D5（1）故障就认为D5故障。
根据本发明的设计原则，针对被测件可设计单一场景2个，复合场景22个。
单一场景如下表所示：
Figure 603915DEST_PATH_IMAGE022
如果DY001和DY002场景组均检测正确，则可认定D5正常，如果DY001、DY002任意一个不正确，则可认定D5故障。复合场景如下表所示。
Figure 494511DEST_PATH_IMAGE023
如果FH001和FH002场景组均检测正确，则可认定D4（1）正常，如果FH003和FH004场景组均检测正确，则可认定D4（3）正常，如果FH005和FH006场景组均检测正确，则可认定D4（5）正常，如果FH007和FH008场景组均检测正确，则可认定D4（7）正常，如果FH009和FH010场景组均检测正确，则可认定D4（1）正常，如果FH011和FH012场景组均检测正确，则可认定D4（3）正常，如果FH013和FH014场景组均检测正确，则可认定D4（5）正常，如果FH015和FH016场景组均检测正确，则可认定D4（7）正常，如果FH017和FH018场景组均检测正确，则可认定D1（1）、D4（2）正常，如果FH019和FH020场景组均检测正确，则可认定D2（1）、D4（4）正常，如果FH021和FH022场景组均检测正确，则可认定D3（1）、D4（6）正常。
由于复合场景中所涉及的信号通道存在串联模型，所以需要设计针对性场景才可以精确定位故障器件。针对性场景如下表所示。
Figure 353882DEST_PATH_IMAGE024
利用这三类场景依次进行测试：
1、第一轮测试的目的是为了找到绝对损坏的器件，此轮测试使用单一场景（并不是每个被测件都这种可能）。首先输入场景激励，判断其器件通道的响应情况。若响应正常，则该器件通道确定为绝对正常通道；若响应错误，该器件通道确定为绝对故障通道；
2、第二轮测试的目的是为了最大可能地找出绝对正常的器件及通道，并统计出响应错误的器件通道故障次数及概率累加，此轮测试使用复合场景。遍历完所有的复合场景后，判断出绝对正确的器件代号和通道号；然后将发生故障的器件通道按照场景中描述的比例权重累计到各器件上（已判断绝对正常的器件故障权重强制置为0）。统计所有器件全部通道的故障权重情况和怀疑次数的表格；
3、第三轮测试是在第二轮给出故障统计数据的基础上对重点怀疑器件进行精确测量，此轮测试使用针对性场景。软件界面选择出需要定点测试的器件代号，按照要求施加激励（可能是复合场景的组合，也可能需要单独设计的场景），用测试仪表测量相应的器件管脚是否有符合要求的输入、输出波形。若有，则排除该器件损坏可能；若无，判定该器件故障。
图3 中的被测件的输入输出口都集中在XS1的J30J15ZKW的插座上。对应图3被测件的适配器原理图如图4所示。适配器为无源的印制板，一边是与下位机吻合的接口，如图4 中XP1和XP2所示，包括了信号传输方向相对于下位机来说的60路TTL输入TTLI1~60，60路TTL输出TTLO1~60，20路RS422输入422RX±1~20，20路RS422输出422TX±1~20。另一边是与被测件吻合的接口，如图4中XP3所示，XP3为J30J15TJW插头，与图2中XS1信号一一对应。中间的连线将被测件的输出口连接下位机的输入口，将被测件的输入口连接下位机的输出口。
如图5 所示给出这种实施例的测试流程。
步骤01 开始；
步骤02 选择被测电路板，在上位机的界面上输入被测件的ID号；
步骤03 选择适配器并且将适配器插入下位机；
步骤04 通过下位机判断适配器的硬件ID号并上传至上位机，上位机比对适配器的ID号是否与被测件ID号匹配，如果错误跳转到步骤03，如果正确进入步骤05；
步骤05 将被测件插入适配器；
步骤06 上位机控制万用表测量被测件的静态阻抗；
步骤07 上位机判断阻抗值是否正常，如果异常，进入步骤08，如果正常，进入步骤09；
步骤08 如果被测件短路，即静态阻抗小于指定值，则更换其它被测件测试，跳转到步骤02
步骤09 上位机控制程控电源给被测件加电；
步骤10 在上位机上控制下位机启动第一轮单一场景测试，如果全部通过，进入步骤12，如果未全部通过，进入步骤11；
步骤11 单一场景可以判断出确定的故障器件，所以维修更换后跳转到步骤09；
步骤12 上位机控制下位机进行第二轮复合场景测试，如果全部场景都通过，进入步骤13，如果未全部通过，进入步骤14；
步骤13 测试维修结束；
步骤14 上位机启动第三轮针对性场景测试，用户在上位机界面所罗列出的故障通道器件集合中选取需要利用示波器重点排查的器件，上位机根据器件ID号查找针对此器件的针对性场景并控制下位机对器件进行测试，进入步骤15；
步骤15 通过示波器的精确测量，判断器件是否故障，若故障进入步骤16，如无故障继续排查；
步骤16 更换器件，并跳转到步骤09。

Claims (2)

1.一种基于功能的数字电路故障检测定位方法，其特征是：根据被测件的输入输出信号设计单一、复合、针对性3类测试场景，根据场景数据库对被测件的硬件通道进行三轮遍历检测：第一轮单一场景测试找到绝对损坏或绝对正常的器件，第二轮复合场景测试首先找出绝对正常的通道和器件，同时将响应错误的通道及器件按照故障发生概率进行数学累加，第三轮针对性场景测试在第二轮测试给出故障统计数据的基础上对故障概率高且故障次数多的重点怀疑器件施加针对性激励并辅助仪表最终判定该器件是否故障；
所述3类测试场景，包括单一场景、复合场景和针对性场景；其中单一场景选择输入/输出之间仅包含单一元器件的通路或通过逻辑判断能够准确而唯一定位的硬件通道设计，一旦场景测试不通过即可确定该器件损坏；复合场景：根据被测件的输入和输出信号设计场景，保证被测件对外的每个输入和输出信号均至少翻转一次即0到1或者1到0变化一次，如果能够使通道上器件的输入输出完全翻转一次的场景组测试通过，则认定这个场景组所涉及的已翻转的部件全部正常；针对性场景：针对被测件完成功能所涉及的每个器件的每个部件设计场景，使指定器件的输入和输出根据测试激励的翻转而翻转。
2.一种基于功能的数字电路故障检测定位系统，该系统依据权利要求1所述的基于功能的数字电路故障检测定位方法进行工作，其特征是：包括上位机、程控电源、仪表、网络交换机、下位机、适配器、被测件；上位机用于人机交互，实现对程控电源和仪表的控制和数据采集，并存储场景数据库，通过网络控制下位机实现测试激励的产生，同时对下位机的测试结果进行综合解析；程控电源通过数字接口与上位机相连，程控电源受上位机控制，为下位机和被测件供电；仪表通过数字接口受控于上位机，通过硬件探针实现对被测件的信号采集；网络交换机连接上位机、被测件和下位机；下位机根据上位机的指令产生测试激励，并对测试响应进行采集并上报上位机；适配器是一块无源的印刷电路板，实现被测件和下位机的接口匹配连接;
下位机包括CPU模块，可编程逻辑器件，电平转换电路、驱动电路；CPU模块通过PC104总线与可编程逻辑器件相连，CPU模块的网络接口与网络交换机相连，CPU模块接收上位机的指令，配合可编程逻辑器件产生被测件所需要的测试激励，同时将可编程逻辑器件采集到的被测件响应结果回送上位机，电平转换电路将可编程逻辑器件输出的TTL电平转换成RS422电平信号,以适应被测件输出接口对不同电平的需求，驱动电路将可编程逻辑器件输出的TTL信号与被测件的TTL信号进行隔离保护。
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