CN103472385A - 一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统 - Google Patents
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Abstract
一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，属于电学领域，本发明为了解决现有的故障仿真系统由于缺乏有效的故障注入手段，而导致的无法准确、高效的获取故障数据，难以满足现有故障诊断方法时效性验证需求的问题。本发明所述故障注入模块与上位计算机通过LAN网络连接，通过解析上位计算机发出的控制命令，实现故障设置信号的传输和控制；故障注入模块的M路驱动信号输出端连接具有故障仿真功能的电路模块的M路驱动信号输入端，所述具有故障仿真功能的电路模块的电路故障仿真信号输出端连接数据采集模块的电路故障仿真信号输入端，其中，M为正整数；数据采集模块与上位计算机通过LAN网络实现连接，完成数据的交互。用于对各种电路板进行故障样本的采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，属于电学领域。
背景技术
随着导弹、卫星等大型系统功能的日益完善，对其可靠性要求不断提高，而电子设备作为大型系统重要的组成部分，是整个系统的核心部分，因此迫切需要研究与之对应的故障诊断技术。但是，常见的故障诊断方法面临两个严重的问题：实际故障样本缺乏和诊断方法缺乏实效性验证，因此造成了理论上优秀的方法难以推广到实际应用领域。
缺乏故障样本数据是阻碍验证各类故障诊断方法实效性的重要原因，然而，在现有的故障仿真系统中，使用的故障注入方法和故障采集方法主要是通过手动方式进行注入，存在智能化程度低、操作复杂、难以程控的缺点，因此无法准确、高效的获取故障数据，难以满足现有故障诊断方法验证的需求。
建立电路系统通用型程控故障注入单元和采集模块，实现快速生成和采集故障样本，为故障诊断方法的研究和验证提供数据来源。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的故障仿真系统由于缺乏有效的故障注入手段，而导致的无法准确、高效的获取故障数据，难以满足现有故障诊断方法时效性验证需求的问题，提供了一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统。
本发明所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，它包括上位计算机、故障注入模块、具有故障仿真功能的电路模块和数据采集模块；
所述上位计算机与故障注入模块通过LAN网络连接，通过解析控制命令，实现故障设置信号的传输和控制；
故障注入模块的M路驱动信号输出端连接具有故障仿真功能的电路模块的M路驱动信号输入端，所述具有故障仿真功能的电路模块的电路故障仿真信号输出端连接数据采集模块的电路故障仿真信号输入端，其中，M为正整数；
数据采集模块与上位计算机通过LAN网络实现连接，完成数据的交互。
本发明的优点：可自动完成故障注入和样本数据采集的功能，可同时完成有故障和无故障样本的生成和采集，简化了故障注入过程的复杂性，可以准确、高效的获取故障数据，满足现有故障诊断方法验证的需求，提高了获取故障样本的效率。
附图说明
图1是本发明所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统的结构示意图；
图2是具体实施方式三所述的数据采集模块5的结构示意图；
图3是具体实施方式四所述的信号调理电路5-5的结构示意图；
图4是具体实施方式七所述的无源衰减电路5-5-1的电路结构图；
图5是具体实施方式七所述的增益可调放大电路5-5-2的电路结构图；
图6是具体实施方式七所述的ADC前级驱动电路5-5-3的电路结构图；
图7是应用本发明所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统实现运算放大器故障注入的电路结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，它包括上位计算机1、故障注入模块2、具有故障仿真功能的电路模块3和数据采集模块5；
所述上位计算机1与故障注入模块2通过LAN网络连接，通过解析控制命令，实现故障设置信号的传输和控制；
故障注入模块2的M路驱动信号输出端连接具有故障仿真功能的电路模块3的M路驱动信号输入端，所述具有故障仿真功能的电路模块3的电路故障仿真信号输出端连接数据采集模块5的电路故障仿真信号输入端，其中，M为正整数；
数据采集模块5与上位计算机1通过LAN网络实现连接，完成数据的交互。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，本实施方式所述故障注入模块2包括一号FPGA2-1、一号ARM7嵌入式模块2-3和继电器阵列及驱动电路2-2；
所述一号ARM7嵌入式模块2-3的故障设置信号输入输出端即为故障注入模块2的故障设置信号输入输出端；
所述一号ARM7嵌入式模块2-3的故障设置信号输出端连接一号FPGA2-1的故障设置确认信号输入端；
所述一号FPGA2-1的驱动控制信号输出端连接继电器阵列及驱动电路2-2的驱动控制信号输入端；
所述继电器阵列及驱动电路2-2的M路驱动信号输出端即为故障注入模块2的M路驱动信号输出端。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的数据采集模块5包括二号FPGA5-1、二号ARM7嵌入式模块5-2、信号调理电路5-5和ADC模数转换器5-6；
所述信号调理电路5-5的电路故障仿真信号输入端即为数据采集模块5的电路故障仿真信号输入端；
所述信号调理电路5-5的电路故障仿真调整信号输出端连接ADC模数转换器5-6电路故障仿真调整信号输入端；
所述ADC模数转换器5-6电路故障仿真数字信号输出端连接二号FPGA5-1的电路故障仿真数字信号输入端；
所述二号FPGA5-1的启动命令信号输出端连接ADC模数转换器5-6的启动命令信号输入端；
所述二号FPGA5-1的处理数据信号输出输入端连接二号ARM7嵌入式模块5-2的预处理数据信号输入输出端；
所述二号ARM7嵌入式模块5-2的采集电路数字信号输入输出端即为数据采集模块5的采集电路数字信号输入输出端。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式三所作的进一步说明，本实施方式所述数据采集模块5还包括LED驱动电路5-3和指示灯5-4；
所述二号FPGA5-1的LED驱动控制信号输出端连接LED驱动电路5-3的LED驱动控制信号输入端；所述LED驱动电路5-3的驱动信号输出端连接指示灯5-4的驱动信号输入端。
具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，本实施方式所述信号调理电路5-5是由N个结构相同的信号调理分电路5-5-5组成；其中，N为正整数；
所述每个信号调理分电路5-5-5包括无源衰减电路5-5-1、增益可调放大电路5-5-2和ADC前级驱动电路5-5-3；
所述无源衰减电路5-5-1的电路故障仿真信号输入端即为信号调理电路5-5的电路故障仿真信号输入端；
所述无源衰减电路5-5-1的电阻分压信号输出端连接增益可调放大电路5-5-2的电阻分压信号输入端；
所述增益可调放大电路5-5-2的放大信号输出端连接ADC前级驱动电路5-5-3的放大信号输入端；
所述ADC前级驱动电路5-5-3的电路故障仿真调整信号输出端即为信号调理电路5-5的电路故障仿真调整信号输出端。
具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，本实施方式所述ADC模数转换器5-6是由X个ADC5-6-5组成,其中X=N/8。
具体实施方式七：下面结合图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，本实施方式所述无源衰减电路5-5-1是由电容C1、电容C2、电阻R01和电阻R02组成；
所述具有故障仿真功能的电路模块3的电路故障仿真信号输出端同时连接电阻R01与电容C1的一端，电容C1的另一端同时连接电阻R01的另一端、无源衰减电路5-5-1的电阻分压信号输出端、电阻R02的一端和电容C2的一端，该电容C2的另一端同时连接电阻R02的另一端和电源地GND；
所述增益可调放大电路5-5-2是由连接件J、电阻R03、电阻R04、电阻R05、电阻R06、电容C3、电容C4、电容C5、电容CTa1、电容CTa2和放大器U；
所述无源衰减电路5-5-1的电阻分压信号输出端连接电阻R06的一端，该电阻R06的另一端连接放大器U的同相输入端；
所述放大器U的双向电源负极端同时连接电容C4的一端和电容CTa1的一端，该电容C4的另一端同时连接电容CTa1的另一端和电源地；
所述连接件J的管脚2连接电源地，所述连接件J的管脚1连接电阻R04的一端，电阻R04的另一端同时连接电阻R03的一端、电阻R05的一端、电容C5的一端和放大器U的反相输入端；所述电阻R03的另一端连接连接件J的管脚3；
所述电阻R05的另一端同时连接电容C5的另一端、放大器U的输出端和增益可调放大电路5-5-2的放大信号输出端；
所述放大器U的双向电源正极端同时连接-5V电源、电容C3的一端和电容CTa2的一端；该电容CTa2的另一端同时连接电容C3的另一端和电源地；
所述ADC前级驱动电路5-5-3是由电阻R07、电阻R08、电阻R09、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C6、电容C7、电容C8、电容CTa3、电容CTa4和差分放大器A组成；
所述增益可调放大电路5-5-2的放大信号输出端同时连接电阻R07的一端和电阻R08的一端，该电阻R08的另一端同时连接电阻R10的一端和差分放大器A的同相输入端端；该电阻R10的另一端同时连接差分放大器A的反相输出端和电阻R12的一端；
所述差分放大器A的共模电压输入端2端用于设置输出信号的共模电压连接电容C6的一端，该电容C6的另一端连接电源地；
所述差分放大器A的反相输入端同时连接电阻R09的一端和电阻R11的一端，该电阻R09的另一端连接电源地；
所述电阻R11的另一端同时连接差分放大器A的反相输出端和电阻R13的一端；
所述差分放大器A的双向电源正极端同时连接电容C7的一端和电容CTa3的一端，该电容CTa3的另一端同时连接电容C7的另一端和电源地；
所述差分放大器A的双向电源负极端同时连接电容C8的一端和电容CTa4的一端，该电容CTa4的另一端同时连接电容C8的另一端和电源地；
所述电阻R12的另一端和电阻R13的另一端即为ADC前级驱动电路5-5-3的电路故障仿真调整信号输出端。
具体实施例：本实施例的故障注入模块2的一号FPGA2-1是采用选择ALTERA公司的EP1C12Q240C8；在注入故障后，通过继电器的电流比较大，因此继电器阵列及驱动电路2-2采用型号为TX2-12的继电器实现的；该继电器最大导通电流达2A，ARM7嵌入式模块2-3是采用ATMEL公司的ARM7实现的，
数据采集模块5包括二号FPGA5-1是采用ALTERA公司Cyclone III系列中的EP3C80F484C8实现的，ARM7嵌入式模块5-2采用ATMEL公司的ARM7实现的，ADC模数转换器5-6采用型号为AD9222-50的数模转换器实现的，
数据采集模块5主要用来采集被测模拟电路的响应信号，并将转换后的数字信号上传至上位计算机1；
本实施例中数据采集模块5具备32通道40Msps，12位高速数据采集的能力；32通道并行采集数据，任意两通道间相位小于25ns；通过ARM控制器实现与主控上位计算机的通信；
故障注入模块2的ARM7嵌入式模块2-3接收从上位计算机1的故障诊断主平台发出的故障设置命令，经过解析后将该命令传递给一号FPGA2-1，由一号FPGA2-1控制继电器阵列及驱动电路2-2，从而控制具有故障仿真功能的电路模块3的N路继电器，实现故障注入；
具有故障仿真功能的电路模块3用于仿真待检测的电路在有故障和无故障时的状态。数据采集模块5的ARM7嵌入式模块5-2接受从上位计算机1发出的数据采集命令并传递给二号FPGA5-1，经过解析后由二号FPGA5-1控制ADC模数转换器5-6实现数据采集，并将采集到的数据通过ARM7嵌入式模块2-3传给上位计算机1，用于故障诊断方法的验证。
应用本发明所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统实现运算放大器故障注入的电路结构，该运算放大器故障注入的电路结构由运算放大器U1、一号继电器J1、二号继电器J2、三号继电器J3、四号继电器J4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、一号二极管D1、二号二极管D2、三号二极管D3、四号二极管D4、五号二极管D5和六号二极管(D6)组成；
所述一号继电器J1的正供电端连接+15V电源，所述一号继电器J1的NC1端连接+15V电源，该一号继电器J1的COM1端连接运算放大器U1的双向电源负极端；
所述一号继电器J1的NC2端连接电源地+15V_GND，所述一号继电器J1的COM2端连接电阻R1的一端，所述一号继电器J1的NO2端连接+15V电源；
所述电阻R1的另一端连接一号二极管D1的一端，该一号二极管D1的另一端连接一号电源地+15V_GND；
所述二号继电器J2的正供电端连接+15V电源，所述二号继电器J2的NC1端连接+15V电源，该二号继电器J2的COM1端连接运算放大器U1的双向电源正极端；
所述二号继电器J2的NC2端连接电源地+15V_GND，所述二号继电器J2的COM2端连接电阻R2的一端，所述二号继电器J2的NO2端连接+15V电源；
所述电阻R2的另一端连接二号二极管D2的一端，该二号二极管D2的另一端连接二号电源地+15V_GND；
所述三号继电器J3的正供电端连接+15V电源，该三号继电器J3的COM1端连接三号二极管D3的一端，该三号二极管D3的另一端同时连接运算放大器U1的输出端和四号二极管D4的一端；
所述三号继电器J3的NO1端连接+15V电源，
所述三号继电器J3的NC2端连接电源地+15V_GND，所述三号继电器J3的COM2端连接电阻R3的一端，
所述三号继电器J3的NO2端连接+15V电源；
所述电阻R3的另一端连接五号二极管D5的一端，所述五号二极管D5的另一端连接三号电源地+15V_GND；
所述四号继电器J4的正供电端连接+15V电源，该四号继电器J4的COM1端连接四号二极管D4的另一端；
所述四号继电器J4的NO1端连接-15V电源，
所述四号继电器J4的NC2端连接电源地+15V_GND，所述四号继电器J4的COM2端连接电阻R4的一端，该电阻R4的另一端连接六号二极管D6的一端，该六号二极管D6的另一端连接四号电源地+15V_GND，
所述四号继电器J4的NO2端连接+15V电源。
Claims (7)
1.一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，它包括上位计算机（1）、故障注入模块（2）、具有故障仿真功能的电路模块（3）和数据采集模块（5）；
所述上位计算机（1）与故障注入模块（2）通过LAN网络连接，通过解析控制命令，实现故障设置信号的传输和控制；
故障注入模块（2）的M路驱动信号输出端连接具有故障仿真功能的电路模块（3）的M路驱动信号输入端，所述具有故障仿真功能的电路模块（3）的电路故障仿真信号输出端连接数据采集模块（5）的电路故障仿真信号输入端，其中，M为正整数；
数据采集模块（5）与上位计算机（1）通过LAN网络实现连接，完成数据的交互。
2.根据权利要求1所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，
所述故障注入模块（2）包括一号FPGA（2-1）、一号ARM7嵌入式模块（2-3）和继电器阵列及驱动电路（2-2）；
所述一号ARM7嵌入式模块（2-3）的故障设置信号输入输出端即为故障注入模块（2）的故障设置信号输入输出端；
所述一号ARM7嵌入式模块（2-3）的故障设置信号输出端连接一号FPGA（2-1）的故障设置确认信号输入端；
所述一号FPGA（2-1）的驱动控制信号输出端连接继电器阵列及驱动电路（2-2）的驱动控制信号输入端；
所述继电器阵列及驱动电路（2-2）的M路驱动信号输出端即为故障注入模块（2）的M路驱动信号输出端。
3.根据权利要求1所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，所述数据采集模块（5）包括二号FPGA（5-1）、二号ARM7嵌入式模块（5-2）、信号调理电路（5-5）和ADC模数转换器（5-6）；
所述信号调理电路（5-5）的电路故障仿真信号输入端即为数据采集模块（5）的电路故障仿真信号输入端；
所述信号调理电路（5-5）的电路故障仿真调整信号输出端连接ADC模数转换器（5-6）电路故障仿真调整信号输入端；
所述ADC模数转换器（5-6）电路故障仿真数字信号输出端连接二号FPGA（5-1）的电路故障仿真数字信号输入端；
所述二号FPGA（5-1）的启动命令信号输出端连接ADC模数转换器（5-6）的启动命令信号输入端；
所述二号FPGA（5-1）的处理数据信号输出输入端连接二号ARM7嵌入式模块（5-2）的预处理数据信号输入输出端；
所述二号ARM7嵌入式模块（5-2）的采集电路数字信号输入输出端即为数据采集模块（5）的采集电路数字信号输入输出端。
4.根据权利要求3所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，所述数据采集模块（5）还包括LED驱动电路（5-3）和指示灯（5-4）；
所述二号FPGA（5-1）的LED驱动控制信号输出端连接LED驱动电路（5-3）的LED驱动控制信号输入端；所述LED驱动电路（5-3）的驱动信号输出端连接指示灯（5-4）的驱动信号输入端。
5.根据权利要求4所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，所述信号调理电路（5-5）是由N个结构相同的信号调理分电路（5-5-5）组成；其中，N为正整数；
所述每个信号调理分电路包括无源衰减电路（5-5-1）、增益可调放大电路（5-5-2）和ADC前级驱动电路（5-5-3）；
所述无源衰减电路（5-5-1）的电路故障仿真信号输入端即为信号调理电路（5-5）的电路故障仿真信号输入端；
所述无源衰减电路（5-5-1）的电阻分压信号输出端连接增益可调放大电路（5-5-2）的电阻分压信号输入端；
所述增益可调放大电路（5-5-2）的放大信号输出端连接ADC前级驱动电路（5-5-3）的放大信号输入端；
所述ADC前级驱动电路（5-5-3）的电路故障仿真调整信号输出端即为信号调理电路（5-5）的电路故障仿真调整信号输出端。
6.根据权利要求3所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，所述ADC模数转换器（5-6）是由X个ADC（5-6-5）组成,其中X=N/8。
7.根据权利要求5所述一种带故障注入功能的通用型电路故障仿真系统，其特征在于，
所述无源衰减电路（5-5-1）是由电容C1、电容C2、电阻R01和电阻R02组成；
所述具有故障仿真功能的电路模块（3）的电路故障仿真信号输出端同时连接电阻R01与电容C1的一端，电容C1的另一端同时连接电阻R01的另一端、无源衰减电路（5-5-1）的电阻分压信号输出端、电阻R02的一端和电容C2的一端，该电容C2的另一端同时连接电阻R02的另一端和电源地GND；
所述增益可调放大电路（5-5-2）是由连接件（J）、电阻R03、电阻R04、电阻R05、电阻R06、电容C3、电容C4、电容C5、电容CTa1、电容CTa2和放大器（U）；
所述无源衰减电路（5-5-1）的电阻分压信号输出端连接电阻R06的一端，该电阻R06的另一端连接放大器（U）的同相输入端；
所述放大器（U）的双向电源负极端同时连接电容C4的一端和电容CTa1的一端，该电容C4的另一端同时连接电容CTa1的另一端和电源地；
所述连接件（J）的管脚2连接电源地，所述连接件（J）的管脚1连接电阻R04的一端，电阻R04的另一端同时连接电阻R03的一端、电阻R05的一端、电容C5的一端和放大器（U）的反相输入端；所述电阻R03的另一端连接连接件（J）的管脚3；
所述电阻R05的另一端同时连接电容C5的另一端、放大器（U）的输出端和增益可调放大电路（5-5-2）的放大信号输出端；
所述放大器（U）的双向电源正极端同时连接-5V电源、电容C3的一端和电容CTa2的一端；该电容CTa2的另一端同时连接电容C3的另一端和电源地；
所述ADC前级驱动电路（5-5-3）是由电阻R07、电阻R08、电阻R09、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C6、电容C7、电容C8、电容CTa3、电容CTa4和差分放大器（A）组成；
所述增益可调放大电路（5-5-2）的放大信号输出端同时连接电阻R07的一端和电阻R08的一端，该电阻R08的另一端同时连接电阻R10的一端和差分放大器（A）的同相输入端端；该电阻R10的另一端同时连接差分放大器（A）的反相输出端和电阻R12的一端；
所述差分放大器（A）的共模电压输入端2端用于设置输出信号的共模电压连接电容C6的一端，该电容C6的另一端连接电源地；
所述差分放大器（A）的反相输入端同时连接电阻R09的一端和电阻R11的一端，该电阻R09的另一端连接电源地；
所述电阻R11的另一端同时连接差分放大器（A）的反相输出端和电阻R13的一端；
所述差分放大器（A）的双向电源正极端同时连接电容C7的一端和电容CTa3的一端，该电容CTa3的另一端同时连接电容C7的另一端和电源地；
所述差分放大器（A）的双向电源负极端同时连接电容C8的一端和电容CTa4的一端，该电容CTa4的另一端同时连接电容C8的另一端和电源地；
所述电阻R12的另一端和电阻R13的另一端即为ADC前级驱动电路（5-5-3）的电路故障仿真调整信号输出端。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20131225 |