CN104133966B - 一种基于信号特征提取的故障电路行为建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，其技术要点为：将故障电路的仿真结果进行特征参数提取及分类，通过控制输出各类信号特征波形的方式实现故障电路的行为建模，利用该方法仿真采用的仿真元器件较少，只需要简单的激励源、ROM器件和控制电路即可实现，具有较高的效率，所需的仿真时间远小于原电路的仿真时间，具有较强的扩展性和适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及电子系统的可靠性设计与仿真技术领域，具体涉及一种基于信号特征提取的故障电路行为建模方法。
背景技术
现代电子系统越来越复杂，软硬件设计的复杂度日益增加，使得影响产品可靠性的因素也越来越多，致使电子系统仿真越来越困难，仿真时间也越来越长。在电子系统仿真中，当电子元器件的数量达到一定的规模后，系统仿真所需的软硬件资源和仿真时间都将呈指数级剧增，特别是在故障仿真中，若要遍历系统中所有器件的故障模式，仿真所需时间更是无法想象，可能长达几个月甚至几年。这样长时间的仿真是系统设计无法容忍的，而电路的行为建模方法是一种降低系统规模、提高电路仿真效率的有效方法。
目前已有一些行为建模方法，如专利号为ZL200810103446.1的专利《应用于SPICE电路仿真程序中的铁电电容行为模型》，但该类方法仅能针对固定的元器件进行建模。同时也存在一些应用于软件或硬件领域的建模方法，如专利号为200980143522.4的《在硬件系统上动态构建行为模型的系统和方法》、专利号为201010517588.X的《一种基于行为模型的软件安全性测试用例生成方法》等，但这些方法都无法应用于电路仿真。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种能够进行PSPICE仿真的故障电路行为建模方法，该方法具有简单高效、扩展性强、适用范围广等特点，能在不影响功能仿真结果的情况下大幅度降低故障电路仿真的时间。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，包括如下步骤：
A、设置仿真时间步骤：根据电子系统的功能特性，设置能够体现电路特征的仿真时间；
B、故障电路仿真步骤：根据所述仿真时间对电子系统的每个元器件可能存在的故障逐一进行PSPICE功能仿真，直到遍历完整个电子系统电路可能存在的所有故障模式为止，得到所有故障电路的PSPICE仿真结果；
C、特征参数提取步骤：利用所述故障电路的PSPICE仿真结果进行特征参数提取；
D、利用所提取的特征参数对电路输出信号的故障类别分类，所述故障类别是指电路故障后产生的不同种类的输出信号；
E、根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模；
F、对建模后的行为模型进行仿真验证输出结果，所述输出结果若与类特征值对应的仿真结果输出一致，则行为建模正确。
所述步骤A中，根据电子系统的功能特性，设置能够体现电路特征的仿真时间具体为：若电路是周期输出，则仿真时间设置为1-10个信号周期；其中，信号周期的个数由周期持续时间的长短确定。
所述步骤C中利用PSPICE仿真的结果进行特征参数提取，提取的特征参数具体为：
1)若仿真结果为周期信号，则提取该周期信号的初始化时间、信号占空比和频率；
2)若仿真结果为电平信号，则提取该电平信号的初始化时间、信号电平、与正常仿真结果的时延、电平差；
3)若仿真结果为数据总线，则提取数据总线的初始化时间、与正常仿真结果的欧式几何距离。
所述步骤D利用所提取的特征参数对信号的故障类别分类，具体为：
a)对所有电路故障输出信号的第一个特征参数进行统计；
b)提取重复数量大于预定值的特征参数，并归类称为类特征值；
c)设置一个距离值d，将距离d以内范围的类特征值归为同一类的类特征值；
d)将其它独立分布的类特征值进行独立分类；
e)将距离范围小于d的特征参数独立分类合并，得到第一特征参数的最终分类；
f)在第一个特征参数分类的基础上，对所有电路故障输出信号用第二个特征参数继续分类，分类方法与上述步骤a)-d)相同，直到所有的特征参数分析完成，分类结束。
所述根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模后的行为模型包括一个激励源、一个ROM器件和一个控制电路；其中，所述激励源为行为模型提供时钟信号和复位信号，该时钟信号的频率为行为模型输出信号的数据率，复位信号控制行为模型开始输出的时间；所述ROM器件，用于存储各种特征波形；所述控制电路，用于产生各特征类信号波形的辅助波形，该辅助波形与特征类信号波形叠加或进行逻辑与运算后作为行为模型的输出信号。
所述ROM器件存储的各种特征波形包括信号初始段波形和各特征类的信号波形。
所述控制电路还用于控制各类特征波形的具体输出时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的方法将故障电路的仿真结果进行特征参数提取及分类，通过控制输出各类信号特征波形的方式实现故障电路的行为建模，利用该方法仿真采用的仿真元器件较少，只需要简单的激励源、ROM器件和控制电路即可实现，具有较高的效率，所需的仿真时间远小于原电路的仿真时间，具有较强的扩展性和适用范围，通过ROM器件存储其它类型的特征类信号波形便能并更改控制参数便可实现其它电路的行为模型。
附图说明：
图1为本发明基于信号特征提取的故障电路行为建模方法流程图；
图2为本发明实施例用到的仿真电路；
图3为本发明实施例输出信号的特征统计图；
图4为本发明实施例的PSPICE故障行为模型图；
图5为本发明实施例PSPICE故障行为模型仿真输出示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明将故障电路的仿真结果进行特征参数提取及分类，通过控制输出各类信号特征波形的方式实现故障电路的行为建模，利用该方法仿真采用的仿真元器件较少，只需要简单的激励源、ROM器件和控制电路即可实现，具有较高的效率，所需的仿真时间远小于原电路的仿真时间，具有较强的扩展性和适用范围，下面具体说明。
如图1所示，本发明实施例提供的基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，包括如下步骤：
A、设置仿真时间步骤：根据电子系统的功能特性，设置能够体现电路特征的仿真时间。若电路是周期输出，则仿真时间设置为1-10个信号周期；其中，信号周期的个数由周期持续时间的长短确定，如时钟周期，每个周期只持续高低两个电平，则周期数可适当设多一点；功能特性是指系统的功能，不同的系统功能也不相同，仿真时间需要人为确定，这个属于外部输入，本领域技术人员可根据具体情况来设定。
B、故障电路仿真步骤：根据所述仿真时间对电子系统的每个元器件可能存在的故障逐一进行PSPICE功能仿真，直到遍历完整个电子系统电路可能存在的所有故障模式为止，得到所有故障电路的PSPICE仿真结果。
C、特征参数提取步骤：利用所述故障电路的PSPICE仿真结果进行特征参数提取。具体的，利用PSPICE仿真的结果进行特征参数提取，提取的特征参数具体为：
1)若仿真结果为周期信号，则提取该周期信号的初始化时间、信号占空比和频率；
2)若仿真结果为电平信号，则提取该电平信号的初始化时间、信号电平、与正常仿真结果的时延、电平差；
3)若仿真结果为数据总线，则提取数据总线的初始化时间、与正常仿真结果的欧式几何距离。
D、利用所提取的特征参数对电路输出信号的故障类别分类，所述故障类别是指电路故障后产生的不同种类的输出信号。具体如下：
a)对所有电路故障输出信号的第一个特征参数进行统计；
b)提取重复数量大于预定值(例如3)的特征参数，并归类称为类特征值；
c)设置一个距离值d，将距离d以内范围的类特征值归为同一类的类特征值；
d)将其它独立分布的类特征值进行独立分类；
e)将距离范围小于d的特征参数独立分类合并，得到第一特征参数的最终分类；
f)在第一个特征参数分类的基础上，对所有电路故障输出信号用第二个特征参数继续分类，分类方法与上述步骤a)-d)相同，直到所有的特征参数分析完成，分类结束。其中，距离值d根据实际情况确定，一般可设置为相邻类特征值距离差的一半，也可为更小的值。
E、根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模。
F、对建模后的行为模型进行仿真验证输出结果，所述输出结果若与类特征值对应的仿真结果输出一致，则行为建模正确。
其中，所述根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模后的行为模型包括一个激励源、一个ROM器件和一个控制电路；所述激励源为行为模型提供时钟信号和复位信号，该时钟信号的频率为行为模型输出信号的数据率，复位信号控制行为模型开始输出的时间；所述ROM器件，用于存储各种特征波形；所述控制电路，用于产生各特征类信号波形的辅助波形，该辅助波形与特征类信号波形叠加或进行逻辑与运算后作为行为模型的输出信号。所述ROM器件存储的各种特征波形包括信号初始段波形和各特征类的信号波形，仿真输出信号波形存储入该ROM器件。所述控制电路还用于控制各类特征波形的具体输出时间。
下面结合一个具体实例对本发明作更进一步的说明。
图2为本实施例的仿真电路框图，其功能是通过对一输入9.6MHz的模拟时钟信号转换为数字信号并进行15分频，最终产生一个640KHz的周期信号输出，输出信号名为A_TIMER。电路主要由9.6MHz差分晶振、输入电源、阻容滤波电路、差分转单端电路、十五分频电路等组成。9.6MHz差分晶振用于产生9.6MHz的差分时钟；输入电源用于产生5.5V的系统输入电压，阻容滤波电路为输入电源的滤波及分压网络，主要由电阻和电容等元器件组成，其输出为3.3V，5.5V，为系统其它各模块供电；差分转单端电路主要实现差分信号到单端信号的转换，内含AM26LS32，LM161等集成电路模块；十五分频电路主要完成数字时钟的15分频功能，由74LS161器件实现。下面对该分频电路的行为建模方法进行具体描述。
步骤1.设置仿真时间。由于该电路完成功能为时钟分频，输出信号也为一时钟信号，本例将仿真时间设置为30us，该时间段内除了信号初始化外，还可以产生9个周期的分频时钟信号；
步骤2.故障电路仿真，将电路中所有的器件的故障进行遍历仿真，产生出156个不同故障下的仿真结果；
步骤3.故障电路信号的特征提取，由于分频电路的输出为一时钟信号，我们对该输出信号的占空比和时钟频率两个特征参数进行提取，两个参数的特征值主要有：
(1)占空比：0％，49.99％，50％，50.01％
(2)频率：0Hz，640.KHz，639.95KHz，639.975KHz，640.05KHz，1.28MHz
提取结果如图3所示。
步骤4.利用所提取的特征参数对信号的故障类别分类，分类方法如下：(1)对分频信号的占空比参数进行统计，特征值主要集中在0％和50％；(2)将0和50％两个特征值作为类特征值；(3)设置一个距离值5％，将距离类特征值5％以内范围的特征值归为同一类特征值，则49.99％，50％，50.01％这三个特征值归为同一类；(4)继续利用第二个特征参数对信号进行归类，首先对占空比的第一个类特征值0％的频率参数进行统计，结果只有一个类特征值，即0Hz；(5)接着对占空比第二个类特征值50％的频率参数进行统计，特征值主要集中在0Hz、640KHz和1.28MHz；(6)将0Hz、640KHz和1.28MHz三个特征值作为类特征值；(7)设置一个距离值100Hz，将距离类特征值100Hz以内范围的特征值归为同一类特征值，则640KHz，639.95KHz，639.975KHz，640.05KHz这四个特征值归为同一类；因此，输出信号的故障类型可归纳为三类：故障类型1，占空比50％，频率为640KHz的信号与无故障情况下的输出一致，可认为是无明显异常；故障类型2，占空比0％，输出频率为0Hz的输出可认为为无输出异常；故障类型3，占空比为50％，频率为1.28MHz的输出可认为频率加快异常。则针对所有特征参数的故障分类情况如表1所示。
表1为实例特征参数的故障分类情况表
| 序号 | 故障类型 | 占空比 | 频率 |
| 1 | 无明显异常 | 50％ | 640KHz |
| 2 | 无输出异常 | 0％ | 0Hz |
| 3 | 频率加快异常 | 50％ | 1.28MHz |
步骤5.根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模，整个PSPICE故障行为模型由一激励源、一ROM器件和一控制电路组成，激励源由时钟信号和复位信号组成。由于频率为1.28MHz，占空比为50％的周期信号波形在一个周期内有1和0两个电平信号，因此其数据率为2.56MHz，则时钟信号的频率设置为1.28MHz；整个电路一开始到15.625us的时间内输出持续为低电平，因此复位信号的复位时间可设置在15.625us内的任意时刻。ROM器件用于存储各种特征波形，本实施例的特征波形主要有以下几类：(1)初始化信号波形，低电平，持续时间15.625us，需要1bit存储空间，分配地址空间0；(2)针对故障类型1的信号波形，需要4bit存储空间，存储{1，1，0，0}四个信号电平，分配地址空间1-4；(3)针对故障类型2的信号波形，需要1bit存储空间，存储信号电平0，分配地址空间5；(4)针对故障类型3的信号波形，需要2bit存储空间，存储{1，0}两个信号电平，分配地址空间6，7。因此，整个ROM器件用8bit的存储空间便可以描述整个电路的输出信号波形。控制电路用于产生特征类波形的辅助波形，本例只需要产生控制ROM的地址信号和使能信号，使能信号可以一直有效，针对所有的三种故障类型，在前40个时钟周期内，输出特征波形(1)对应的地址0，其余时刻根据故障的类型输出(2)、(3)、(4)中一种特征波形，即：针对故障类型1，周期性输出地址1-4；针对故障类型2，输出地址5；针对故障类型3，周期性输出地址6和7。所建的故障行为模型如图4所示。
步骤6.通过仿真对行为模型的输出进行验证，仿真结果如图5所示，仿真结果与类特征值对应的仿真结果输出一致，则认为行为建模正确。
从实施例可以看出：该方法建立的行为模型所需的元器件资源远小于原电路的元器件资源，原仿真电路进行一次仿真所需的时间为6秒，而行为建模后的仿真时间仅需要0.3秒，大幅度降低了电路仿真的时间。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。
Claims (5)
1.一种基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、设置仿真时间步骤：根据电子系统的功能特性，设置能够体现电路特征的仿真时间；
B、故障电路仿真步骤：根据所述仿真时间对电子系统的每个元器件可能存在的故障逐一进行PSPICE功能仿真，直到遍历完整个电子系统电路可能存在的所有故障模式为止，得到所有故障电路的PSPICE仿真结果；
C、特征参数提取步骤：利用所述故障电路的PSPICE仿真结果进行特征参数提取；
D、利用所提取的特征参数对电路输出信号的故障类别分类，所述故障类别是指电路故障后产生的不同种类的输出信号；
E、根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模；
F、对建模后的行为模型进行仿真验证输出结果，所述输出结果若与类特征值对应的仿真结果输出一致，则行为建模正确；
其中，所述步骤C中利用PSPICE仿真的结果进行特征参数提取，提取的特征参数具体为：
1)若仿真结果为周期信号，则提取该周期信号的初始化时间、信号占空比和频率；
2)若仿真结果为电平信号，则提取该电平信号的初始化时间、信号电平、与正常仿真结果的时延、电平差；
3)若仿真结果为数据总线，则提取数据总线的初始化时间、与正常仿真结果的欧式几何距离；
所述步骤D利用所提取的特征参数对信号的故障类别分类，具体为：
a)对所有电路故障输出信号的第一个特征参数进行统计；
b)提取重复数量大于预定值的特征参数，并归类称为类特征值；
c)设置一个距离值d，将距离d以内范围的类特征值归为同一类的类特征 值；
d)将其它独立分布的类特征值进行独立分类；
e)将距离范围小于d的特征参数独立分类合并，得到第一特征参数的最终分类；
f)在第一个特征参数分类的基础上，对所有电路故障输出信号用第二个特征参数继续分类，分类方法与上述步骤a)-d)相同，直到所有的特征参数分析完成，分类结束。
2.根据权利要求1所述的基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，其特征在于，所述步骤A中，根据电子系统的功能特性，设置能够体现电路特征的仿真时间具体为：若电路是周期输出，则仿真时间设置为1-10个信号周期；其中，信号周期的个数由周期持续时间的长短确定。
3.根据权利要求1或2所述的基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，其特征在于，所述根据分类结果在PSPICE软件中进行故障行为建模后的行为模型包括一个激励源、一个ROM器件和一个控制电路；
其中，所述激励源为行为模型提供时钟信号和复位信号，该时钟信号的频率为行为模型输出信号的数据率，复位信号控制行为模型开始输出的时间；
所述ROM器件，用于存储各种特征波形；
所述控制电路，用于产生各特征类信号波形的辅助波形，该辅助波形与特征类信号波形叠加或进行逻辑与运算后作为行为模型的输出信号。
4.根据权利要求3所述的基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，其特征在于，所述ROM器件存储的各种特征波形包括信号初始段波形和各特征类的信号波形。
5.根据权利要求3所述的基于信号特征提取的故障电路行为建模方法，其特征在于，所述控制电路还用于控制各类特征波形的具体输出时间。
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