CN105005015A

CN105005015A - 一种基于硬件电路故障注入的电路故障仿真系统

Info

Publication number: CN105005015A
Application number: CN201510197072.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋雯倩; 李刚; 龙东; 曾博; 卿柏元; 潘俊涛; 李泰霖; 杨有贤
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2015-10-28

Abstract

本发明属于电路硬件故障注入仿真领域，通过建立硬件仿真模型和电路故障模型库，通过外围软件修改硬件仿真模型的软件描述运行故障电路，从而得出故障电路的输出特性文件，通过实验验证了该故障模型的正确性，为复杂时序逻辑电路及集成电路的仿真测试提供了有力保障。

Description

一种基于硬件电路故障注入的电路故障仿真系统

技术领域

本发明涉及电路故障仿真领域，尤其是是关于智能电表数字电路的硬件故障电路仿真。

背景技术

智能电表的可靠性是智能电表质量的一个重要特征指标，而智能电表的各种故障与可靠性问题是直接反映了电网网络结构、运行管理和供电服务的水平，是国家电监会对电网企业的重要监管指标，也是电网企业对外服务承诺的核心指标。随着社会经济的快速发展，智能电表正在大幅度的应用，在各种新型号智能电表不断出现的过程中，其可靠性不稳定必定带来大量的质量诉求，因此需采用必要的技术手段在智能电表选型之前进行可靠性仿真评定。而当前对智能电表的可靠性验证与评定采用非常传统的可靠性方法(数据评估的方法)，该方法需要大量的数据为基础进行评定，且对一些数据源不准确的故障，一些归零难的故障，评定结果不够准确与真实，同时数据采集也比较繁琐，耗费大量的人力物力。同时完全基于软件的电路故障仿真，其元器件的软件模型对定义复杂，且模型参数不一定准确，仿真误差大。

发明内容

本发明的发明目的是：针对上述技术问题，提供一种能快速、准确提供智能电表可靠性验证与评定数据的数据源仿真系统。

本发明技术方案为：

一种基于硬件电路故障注入的电路故障仿真系统，包括电路仿真模块和电路故障注入模块，电路仿真模块是在硬件电路的基础上设计电路仿真模型，并通过电路仿真软件进行控制，电路仿真软件读取仿真接口文件并调用仿真器运行仿真，故障注入模块包括失效模式故障模型库、故障类型选择单元和故障注入单元，当进行电路故障注入仿真时，故障类型选择单元从失效模式故障模型库中选择故障模型，故障注入单元根据该故障模型修改仿真接口文件，电路仿真软件读取经过修改的仿真接口文件调用仿真器运行仿真，并输出电路故障文件从而进行故障电路特性分析。

优选地，所述电路仿真仿真模块基于EDA技术建立电路仿真模块。

优选地，所述电路仿真软件采用PSPICE。

优选地，所述电路仿真模型为智能电表半导体集成数字电路仿真模型。

优选地，所述故障模型包括元器件类型、失效模式和元器件位置。

优选地，所述元器件类型包括电阻、电容、二极管、集成稳压器、光电耦合器、电能计量芯片、开关、缓冲器。

优选地，所述失效模式包括断路、短路、参数漂移、输出固高、输出固低、输出错误、输出性能退化、输出延时、模拟输出失效、模拟端性能退化、低温不启动。

优选地，所述仿真接口文件为电路图拓扑结构的网单文件。

优选地，所述修改仿真接口文件是根据需要注入故障的元器件类型、故障类型、位置修改网单文件，生成描述电路故障状态的网单文件。

优选地，在注入故障之前，备份正常的电路的网单文件。

优先地，将输出的电路故障文件保存，并读取正常的电路的网单文件。

本发明有益效果是：通该硬件故障注入的仿真系统，获得了与真实智能电表硬件系统几乎相同的故障测试结果，能提供准确的评估数据，并且通过EDA技术再设计可对不同的硬件电路进行重新输入，适用不同的智能电表或者其他硬件电路的故障仿真，应用范围广泛，同时节省了对不同硬件测试的时间、人力、物力、方便快捷，具有通用性。

智能电表故障注入是指按照选定的故障模型，用人工的方法有意识的制造故障并施加于被研究的智能电表系统中，以诱发该智能电表系统的错误和失效的发生，同时观测和回收智能电表系统对所注入故障的反应信息，并对回收信息进行分析，并向试验者提供有关分析结果的实验过程。

智能电表电路功能可靠性仿真以基于EDA的电路故障仿真技术为核心，针对典型智能电表电路进行功能分解，根据性能分析和可靠性分析的要求制定故障注入的相关措施，在智能电表电路的仿真模型中注入元器件失效、参数偏差等影响因素，通过仿真技术进行智能电表电路的性能分析，从而得到智能电表电路的故障仿真数据以完成智能电表电路的可靠性验证分析工作。

在仿真环境下对智能电表电路中的集成器件注入故障，不仅可以避免智能电表硬件故障注入可能造成的损失，而且可以克服软件故障注入对智能电表电路中某些非程序控制器件不可达的缺点。

PSPICE是一种功能相当完善的EDA电路仿真软件，它给用户提供了友好的交互界面，同时它提供的接口部分可以很方便地扩展器件模型库并实现仿真数据交互。本发明着重分析了利用PSPICE进行智能电表半导体集成电路故障模式建模的方法，并通过实例验证了该方法的正确性以及进行智能电表电路仿真故障注入的可行性。

PSPICE具有强大而独特的仿真分析能力，使用它进行电路的故障仿真可以得到与真实硬件系统测试相当接近的结果，这不仅避免了实际测试带来的耗费，同时可以给设计人员提供相当准确的测试数据，故障仿真的灵活性更加方便了设计人员了解电路的抗干扰能力。通过建立PSPICE仿真环境下对应各种故障模式的故障仿真模型，并将元器件的故障模型注入电路进行仿真，从而实现电路的故障仿真。

此外，通过外围程序控制，可以实现仿真环境下电路的自动故障注入。使用PSPICE进行电路仿真自动故障注入的可行方案的基本原理框图如图1。

本发明使用VB编写了外围的程序控制平台，在选择待注入智能电表故障的元器件以及注入故障的类型后，自动提取智能电表电路结构描述文件进行修改，注入相应的故障模式模型，将注入故障后的智能电表电路进行仿真并收集电路故障仿真的结果，即实现了仿真环境下的自动故障注入，仿真分析的效果非常理想。

故障模式是对元器件发生的故障表现形式的一种定性语言描述，例如元器件短路、断路等。实现电路仿真故障注入的关键就是建立电路仿真环境下各类模拟器件和数字器件各种故障模式的故障模型。

以大多数模拟元器件为例，它们的故障模式主要为为开路、短路、参数漂移。对于阻抗类器件，通过更改元器件的特征阻抗值来实现其故障建模；对于非阻抗类模拟元器件，通过设置开路阻抗和短路阻抗的方法实现其开路和短路的故障建模，通过修改特征参数实现参数漂移的故障建模。试验证明，通过这样的方法在PSPICE仿真环境下进行电路的故障注入，其效果与真实硬件系统的测试结果非常接近。

半导体集成数字器件的故障模式主要有四种：短路、断路、输出失效和性能退化。其中断路和短路故障可以分别量化为断路阻抗无穷大和短路阻抗无穷小；输出失效是指器件的输出信号为错误信号，该模式可以分别量化为器件输出端输出高电平、低电平、错误电平等；性能退化主要是指器件的输出延迟时间增大，器件输出的高低电平范围发生变化，以及驱动电阻、电容值发生变化等，可通过更改PSPICE仿真中器件模型的接口参数予以量化。

对于断路故障：

数字器件在上电状态下其内部发生断路时，对应引脚通常会会表现为一个不定态；而在PSPICE电路仿真中，模拟量和数字量是分开分析的。根据以上特性，针对数字器件特殊编辑了断路故障模型器件，该故障模型器件适用于PSPICE中的全部数字器件，原理如图2所示。

其原理是以两个缓冲器和一个阻值为1e10Ω的大电阻串联而成，分别做到了数字信号隔离和设置断路阻抗的作用。将该模型器件化，命名为“KAILU”，其对应的模型定义如下。

数字器件CD4081B输入端IN以及输出端OUT开路的故障仿真实现如图3所示。

对于短路故障：

数字器件短路故障的建模方法有三种：第一种是短接待注入故障的引脚；第二种是设置短路阻抗无穷小，如阻值为1e-10Ω，当然这种方法有时会破坏 PSPICE中数字信号的完整性，但试验证明该方法的仿真效果与第一种完全相同；当数字器件的输出端连接模拟器件时，为了不破坏数字信号的完整性，特殊编辑了短路故障模型器件，原理如图4所示。

该模型器件中使用了四个缓冲器，在实现信号短路的同时保证了数字信号的完好形。将该模型器件化，命名为“QIAOJIE”，其对应的模型定义如下：

对于输出失效故障：

国军标299B和美军标217F中对数字器件的“输出失效”故障模式都没有给出具体定义，通过综合分析数字电路的特点及数字器件故障模式的相关资料，可以将数字器件的“输出失效”划分为“输出固定高态”、“输出固定低态”、“输出错误”三种模式。

1)输出固定高态

该模式是指无论数字器件的输入为什么状态，其某个或某几个输出引脚始终输出数字高电平。该故障模式的模型器件可以通过“或门”实现，其原理如图5A所示。

将该模型器件化，将其命名为“GUGAO”，在PSPICE中其对应的模型定义如下:

2)、输出固定低态

该模式是指无论数字器件的输入为什么状态，其某个输出引脚始终输出数字低电平。该故障模式的模型器件可以通过“与门”实现，其原理如图5B所示。

3)、输出错误

这种模式是指数字器件某个输出引脚始终输出与其应该输出状态相反的数字电平。该故障模式的模型器件可以通过“非门”实现，其原理如图5C所示。

对于性能退化故障：

数字器件“性能退化”指器件传输延迟时间的增大^[6]，输入、输出高低电平的限制范围发生变化以及输入/输出驱动电阻、电容值的变化等。根据对PSPICE中数字器件接口定义以及实际电路中“性能退化”故障模式体现形式的分析，将其划分为三类：“接口电平范围退化”、“信号传输时间退化”和“特征参数漂移”。

1)、接口电平范围退化

某些TTL数字器件逻辑电平状态对应的输出电压为：逻辑低电平对应0.09v，逻辑高电平对应3.5v，逻辑不定态对应1.35v，逻辑高阻态对应2.5v。当发生接口电平范围退化时，会导致这四种逻辑电平状态对应的输出电压发生变化。根据这样的特性，编辑单独定义接口电平范围的缓冲器作为故障模型器件，其功能仅仅是改变接口的逻辑电平所对应的输出电压范围或输入电压范围，在进行仿真故障注入时，将其串联在待注入故障的数字器件输入端或输出端即可。

2)、信号传输时间退化

这种故障模式是指信号通过器件的传输时间超过了额定的传输延迟时间，使用PSPICE中的数字信号传输延迟器件——DLYLINE建立其故障模型。

3)、特征参数漂移

对于数字器件在发生性能退化时其特性参数发生改变，如输入/输出阻抗值、输入/输出容抗值等发生变化，可以编辑具有单独接口特征参数定义的缓冲器作为其故障模型器件。

故障注入模型

本发明对数字器件共编辑了十种故障模式注入模型，模型名称和对应注入故障模式如表1所示。

表1 Pspice仿真故障注入器件及说明表

本发明使用智能电表计数型D/A转换器电路作为实例，对PSPICE仿真环境下半导体数字电路的故障注入进行说明，电路原理如图6。其中，U1、U2为10进制计数器74161，U3为8位D/A转换器，计数器对时钟信号clock进行计数，计数后的8位总线信号D0……D7送D/A转换器转换成模拟电压量，输出的电压通过比较电路，最终限幅在9V，OUT为输出端。

正常情况下智能电表电路仿真的输出波形图如图7所示；

通过直接修改PSPICE对每个仿真电路生成的网单文件对智能电表电路注入故障。网单文件中描述了电路中元器件电连接关系，通过在网单文件中添加故障模型器件或添加节点的描述语句的方法对该电路中的数字器件注入故障，仿真结果与直接进行电路图修改的效果相同，而且该方法可以使用外围程序控制，便于实现电路仿真故障注入的自动化。电路故障仿真结果图如图8所示。

本发明根据电路原理进行分析，并搭建了实际电路，将时钟信号的周期调整到20毫秒，使用示波器观察输出端OUT的电压信号波形，得到的结果与仿真故障注入的结果几乎完全相同。

本发明在模拟电路故障仿真基本实现的基础上着重分析并搭建了半导体集成数字电路故障模式建模仿真系统，并通过实例验证了该仿真系统的正确性以及试验结果的可信性。结果证明，在PSPICE仿真环境下搭建的数字电路以及数模混合电路的故障注入电路仿真系统是完全可行的。同时，该系统可通过硬件电路设计扩展电路故障仿真的适用范围，为复杂时序逻辑电路及集成电路的仿真测试提供了有力保障。

附图说明

图1是PSPICE仿真环境下电路自动故障注入的的基本原理框图；

图2是数字器件开路故障模型器件；

图3A是数字器件正常工作状态仿真模型；

图3B是数字器件输入端开路仿真模型；

图3C是数字器件输出端开路仿真模型；

图4是数字器件短路故障模型器件；

图5A是数字器件输出固定高态故障注入器件；

图5B是数字器件输出固定低态故障注入器件；

图5C是数字器件输出错误故障注入器件；

图6是智能电表计数型D/A转换器电路；

图7是计数型D/A转换器电路正常仿真结果图；

图8A是U3的10、11、12、13脚开路状态的仿真结果；

图8B是U2的11、12脚短路状态的仿真结果；

图8C是U4A的2脚始终输出高电平的仿真结果；

图9是本发明EDA仿真环境下电路自动故障注入实现的具体实施例；

图10是本发明基于OrCAD/PSpice的自动故障仿真实现流程图；

图11是本发明面向典型EDA工具的仿真接口软件功能流程图；

具体实施方式

本发明公开了一种基于硬件电路故障注入的电路故障仿真系统，包括电路仿真模块和电路故障注入模块，电路仿真模块是在硬件电路的基础上设计电路仿真模型，并通过电路仿真软件进行控制，电路仿真软件读取仿真接口文件并调用仿真器运行仿真，故障注入模块包括失效模式故障模型库、故障类型选择单元和故障注入单元，当进行电路故障注入仿真时，故障类型选择单元从失效模式故障模型库中选择故障模型，故障注入单元根据该故障模型修改仿真接口文件，电路仿真软件读取经过修改的仿真接口文件调用仿真器运行仿真，并输出电路故障文件从而进行故障电路特性分析。本发明的故障注入的实现原理的具体实施例如图9所示。

如图9所示，仿真故障注入完全由外围程序控制，用于进行失效模式的选取、故障注入以及故障仿真结果的自动提取。在自动故障注入的实现过程中，需要重点研究以下四个主要技术环节：

1)、EDA仿真软件仿真器的自动调用

2)、根据故障注入的模式和元器件类型选择故障注入模型

3)、通过修改EDA仿真软件接口文件的方式在电路仿真模型中注入故障

4)、故障仿真结果的自动提取

直接在电路图文件中注入故障时，其相应的网单文件也会随电路图文件的改变而改变，而运行PSpice A/D进行电路仿真要根据电路的网单文件获取电路的网络拓扑结构进而进行仿真，因此通过修改电路的网单文件也可以在电路中注入故障。以图3A所示元器件为例，电路正常状态下，在网单文件中对它的描述为：

X_U1A IN1 IN2 OUT$G_CD4000_VDD$G_CD4000_VSS CD4081B

其中“X_U1A”为网单文件中元器件CD4081B的代号，“IN1”、“IN2”、“OUT”分别为与其引脚相连的输入端、输出端节点名称，“$G_CD4000_VDD”、“$G_CD4000_VSS”为该器件的数字电源和数字地。改写网单文件，在网单文件中加入故障模型器件“GUGAO”后，网单文件如下：

X_U1A IN1 IN2 N00001$G_CD4000_VDD$G_CD4000_VSS CD4081B

X_U2 N00001 OUT$G_CD4000_VDD$G_CD4000_VSS GUGAO

“X_U2”为所加入的故障器件“GUGAO”，其相应原理图参见第四章图6。修改网单文件后，对电路进行仿真，其输出波形与修改电路图文件得到的效果完全相同。

本发明使用PSpice A/D作为其仿真器，运行仿真时需要读取电路的网络拓扑结构(网单文件)、仿真设置文件等作为仿真分析的必要因素，根据网单文件中的电路结构描述进行电路状态数学方程的列写与解算。实现基于OrCAD/PSpice的自动故障注入主要是实现PSpice A/D的自动调用和仿真接口文件修改，其主要步骤如下：

(1)根据需要注入故障的类型和位置修改网单文件，通过外围控制程序自动加入失效模式故障模型器件，完成元器件模型重组，生成描述电路故障状态的网单文件；

(2)调用PSpice A/D对电路故障模型进行仿真；

(3)观察故障仿真结果或通过外围控制程序对仿真结果直接提取。

OrCAD/PSpice环境下自动故障仿真的具体实现流程如图10所示。

仿真接口软件不是一个独立的软件整体，它需要与电路的性能分析平台相结合，以基于典型EDA工具的电路仿真模型为对象，实现电路的故障仿真与结果提取，本发明的接口软件的整体功能流程如图11所示。

表2罗列了本发明元器件故障注入类型的说明：

表2 OrCAD/PSpice仿真环境下的元器件故障注入类型说明

优选地，所述电路仿真软件采用PSPICE。

优选地，所述仿真接口文件为电路图拓扑结构的网单文件。

优选地，在注入故障之前，备份正常的电路的网单文件。

本发明通过搭建智能电表常用元器件的故障模式库，确定所有元器件的故障模式，并以这些元器件的故障模式作为基于故障仿真的智能电表可靠性验证的故障注入源头。本发明的部分常用元器件的故障模式库如表3所示。

表3故障模式库说明表

故障元件名称	故障模式	性能参数值
			C10	参数漂移	C＝36.3n
C10	参数漂移	C＝29.7n
			C10	1开路	C＝1F
…	…	…
			…	…	…
C8	参数漂移	C＝105n
			C8	参数漂移	C＝95n
C8	1开路	C＝1F
			D4	1开路
D4	"1,2短路"

D4	参数漂移
			…	…	…
D7	1开路
			D7	"1,2短路"
D7	参数漂移
			J1	参数漂移	R＝0.9
J1	参数漂移	R＝1.1
			J1	1开路
J1	"1,2短路"
			Z1	参数漂移	L＝10.5uH
Z1	参数漂移	L＝9.5uH
			Z1	1开路
Z1	"1,2短路"	L＝0
			…	…	…
Z4	参数漂移	L＝10.5uH
			Z4	参数漂移	L＝9.5uH
Z4	1开路
			Z4	"1,2短路"	L＝0
R1	参数漂移	R＝1.05k
			R1	参数漂移	R＝.95k
R1	1开路	R＝1E9
			R1	"1,2短路"	R＝1E-6
…	…	…
			R8	参数漂移	R＝1.05k
R8	参数漂移	R＝.95k
			R8	1开路	R＝1E9
R8	"1,2短路"	R＝1E-6

本发明的可靠性验证的部分结果如表4：

表4可靠性验证说明表

基于本发明，可对智能电表的故障仿真数据作为真实的智能电表故障数据，为智能电表的可靠性验证提供了快速有效的解决方案，显然，上述硬件电路可以不仅仅是智能电表，还可以是其他硬件电路的故障仿真，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种基于硬件电路故障注入的电路故障仿真系统,其特征在于：包括电路仿真模块和电路故障注入模块，电路仿真模块是在硬件电路的基础上设计电路仿真模型，并通过电路仿真软件进行控制，电路仿真软件读取仿真接口文件并调用仿真器运行仿真，故障注入模块包括失效模式故障模型库、故障类型选择单元和故障注入单元，当进行电路故障注入仿真时，故障类型选择单元从失效模式故障模型库中选择故障模型，故障注入单元根据该故障模型修改仿真接口文件，电路仿真软件读取经过修改的仿真接口文件调用仿真器运行仿真，并输出电路故障文件从而进行故障电路特性分析。

2.根据权利要求1所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述电路仿真仿真模块基于EDA技术建立电路仿真模块。

3.根据权利要求1所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述电路仿真软件采用PSPICE。

4.根据权利要求1所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述电路仿真模型为智能电表半导体集成数字电路仿真模型。

5.根据权利要求1所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述故障模型包括元器件类型、失效模式和元器件位置。

6.根据权利要求5所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述元器件类型包括电阻、电容、二极管、集成稳压器、光电耦合器、电能计量芯片、开关、缓冲器。

7.根据权利要求5所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述失效模式包括断路、短路、参数漂移、输出固高、输出固低、输出错误、输出性能退化、输出延时、模拟输出失效、模拟端性能退化、低温不启动。

8.根据权利要求1所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述仿真接口文件为电路图拓扑结构的网单文件。

9.根据权利要求8所述的电路故障仿真系统，其特征在于：所述修改仿真接口文件是根据需要注入故障的元器件类型、故障类型、位置修改网单文件，生成描述电路故障状态的网单文件。

10.根据权利要求8所述的电路故障仿真系统，其特征在于：在注入故障之前，备份正常的电路的网单文件。