CN105223941B - 硬件在回路故障注入系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硬件在回路故障注入系统，包括：故障注入矩阵，该故障注入矩阵包括多个行通道和多个列通道，这多个行通道中的每个行通道与这多个列通道中的每个列通道之间经由短路继电器耦接，信号模拟设备经由该故障注入矩阵中作为信号通道的相应若干个行通道耦接至待测设备，每个信号通道中安设有断路继电器；电源故障模拟单元，该电源故障模拟单元耦接至该故障注入矩阵中作为电源通道的行通道；以及故障注入监控单元，用于控制该故障注入矩阵的该短路继电器和该断路继电器的开关状态并监视各继电器的开关次数，其中，响应于故障注入指令，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择用于执行该故障注入指令的继电器。

Description

硬件在回路故障注入系统

技术领域

本发明涉及硬件在回路仿真，尤其涉及用于硬件在回路仿真的硬件在回路故障注入系统。

背景技术

根据复杂机载系统开发流程(SAE ARP4754A)和适航验证(CCAR33.28)的要求，航空发动机控制系统的研制应按照全数字仿真测试、硬件在回路仿真试验、半物理仿真验证、台架试车的顺序开展，以保证系统在所有的状态下功能、性能等方面符合系统的需求。

硬件在回路仿真试验是以真实发动机电子控制器(EEC)和监视装置(EMU)为试验对象，按照控制系统的系统要求设计测试用例，对控制系统的功能、性能、接口进行高效、全面的验证，尽早发现并克服设计缺陷，降低半物理仿真验证和台架试车的事故风险。硬件在回路仿真试验包括控制系统容错算法、故障诊断与故障隔离、信号处理、EMU的接口电路、指示告警、总线通讯等。

图1是示出了硬件在回路仿真系统的一般框图。实时仿真计算机上运行有各种发动机模型，诸如发动机气路模型、燃滑油系统模型、作动机构模型、传感器模型等。实时仿真计算机控制信号模拟设备，后者在实时仿真计算机的控制下模拟出供待测设备(即真实电子控制器)采集的各种信号。具体地，信号模拟设备可以是任何硬件在回路仿真电气信号模拟板卡，其板卡输入内容根据需求不同可为热电阻模拟板卡输出、热电偶模拟板卡输出、频率量模拟板卡输出、开关量模拟板卡输出、LVDT/RVDT模拟板卡输出、电桥信号模拟板卡输出等等。

信号模拟设备通过故障注入系统与待测设备，例如真实电子控制器连接。电子控制器中运行控制逻辑和控制软件。实时仿真计算机及其上运行的发动机及燃油系统模型、信号模拟设备、故障注入系统共同构成硬件在回路仿真系统，其中，故障注入系统为硬件在回路仿真系统的核心子系统。硬件在回路仿真系统的价格一般在百万人民币级，因此一个或多个型号燃油控制系统配备一套硬件在回路仿真系统。

传统的航空发动机硬件在回路故障注入系统构型见图1。该系统200包括故障注入矩阵210、继电器控制装置220、电源故障模拟设备230、以及断线盒240。故障注入矩阵210由“行”通道、“列”通道和继电器组成。“行”通道和“列”通道十字交叉，每个交叉点上都有一个继电器(211、212)，继电器控制行通道与列通道在相应交叉点处的连通和断开。每个行通道中设有继电器(213)以控制该行通道的通断。每个行通道是一条线缆，作为信号线将信号模拟设备的用于输出特定信号的特定输出端连接至待测设备的用于采集该特定信号的相应输入端。如上所述，信号模拟设备可以模拟供待测设备采集的各种信号，因此具有若干输出端，故障注入矩阵210的行通道的数量一般与信号模拟设备的输出端的数量相同。故障注入矩阵210具有两个列通道，其中一个列通道作为电源故障通道耦接至电源故障模拟设备230，另一列通道作为短路通道不连接外部设备。

对于信号模拟的信号线间短路故障，由短路继电器211、断路继电器213、和信号模拟设备配合进行。例如，要模拟待测设备的第一根信号线与第二根信号线之间短路，则继电器控制装置220可控制第一行短路继电器211闭合、第二行短路继电器211闭合、全部的断路继电器213闭合、其余短路继电器断开来实现。

对于信号模拟通道的对电源短路故障，由断路继电器213和电源故障注入继电器212配合实现。例如，要模拟待测设备的第一根信号线对电源短路，可将电源故障模拟设备230调整至输出期望的故障电压，继电器控制装置220可控制第一行电源故障注入继电器212闭合、全部的断路继电器213闭合来实现。

类似地，对于信号模拟通道的断路故障，由断路继电器213实现。例如，要模拟待测设备的第一根信号线的断路，则继电器控制装置220可控制第一个行通道中的断路继电器213断开来实现。

对于阻性短路、串扰等复杂故障注入，可通过断线盒240手工实现。

传统的故障注入系统存在如下缺点：

可靠性缺陷，由于所使用继电器触点存在有限寿命，故障注入设备可能会由于某些测试用例导致的某个继电器频繁使用而损坏。

安全性缺陷，电气系统故障注入是对被测设备具有潜在破坏性的危险实现，一旦测试用例逻辑出现错误，可能会导致被测设备(EEC、EMU)烧毁，造成较大的经济损失。传统航空发动机故障注入系统一般是由汽车发动机电子控制器故障注入系统演化而来，由于汽车电子控制器成本低，故这种损失对于汽车电子控制器故障注入试验是可接受，但对于航空发动机电子控制器故障注入试验是难以承受的。

功能缺失：

1)不易实现阻性、容性和感性以及混合电气特性自动故障注入能力；

2)不易驳接自动标定设备；

3)无法实现频带噪声注入；以及

4)由于内置不易更换断线盒导致的对微小信号的干扰，故电荷模拟信号、热电偶模拟信号无法实现自动故障注入功能。

可维护性缺陷，由于设备的寿命是不可预知，且可能会由于某些测试而快速缩短使用寿命，给设备的备件供应造成较大的不确定性，而且由于设备损坏与否是不能在用户使用前获知的，故可能会导致试验结果无效。

因此，本领域需要一种改善的适用于航空发动机领域的故障注入系统。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种硬件在回路故障注入系统，包括：

故障注入矩阵，该故障注入矩阵包括多个行通道和多个列通道，这多个行通道中的每个行通道与这多个列通道中的每个列通道之间经由短路继电器耦接，用于模拟待测设备的待采集信号的信号模拟设备的若干个输出端经由该故障注入矩阵中作为信号通道的相应若干个行通道耦接至待测设备的相应若干个输入端，每个信号通道中安设有断路继电器；

电源故障模拟单元，用于模拟电源线电气特性，该电源故障模拟单元耦接至该故障注入矩阵中作为电源通道的行通道；以及

故障注入监控单元，用于控制该故障注入矩阵的该短路继电器和该断路继电器的开关状态并监视各继电器的开关次数，

其中，响应于故障注入指令，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择用于执行该故障注入指令的继电器。

在一实例中，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择用于执行该故障注入指令的继电器进一步包括：

该故障注入监控单元解析用于实现该故障注入指令的所有继电器动作组合，计算每种继电器动作组合下的全部继电器开关次数的方差，并选择方差最小的继电器动作组合来执行该故障注入指令。

在一实例中，该故障注入系统还包括：

电流/电压测量单元，该电流/电压测量单元安设于该故障注入矩阵的该电源通道上，在执行信号对电源短路指令时，该故障注入监控单元响应于该电流/电压测量单元测得的电流或电压值大于安全阈值，通过控制相应的短路继电器来切断该电源故障模拟单元与信号通道之间的短路。

在一实例中，该故障注入指令是信号对电源短路指令，响应于信号对电源短路指令，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使特定列通道将该电源通道与要对电源短路的信号通道接通。

在一实例中，该故障注入指令是信号间短路指令，响应于信号间短路指令，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使特定列通道将彼此之间要短路的两个信号通道接通。

在一实例中，该故障注入矩阵的这多个列通道中的至少一些列通道耦接至程控电阻、程控电容、和程控电感中的至少一者以供在信号通道中选择性地引入阻抗特性。

在一实例中，该故障注入矩阵中的一个列通道作为公共端耦接至该程控电阻、该程控电容和该程控电感的一端，以及另三个列通道分别耦接至该程控电阻、该程控电容和该程控电感的另一端。

在一实例中，该故障注入指令是信号间并联阻抗指令，响应于信号间并联阻抗指令，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使耦接该程控电阻、该程控电容和该程控电感中任一者的两个列通道分别与彼此之间要并联阻抗的两个信号通道接通。

在一实例中，该故障注入指令是信号串联阻抗指令，响应于信号串联阻抗指令，该故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使耦接该程控电阻、该程控电容和该程控电感中任一者的两个列通道皆与要串联阻抗的信号通道接通。

在一实例中，其特征在于，该故障注入矩阵的这多个行通道中包括至少一个不与该信号模拟设备的任何输出端以及待测设备的任何输入端相连的冗余行通道，所示冗余行通道中安设有断路继电器，该故障注入矩阵中的至少一个列通道位于所有断路继电器的靠近待测设备的一侧以用作串联阻抗列通道，

其中使耦接该程控电阻、该程控电容和该程控电感中至少一者的两个列通道皆与要串联阻抗的信号通道接通进一步包括：

使耦接该程控电阻、该程控电容和该程控电感中任一者的该两个列通道中的一个列通道与要串联阻抗的信号通道接通，而另一个列通道与该冗余行通道接通，该串联阻抗列通道与要串联阻抗的信号通道以及该冗余行通道接通，并且断开要串联阻抗的信号通道中的断路继电器，而闭合该冗余行通道中的断路继电器。

在一实例中，该系统还包括：

自动标定单元，用于对供待测设备采集的信号执行标定，该自动标定单元耦接至该故障注入矩阵的一个列通道，其中，响应于自动标定指令，该故障注入监控单元控制相应的继电器的开关以使该信号模拟设备输出的特定信号经由相应的信号通道和列通道被该自动标定单元所采集以执行该特定信号的自动标定。

在一实例中，响应于开机自检指令，该故障注入监控单元控制该电源故障模拟单元输出预定电压值，该故障注入监控单元控制该故障注入矩阵的各继电器以使该电源故障模拟单元至该自动标定单元的通路依次经过所有继电器，该故障注入监控单元将该自动标定单元采集的电压与该预定电压值相比较以检查继电器故障。

在一实例中，该系统还包括：

噪声发生器，该噪声发生器耦接至该故障注入矩阵的一个列通道以选择性地引入噪声，响应于噪声注入指令，该故障注入监控单元控制相应的继电器以使耦接该噪声发生器的列通道与要引入噪声的信号通道接通。

在一实例中，该系统还包括：

断线盒和连接器，该断线盒可插拔地安设在该故障注入矩阵和待测设备之间，该连接器用于在不需要该断线盒时用该连接器代替该断线盒耦接该故障注入矩阵和待测设备。

在一实例中，该故障注入监控单元在该故障注入矩阵的继电器开关次数接近上限时进行报警。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了硬件在回路仿真系统的一般框图；

图2是示出了传统的航空发动机硬件在回路故障注入系统的框图；

图3是示出了根据本发明的一方面的硬件在回路故障注入系统的框图；

图4是示出了实现信号间并联阻抗指令的信号走向的示意图；以及

图5是示出了实现信号串联阻抗指令的信号走向的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图3是示出了根据本发明的一方面的硬件在回路故障注入系统300的框图。如图3所示，系统300可包括故障注入矩阵310。故障注入矩阵310可包括多个行通道R0-R6和多个列通道C1-C6，这多个行通道与这多个列通道之间彼此正交排列。如本领域技术人员所了解的，这里的行通道R0-R6和列通道C1-C6仅是示例性的，故障注入矩阵310可包括更多或更少的行通道和列通道。

每个行通道与每个列通道之间经由一继电器311耦接，当任一继电器311闭合时，该继电器耦接的行通道与列通道之间被接通(即，短路)，因此继电器311也被称为短路继电器。一些行通道中安设有继电器312，当任一继电器312断开时，该继电器所在的通道被断开，因此，继电器312也被称为断路继电器。注意，在图3所示的实例中，列通道C6位于所有断路继电器312的靠近待测设备302的一侧。这种布置并不是必需的，但是在信号串联阻抗注入指令的执行中，列通道C6可用作串联阻抗列通道实现信号串联阻抗注入。

如图3所示，故障注入矩阵310介于信号模拟设备301与待测设备302之间，以便在待测设备302的待采集信号中注入所需的故障。如上所述，信号模拟设备301可以是硬件在回路仿真信号的信号输出模拟板卡，具有若干输出端以输出可供待测设备的相应输入端(即采集通道)采集的模拟信号。这里的待测设备302可以是硬件在回路仿真的测试对象，例如，电子控制器、发动机监视装置或其他航空发动机控制系统其它控制设备。信号模拟设备301的这若干输入端经由故障注入矩阵310中的相应若干个行通道R1-R5耦接至待测设备302的相应若干个输入端(即，采集通道)，这些行通道R1-R5可被称为信号通道，信号通道中都安设有断路继电器312。

行通道R6不与信号模拟设备301和待测设备302相接，此行通道R6可被称为冗余行通道，以用于信号串联阻抗注入，如下文详细描述的。该冗余行通道中也安设有断路继电器312。这里示出了一根冗余行通道R6，容易理解，可以有更多的冗余行通道。

电源故障模拟单元330可以是任何具有程控功能的恒压源、恒流源，能模拟真实的电源线电气特性，以用于在信号通道中引入电源故障，例如使得某一信号对电源短路。电源故障模拟单元330耦接至故障注入矩阵310中的行通道R0，该行通道R0可被称为电源通道。如本领域技术人员所了解的，这里的信号通道R1-R5、电源通道R0仅是示例性而非限制性的，可选用不同的或不同数量的行通道作为信号通道和电源通道。例如，根据信号模拟设备301的所模拟的待采集信号的多少，可以有相应不同数量的行通道作为信号通道来传送这些待采集信号。

短路继电器311和断路继电器312的配合可以实现信号间短路、信号断路、信号对电源短路等各种故障。为了表述方便，将行通道Rm(m＝0…6)和列通道Rn(n＝1…6)间的短路继电器311记为SSmn，例如将行通道R0与列通道C1间的短路继电器311记为SS01、与列通道C2间的短路继电器311记为SS02…，依此类推；将行通道R1与列通道C1间的短路继电器311记为SS11、与列通道C2间的短路继电器311记为SS12…，依此类推。另外，将行通道Rm(m＝1…6)中的断路继电器312记为SCm。例如，将R1行的断路继电器312记为SC1，…R6行的断路继电器312记为SC6。

在无故障注入的情况下，各断路继电器312应该是闭合的以保持信号畅通，而短路继电器311应该是断开的，以保持各信号之间无串扰。在引入故障时，例如当短路继电器SS01闭合时，电源通道R0与信号通道R1接通，导致信号通道R1对电源短路。当短路继电器SS11闭合时，信号通道R1和R2之间接通，导致两个信号之间短路。当断路继电器SC1断开时，信号通道R1断开，导致这一路的信号断路。

根据本发明的一方面，系统300可包括故障注入监控单元320。故障注入监控单元320可接收外部控制指令，并相应地控制故障注入矩阵310以执行该外部控制指令，例如故障注入指令。具体地，故障注入监控单元320可控制故障注入矩阵310的各个继电器311、312的开关状态以实现特定的故障注入指令。

在故障注入矩阵310的使用过程中，故障注入监控单元320可监视各继电器的开关次数，例如对各继电器的开关次数进行计数，每个继电器开关一次，就更新该继电器的开关次数。响应于特定的故障注入指令，故障注入监控单元320可基于各继电器的开关次数来选择用于执行该故障注入指令的继电器。

由于所使用继电器触点存在有限寿命，故障注入矩阵310可能会由于某些测试用例导致的某个继电器频繁使用而损坏，从而导致整个系统300不可用。事实上，在本发明的故障注入矩阵310的架构中，许多故障注入指令并不一定必须由唯一的继电器组合才能实现。

以信号对电源短路故障为例，为了模拟信号通道R1对电源通道R0的短路，可以通过闭合短路继电器组合(SS01，SS11)、(SS02，SS12)、(SS03，SS13)、(SS04，SS14)、(SS05，SS15)、(SS06，SS16)中的任意一者来实现。类似地，以信号间短路故障为例，为了模拟信号通道R1与信号通道R2间的短路，则可以通过闭合短路继电器组合(SS11，SS21)、(SS12，SS22)、(SS13，SS23)、(SS14，SS24)、(SS15，SS25)、(SS16，SS26)中的任意一者来实现。

相应地，在本发明中，若某一指令对应的故障可由多种继电器组合实现，则根据统计结果选择使用频率最低的一组/一个继电器，以此保证均匀分配继电器使用频率，提高系统整体可靠性与寿命。

在一实例中，故障注入监控单元320可首先解析实现该故障注入指令的所有继电器动作组合，计算每种继电器动作组合下的全部继电器开关次数的方差，最终选择方差最小的继电器动作组合来执行该故障注入指令。由于所有继电器的开关次数的方差可反应各继电器的使用频率的平均程度，方差越小，则各继电器的使用频率愈趋平均。因此，若采用某一继电器动作组合后继电器开关次数的方差最小，则代表使用该继电器动作组合在提供系统整体寿命方面是最优的。

故障注入监控单元320可具有相关联的存储器380，以用于存储所统计的各开关的次数。存储器380还可存储故障注入监控单元320所执行的指令以使供故障注入监控单元320读取。在一实例中，故障注入监控单元320还可在故障注入矩阵310的各继电器开关次数接近上限时进行报警。由此，故障注入监控单元320可根据历史使用情况进行余寿预估并发出更换指示，提高了系统的可维护性。

在一实例中，系统300可包括电流/电压测量单元370。电流/电压测量单元370可安设于电源通道R0上以监视信号线对电源短路情况下电流和电压状态。一些故障注入例如信号对电源短路故障可能由于电流过大而烧坏系统组件，从而带来巨大损失。在此实例中，一旦电流/电压测量单元370测得的电流或电压值超过安全阈值，则故障注入监控单元320立即控制相应的短路继电器以切断电源故障模拟单元330与信号通道之间的短路。电流/电压测量单元370可以是任何电流/电压测量组件或电路组合，例如霍尔式电流传感器、使用运放分压的电压测量电路等。

根据本发明的一方面，故障注入矩阵310中的至少一些列通道耦接至程控电阻、程控电容、和程控电感中的至少一者以在信号通道中选择性地引入阻抗特性。由此能够实现电阻、电容、电感混合特性短路故障注入功能。利用故障注入矩阵310中的程控电阻313、程控电容314、程控电感315，结合相关继电器通断，能实现将以上阻抗切换至任何线路上。

在如图3所示的实例中，一个列通道C2作为公共端耦接至程控电阻313、程控电容314和程控电感315的一端，另三个列通道C1、C3、C4分别耦接至程控电阻313、程控电容314和程控电感315的另一端。注意，图3中所示的耦接阻抗的方式进行说明性而非限制性的，本领域技术人员了解，可以有各种不同的方式使用列通道来引入阻抗。例如，图3所示的实例中，为了减少列通道的数目，使用了列通道C2作为公共端耦接至程控电阻313、程控电容314和程控电感315的一端。显然，这并不是必需的，也可以分别采用独立的两根列通道来耦接程控电阻313、程控电容314和程控电感315中的每一者，而不背离本发明的范围。

根据本发明的一方面，系统300还可包括自动标定单元350。自动标定单元350可耦接至故障注入矩阵310的一个列通道，例如如图3所示的列通道C6。在长期进行的测试中，信号模拟设备301模拟的信号的大小可能随时间而产生漂移。为了能精确地进行测试，在测试之前可对信号模拟设备301产生的信号先进行采集，得到实际采集到的信号与信号模拟设备301产生的模拟信号之间的对照表。最终，信号模拟设备301可根据该对照表来调整产生的模拟信号以使得能产生标准的模拟信号。这个过程被称为自动标定过程。

在此实例中，通过故障注入矩阵310的列通道C6从而能够方便地驳接自动标定单元350，并且通过列通道C6与各信号通道之间的短路继电器311的开关控制，能够方便地对任何信号通道上的信号进行标定。响应于自动标定指令，故障注入监控单元320可控制相应的继电器的开关以使信号模拟设备301输出的特定信号经由相应的信号通道和列通道被自动标定单元350所采集以执行该特定信号的自动标定。

特别地，在自动标定单元350的此驳接架构下，可以实施系统300的开机自检，以检测继电器触电是否正常导通和关断，保证正确可靠的故障测试结果。为此，在本发明中，使用电源故障模拟单元330提供一个恒定的直流电压源，通过相应的继电器将该电压源切换至自动标定单元350。当自动标定单元350采集到直流电压源的输出电压，即可判断该通路上的所有继电器有效。由于该通路(相应的，该通路上的继电器组合)不是唯一的，且各继电器组合的集合可以覆盖到所有继电器，故可通过该方式实现开机自检对所有继电器的覆盖。

在一实例中，响应于开机自检指令，故障注入监控单元320可控制电源故障模拟单元330输出预定电压值，并且控制故障注入矩阵310的各继电器以使电源故障模拟单元330至自动标定单元360的通路依次经过所有继电器，故障注入监控单元320可将自动标定单元350采集的电压与该预定电压值相比较以检查继电器故障。

实践中，可以任何合适的方式来遍历故障注入矩阵310内的所有继电器。例如，可以以下步骤执行自检：

a)故障注入监控单元320接收开机自检指令；

b)故障注入监控单元320控制电源故障模拟单元330输出一个固定的电压值；

c)故障注入监控单元320控制短路继电器SS01闭合，使列通道C1接通电源；

d)故障注入监控单元320控制继电器(例如，在列通道C1接通电源的情况下，短路继电器SS11闭合、断路继电器SC1闭合、短路继电器SS16闭合)，使电源通过行通道R1接入自动标定单元350，由后者监测电源故障模拟单元330输出的电压；

e)故障注入监控单元320控制继电器(例如，在列通道C1接通电源的情况下，短路继电器SS21闭合、断路继电器SC2闭合、短路继电器SS26闭合)，使电源通过下一行通道R2接入自动标定单元350，由后者监测电源故障模拟单元330输出的电压，依此控制方式直至遍历所有行通道；

f)故障注入监控单元320控制短路继电器SS02闭合，使下一列通道C2接通电源，重复d)和e)的过程，直至遍历所有列通道；

g)故障注入监控单元320比较自动标定单元350采集的电压与电源故障模拟单元330的输出值；

h)若两者一致，则通过自检；否则，排查出哪个继电器发生故障。

根据本发明的一方面，系统300还可包括噪声发生器360，后者可以是任何具有程控噪声产生能力的装置。噪声发生器360可耦接至故障注入矩阵310的一个列通道以选择性地引入噪声。在图3所示的实例中，噪声发生器360也耦接至列通道C6，从而与自动标定单元共用一根列通道。这是因为自动标定单元350采集端占用的通道仅在开机自检和自动标定过程中使用，故该噪声注入通道可与自动标定单元350占用的通道共用，减少继电器数量。然而，这并不是必需的，噪声发生器360可使用独立的列通道作为噪声注入通道而不背离本发明的范围。另外，尽管列通道C6被称为噪声注入通道，但是在不需要引入噪声的情况下，可以控制噪声发生器360不产生任何噪声，此时，列通道C6仍可作使行通道之间短路的短路通道之用。

根据本发明的一方面，系统300还可包括外接的断线盒340和连接器341。断线盒340可插拔地安设在故障注入矩阵310和待测设备302之间。在故障注入需要断线盒340的介入的情况下，可以通过断线盒340将故障注入矩阵310和待测设备302相接(图中以虚线框B示出)，而在不需要断线盒340的介入(绝大多数故障注入环境)的情况下，可以拆掉断线盒，用连接器341连接故障注入矩阵310和待测设备302(图中以虚线框A示出)。通过将断线盒340设计为可插拔的附件，在实现微小信号故障自动注入功能时，避免了断线盒对微小信号的干扰。

故障注入监控单元320可在接收外部控制指令后控制系统300的各种功能实现。故障注入监控单元320可以是任何具有数据采集、计算、继电器控制信号输出功能的嵌入式计算机、处理器和电流电压采集、继电器开关、总线通信板卡的组合。实践中，故障注入监控单元320可通过硬线连接电流/电压测量单元370、故障注入矩阵310，另外可通过总线连接电源故障模拟单元330、自动标定单元350、噪声发生器360和存储器380。

在收到外部控制指令(例如，故障注入指令)时，故障注入监控单元320可将指令解码后分别控制故障注入矩阵310、电源故障模拟单元330、自动标定单元350、噪声发生器360来实现该指令。下文分别对一些故障注入指令为例对系统300的故障注入特点进行介绍。

若故障注入指令为信号对电源短路指令，则响应于该指令，故障注入监控单元320可基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使特定列通道将电源通道与要对电源短路的信号通道接通。实践中，信号对电源短路指令的执行过程可执行如下：

a)系统上电自检后，所有断路继电器312闭合，其余继电器断开，信号模拟设备301模拟正常信号；

b)故障注入监控单元320接收信号对电源短路指令，该指令要求第n根信号通道(Rp，p＝1…5)对电源(R0)短路；

c)故障注入监控单元320从存储器380中读取历史所有继电器的开关次数；

d)故障注入监控单元320计算实现该指令的所有继电器动作组合：闭合(SS0i,SSpi|i＝1…6)；

e)故障注入监控单元320计算每个继电器动作组合下所有继电器开关次数的方差；

f)故障注入监控单元320选择方差最小的继电器动作组合控制故障注入矩阵继电器动作；

g)故障注入监控单元320监测电流/电压测量单元370测得的电流或电压，在测得的电流或电压超过安全阈值时，控制被选择用于执行该指令的继电器断开，并记录故障前后15s的数据；

h)故障注入监控单元320向存储器380写入更新后的继电器开关次数；

i)待测设备302接收故障注入后的信号。

以信号对电源短路指令要求第3根信号通道(即，n＝3)R3对电源通道R0短路为例，可闭合继电器组合(SS01，SS31)、(SS02，SS32)、(SS03，SS33)、(SS04，SS34)、(SS05，SS35)、(SS06，SS36)中的任意一者来实现该指令。若其中一组继电器组合的使用次数相比于其他组合明显较小，从统计学而言，使用该继电器动作组合后所有继电器开关次数的方差显然最小，则故障注入监控单元320使用该继电器动作组合来实现该信号对电源短路指令。

注意，这里的算法步骤仅是为了理解而示例性地示出的。应理解并领会，这些步骤不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生。而且，一些步骤并不是必需的，或者是可以替换的。

若故障注入指令为信号间短路指令，则响应于该指令，故障注入监控单元320可基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使特定列通道将彼此之间要短路的两个信号通道接通。实践中，信号间短路指令的执行过程可执行如下：

a)系统上电自检后，所有断路继电器312闭合，其余继电器断开，信号模拟设备301模拟正常信号；

b)故障注入监控单元320接收信号间短路指令，该指令要求第p根信号通道(Rp，p＝1…5)与第q根信号通道(Rq，q＝1…5)之间短路，其中p≠q；

c)故障注入监控单元320从存储器380中读取历史所有继电器的开关次数；

d)故障注入监控单元320计算实现该指令的所有继电器动作组合：闭合(SSpi,SSqi|i＝1…6)；

e)故障注入监控单元320计算每个继电器动作组合下所有继电器开关次数的方差；

f)故障注入监控单元320选择方差最小的继电器动作组合控制故障注入矩阵继电器动作；

g)故障注入监控单元320向存储器380写入更新后的继电器开关次数；

h)待测设备302接收故障注入后的信号。

若故障注入指令为信号间并联阻抗指令，则响应于该指令，故障注入监控单元320可基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使耦接程控电阻313、程控电容314和程控电感315中任一者的两个列通道分别与彼此之间要并联阻抗的两个信号通道接通。实践中，信号间并联阻抗指令的执行过程可执行如下：

a)系统上电自检后，所有断路继电器312闭合，其余继电器断开，信号模拟设备301模拟正常信号；

b)故障注入监控单元320接收信号间并联阻抗指令，该指令要求第p根信号通道(Rp，p＝1…5)与第q根信号通道(Rq，q＝1…5)之间并联阻抗，其中p≠q，并且若并联阻抗为纯阻性阻抗，则控制调整程控电阻313的电阻值；若并联阻抗为容性阻抗，则控制调整程控电容314的电容值；若并联阻抗为感性阻抗，则控制调整程控电感315的电感值；

c)故障注入监控单元320从存储器380中读取历史所有继电器的开关次数；

d)故障注入监控单元320计算实现该指令的所有继电器动作组合：若并联阻抗为纯阻性阻抗，则可闭合(SSp1,SSq2)或(SSp2,SSq1)；若并联阻抗为容性阻抗，则可闭合(SSp2,SSq3)或(SSp3,SSq2)；若并联阻抗为感性阻抗，则可闭合(SSp2,SSq4)或(SSp4,SSq2)；

e)故障注入监控单元320计算每个继电器动作组合下所有继电器开关次数的方差；

f)故障注入监控单元320选择方差最小的继电器动作组合控制故障注入矩阵继电器动作；

g)故障注入监控单元320向存储器380写入更新后的继电器开关次数；

h)待测设备302接收故障注入后的信号。

以信号间并联阻抗指令要求在信号通道R3和R5之间并联容性阻抗为例，可闭合(SS32,SS53)或(SS33,SS52)来实现该容性阻抗的并联。若继电器组合(SS32,SS53)的使用次数相比于组合(SS33,SS52)明显较少，从统计学而言，使用该继电器动作组合后所有继电器开关次数的方差显然更小，则故障注入监控单元320使用该继电器动作组合(SS32,SS53)来实现该信号间并联阻抗指令。图4中示出了使用继电器动作组合(SS32,SS53)来实现该信号间并联阻抗指令的信号走向。

若故障注入指令为信号串联阻抗指令，则响应于该指令，故障注入监控单元320可基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使耦接程控电阻313、程控电容314和程控电感315中任一者的两个列通道皆与要串联阻抗的信号通道接通。

在一实例中，可以使耦接程控电阻313、程控电容314和程控电感315中任一者的两个列通道中的一个列通道与要串联阻抗的信号通道接通，而另一个列通道与冗余行通道(例如，R6)接通，串联阻抗列通道(例如，C6)与要串联阻抗的信号通道以及该冗余行通道接通，并且断开要串联阻抗的信号通道中的断路继电器，而闭合该冗余行通道中的断路继电器(例如，SC6)。实践中，该信号串联阻抗指令可执行如下：

a)系统上电自检后，所有断路继电器312闭合，其余继电器断开，信号模拟设备301模拟正常信号；

b)故障注入监控单元320接收信号串联阻抗指令，该指令要求第p根信号通道(Rp，p＝1…5)串联阻抗，并且若串联阻抗为纯阻性阻抗，则控制调整程控电阻313的电阻值；若串联阻抗为容性阻抗，则控制调整程控电容314的电容值；若串联阻抗为感性阻抗，则控制调整程控电感315的电感值；

c)故障注入监控单元320从存储器380中读取历史所有继电器的开关次数；

d)故障注入监控单元320计算实现该指令的所有继电器动作组合：若串联阻抗为纯阻性阻抗，则可闭合(SSp1,SS62,SC6,SS66,SSp6)且断开SCp、或闭合(SS61,SSp2,SC6,SS66,SSp6)且断开SCp；若串联阻抗为容性阻抗，则可闭合(SSp2,SS63,SC6,SS66,SSp6)且断开SCp、或闭合(SS62,SSp3,SC6,SS66,SSp6)且断开SCp；若串联阻抗为感性阻抗，则可闭合(SSp2,SS64,SC6,SS66,SSp6)且断开SCp、或闭合(SS62,SSp4,SC6,SS66,SSp6)且断开SCp；

e)故障注入监控单元320计算每个继电器动作组合下所有继电器开关次数的方差；

f)故障注入监控单元320选择方差最小的继电器动作组合控制故障注入矩阵继电器动作；

g)故障注入监控单元320向存储器380写入更新后的继电器开关次数；

h)待测设备302接收故障注入后的信号。

注意，上述继电器组合是以冗余行通道为R6、串联阻抗列通道为C6为例示出的。在使用不同的冗余行通道和阻抗列通道的情况下，可使用不同的继电器组合。

以信号串联阻抗指令要求在信号通道R3中串联容性阻抗为例，可闭合(SS32,SS63,SC6,SS66,SS36)且断开SC3、或闭合(SS61,SS32,SC6,SS66,SS36)且断开SC3来实现该容性阻抗的串联。若继电器组合(SS32,SS63,SC6,SS66,SS36)和SC3的使用次数相比于组合(SS61,SS32,SC6,SS66,SS36)和SC3明显较少，从统计学而言，使用该继电器动作组合后所有继电器开关次数的方差显然更小，则故障注入监控单元320使用该继电器动作组合，即闭合(SS32,SS63,SC6,SS66,SS36)且断开SC3来实现该信号间并联阻抗指令。图5中示出了使用该继电器动作组合来实现该信号串联阻抗指令的信号走向。

若故障注入指令为噪声注入指令，则响应于该指令，故障注入监控单元320可控制相应的继电器以使耦接噪声发生器360的列通道与要引入噪声的信号通道接通。噪声注入指令的执行过程可如下进行：

a)系统上电自检后，所有断路继电器312闭合，其余继电器断开，信号模拟设备301模拟正常信号；

b)故障注入监控单元320接收噪声注入指令，该指令要求向第p根信号通道(Rp，p＝1…5)中注入噪声；

c)故障注入监控单元320控制噪声发生器360输出所期望引入的噪声(例如，信号峰值为1V的高斯白噪声)；

d)故障注入监控单元320控制继电器SSp6闭合；

e)故障注入监控单元320向存储器380写入更新后的继电器开关次数；

f)待测设备302接收故障注入后的信号。

注意，上述继电器组合是以噪声注入通道为C6为例示出的。在使用不同的噪声注入通道的情况下，可使用不同的继电器组合。

若故障注入指令为信号断路指令，则该指令的执行过程可如下进行：

a)系统上电自检后，所有断路继电器312闭合，其余继电器断开，信号模拟设备301模拟正常信号；

b)故障注入监控单元320接收信号断路指令，该指令要求第p根信号通道(Rp，p＝1…5)断路；

c)故障注入监控单元320控制断路继电器SCp闭合；

d)故障注入监控单元320向存储器380写入更新后的继电器开关次数；

e)待测设备302接收故障注入后的信号。

本发明通过对故障注入矩阵构型的设计以及故障注入控制功能的优化和监视功能的增加，提高了系统被测设备在硬件在回路仿真试验过程中的安全性，增加了系统的可维护性与可靠性。通过断线盒连接关系的改造，增加了系统试验中必须的微小信号故障注入功能。通过自动标定单元和噪声发生器的引入，可方便实现任意频带噪声故障注入功能，并实现通道的自动标定功能。

被测设备安全性的提高降低了系统以外损坏的风险，不但降低了成本也减少了试验中测试备件的数量。可靠性的提高减少了由于测试设备非正常损坏造成测试项目延期的可能性，有助于项目的正常开张。可维护性的提高降低了易损件的更换频率与更换时间，潜在带来了系统维护成本的降低。微小信号自动故障注入功能的与噪声注入功能的增加提高了测试的效率，并且所有的测试过程可以使用唯一的测试用例实现，提高了测试效率并方便了测试结果的复现。

本领域技术人员将可理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (15)

1.一种硬件在回路故障注入系统，包括：

故障注入矩阵，所述故障注入矩阵包括多个行通道和多个列通道，这多个行通道中的每个行通道与这多个列通道中的每个列通道之间经由短路继电器耦接，用于模拟待测设备的待采集信号的信号模拟设备的若干个输出端经由所述故障注入矩阵中作为信号通道的相应若干个行通道耦接至待测设备的相应若干个输入端，每个信号通道中安设有断路继电器；

电源故障模拟单元，用于模拟电源线电气特性，所述电源故障模拟单元耦接至所述故障注入矩阵中作为电源通道的行通道；以及

故障注入监控单元，用于控制所述故障注入矩阵的所述短路继电器和所述断路继电器的开关状态并监视各继电器的开关次数，

响应于故障注入指令，所述故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择用于执行所述故障注入指令的继电器。

2.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择用于执行所述故障注入指令的继电器进一步包括：

所述故障注入监控单元解析用于实现所述故障注入指令的所有继电器动作组合，计算每种继电器动作组合下的全部继电器开关次数的方差，并选择方差最小的继电器动作组合来执行所述故障注入指令。

3.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入系统还包括：

电流/电压测量单元，所述电流/电压测量单元安设于所述故障注入矩阵的所述电源通道上，在执行信号对电源短路指令时，所述故障注入监控单元响应于所述电流/电压测量单元测得的电流或电压值大于安全阈值，通过控制相应的短路继电器来切断所述电源故障模拟单元与信号通道之间的短路。

4.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入指令是信号对电源短路指令，响应于信号对电源短路指令，所述故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使特定列通道将所述电源通道与要对电源短路的信号通道接通。

5.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入指令是信号间短路指令，响应于信号间短路指令，所述故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使特定列通道将彼此之间要短路的两个信号通道接通。

6.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入矩阵的这多个列通道中的至少一些列通道耦接至程控电阻、程控电容、和程控电感中的至少一者以供在信号通道中选择性地引入阻抗特性。

7.如权利要求6所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入矩阵中的一个列通道作为公共端耦接至所述程控电阻、所述程控电容和所述程控电感的一端，以及另三个列通道分别耦接至所述程控电阻、所述程控电容和所述程控电感的另一端。

8.如权利要求6所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入指令是信号间并联阻抗指令，响应于信号间并联阻抗指令，所述故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使耦接所述程控电阻、所述程控电容和所述程控电感中任一者的两个列通道分别与彼此之间要并联阻抗的两个信号通道接通。

9.如权利要求6所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入指令是信号串联阻抗指令，响应于信号串联阻抗指令，所述故障注入监控单元基于各继电器的开关次数来选择相应的继电器以使耦接所述程控电阻、所述程控电容和所述程控电感中任一者的两个列通道皆与要串联阻抗的信号通道接通。

10.如权利要求9所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入矩阵的这多个行通道中包括至少一个不与所述信号模拟设备的任何输出端以及待测设备的任何输入端相连的冗余行通道，所示冗余行通道中安设有断路继电器，所述故障注入矩阵中的至少一个列通道位于所有断路继电器的靠近待测设备的一侧以用作串联阻抗列通道，

其中使耦接所述程控电阻、所述程控电容和所述程控电感中至少一者的两个列通道皆与要串联阻抗的信号通道接通进一步包括：

使耦接所述程控电阻、所述程控电容和所述程控电感中任一者的所述两个列通道中的一个列通道与要串联阻抗的信号通道接通，而另一个列通道与所述冗余行通道接通，所述串联阻抗列通道与要串联阻抗的信号通道以及所述冗余行通道接通，并且断开要串联阻抗的信号通道中的断路继电器，而闭合所述冗余行通道中的断路继电器。

11.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，还包括：

自动标定单元，用于对供待测设备采集的信号执行标定，所述自动标定单元耦接至所述故障注入矩阵的一个列通道，其中，响应于自动标定指令，所述故障注入监控单元控制相应的继电器的开关以使所述信号模拟设备输出的特定信号经由相应的信号通道和列通道被所述自动标定单元所采集以执行所述特定信号的自动标定。

12.如权利要求11所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，响应于开机自检指令，所述故障注入监控单元控制所述电源故障模拟单元输出预定电压值，所述故障注入监控单元控制所述故障注入矩阵的各继电器以使所述电源故障模拟单元至所述自动标定单元的通路依次经过所有继电器，所述故障注入监控单元将所述自动标定单元采集的电压与所述预定电压值相比较以检查继电器故障。

13.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，还包括：

噪声发生器，所述噪声发生器耦接至所述故障注入矩阵的一个列通道以选择性地引入噪声，响应于噪声注入指令，所述故障注入监控单元控制相应的继电器以使耦接所述噪声发生器的列通道与要引入噪声的信号通道接通。

14.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，还包括：

断线盒和连接器，所述断线盒可插拔地安设在所述故障注入矩阵和待测设备之间，所述连接器用于在不需要所述断线盒时用所述连接器代替所述断线盒耦接所述故障注入矩阵和待测设备。

15.如权利要求1所述的硬件在回路故障注入系统，其特征在于，所述故障注入监控单元在所述故障注入矩阵的继电器开关次数接近上限时进行报警。