， ，，

(1.江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司，江蘇 靖江 214500； 2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

具有良好測(cè)試性的系統(tǒng)和設(shè)備，在使用時(shí)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提高執(zhí)行任務(wù)的可靠性與安全性[1-3]；在維修保障過(guò)程中能夠快速地檢測(cè)與隔離故障，縮短故障檢測(cè)與隔離時(shí)間，進(jìn)而減少維修時(shí)間，提高系統(tǒng)可用性?；诠收献⑷氲臏y(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)，可以有效的發(fā)現(xiàn)和鑒別有關(guān)測(cè)試性設(shè)計(jì)缺陷，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)或完善保障條件來(lái)提高測(cè)試性水平[4-6]。這種驗(yàn)證試驗(yàn)注入的故障模式與評(píng)估的試驗(yàn)結(jié)果與裝備真實(shí)服役后的情況相當(dāng)；以試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)裝備實(shí)現(xiàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)要求的程度，能夠較真實(shí)地反映裝備的真實(shí)故障狀態(tài)，試驗(yàn)準(zhǔn)確度較高。

采用故障注入器實(shí)現(xiàn)故障注入，是當(dāng)前基于故障注入的測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的主要故障注入方式，可以有效地提升注入的精度、準(zhǔn)確度和自動(dòng)化水平，重復(fù)性高。

通過(guò)近年來(lái)的測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)作為當(dāng)前裝備中常見(jiàn)信號(hào)類型的熱電阻與熱電偶信號(hào)，因具有精度高、幅度小、緩變、四線制或差分傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，導(dǎo)致通用的模擬信號(hào)故障注入器較難以滿足要求；為滿足該類型信號(hào)自動(dòng)故障注入的需求，研制了基于LXI的熱電阻和熱電偶信號(hào)故障注入器。

1 故障注入器功能需求

根據(jù)測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)中對(duì)熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入的需求分析，熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器功能要求包括：

1.1 熱電阻信號(hào)故障注入功能要求

1)可對(duì)四線制激勵(lì)信號(hào)注入傳輸線信號(hào)+/信號(hào)-斷路控制、信號(hào)+/信號(hào)-線間負(fù)載阻抗控制等物理層故障注入；

2)可對(duì)四線制測(cè)量信號(hào)注入傳輸線信號(hào)+/信號(hào)-間短路控制、信號(hào)+/信號(hào)-線分別對(duì)地短路控制等物理層故障注入；

3)支持向熱電阻信號(hào)傳輸線路輸出任意RTD電阻值故障功能；

4)支持向熱電阻信號(hào)傳輸線路輸出按照預(yù)先設(shè)置曲線連續(xù)變化的RTD電阻值。

1.2 熱電偶信號(hào)故障注入功能要求

1)可對(duì)信號(hào)傳輸線路進(jìn)行信號(hào)+/信號(hào)-斷路控制、信號(hào)+/信號(hào)-線路串行阻抗控制、信號(hào)+/信號(hào)-線間負(fù)載阻抗控制、信號(hào)+/信號(hào)-線間短路控制、信號(hào)對(duì)地短路控制等物理層故障注入；

2)支持對(duì)傳輸中的熱電偶信號(hào)設(shè)定幅度衰減/放大系數(shù)功能；

3)支持對(duì)傳輸中的熱電偶信號(hào)疊加噪聲功能；

4)支持對(duì)傳輸中的熱電偶信號(hào)疊加低頻干擾功能；

5)支持向熱電偶信號(hào)傳輸線路輸出任意幅度熱電偶信號(hào)功能；

6)支持向熱電偶信號(hào)傳輸線路輸出預(yù)先設(shè)置曲線連續(xù)變化的熱電偶信號(hào)功能。

2 故障注入器架構(gòu)及原理

所研制的熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器AMC9760，其使用方式是：串接入熱電阻和熱電偶信號(hào)傳輸線路中，模擬多種熱電阻和熱電偶信號(hào)傳輸過(guò)程中的故障類型，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備熱電阻和熱電偶信號(hào)傳輸?shù)姆抡婧驮u(píng)測(cè)。

熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器包含上位機(jī)軟件和硬件兩部分；硬件部分包含：基于COME控制單元實(shí)現(xiàn)的LXI/USB通訊、顯控和數(shù)據(jù)處理功能，熱電偶信號(hào)故障注入單元，熱電阻信號(hào)故障注入單元等；上位機(jī)軟件包含軟面板和驅(qū)動(dòng)程序兩部分，可通過(guò)軟面板直接控制故障注入器實(shí)現(xiàn)故障注入功能。熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器總體組成如圖1所示。

圖1 熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器總體組成示意圖

熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試需求，主要提供了對(duì)傳輸線路物理層注入故障的電路和對(duì)傳輸線路中傳輸?shù)臒犭娮杌驘犭娕夹盘?hào)注入故障的電路。故障注入器串接在熱電阻或熱電偶信號(hào)的傳輸線路中，在不注入故障時(shí)，故障注入器只作為一條直通線路，不改變?nèi)魏卧瓉?lái)線路的連接關(guān)系和線路上傳輸信號(hào)的電特性，這樣就可以保證故障注入器在不注入故障時(shí)，對(duì)原來(lái)的線路及其傳輸?shù)男盘?hào)不產(chǎn)生任何影響。

熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器向傳輸線路注入的故障類型包括物理層故障和電氣層故障。在物理層故障注入電路的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上，為了保證注入的故障完全仿真被測(cè)設(shè)備實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的物理層故障，故障注入器注入的任何物理層故障類型都采用由繼電器陣列和無(wú)源程控電阻構(gòu)成的純無(wú)源電路，避免在注入物理層故障時(shí)，任何有源電路和元器件影響線路上原有的信號(hào)特性，達(dá)到與被測(cè)設(shè)備實(shí)際工作中出現(xiàn)的線路故障完全相同的效果。

熱電阻信號(hào)故障注入單元的電氣層故障注入電路設(shè)計(jì)原理：采用內(nèi)置高精度、高分辨率程控RTD電阻的方式，實(shí)現(xiàn)替代原有熱電阻信號(hào)向傳輸線路輸出用戶預(yù)先設(shè)置的高精度RTD電阻信號(hào)或輸出按照預(yù)先設(shè)置曲線連續(xù)變化的RTD電阻信號(hào)。

熱電偶信號(hào)故障注入單元的電氣層故障注入電路設(shè)計(jì)原理：采用模擬信號(hào)乘法電路+高精度信號(hào)采集電路的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)試需求，傳輸線路上原有的熱電偶信號(hào)在進(jìn)入故障注入器后首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入模擬信號(hào)乘法電路，在這里，信號(hào)按照預(yù)先的設(shè)置實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的放大或衰減，也可以按照預(yù)先裝訂的噪聲數(shù)據(jù)疊加任意類型和特征的噪聲信號(hào)，這些噪聲信號(hào)既可以是隨機(jī)噪聲或白噪聲等中高頻率的噪聲信號(hào)，也可以是很低頻率的工頻電源干擾噪聲等低頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全面仿真被測(cè)設(shè)備實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的熱電偶信號(hào)電氣層故障類型，達(dá)到系統(tǒng)故障注入需求。

3 熱電阻信號(hào)故障注入單元硬件設(shè)計(jì)

熱電阻信號(hào)故障注入單元的硬件設(shè)計(jì)包括：總線接口、高精度RTD電阻信號(hào)注入單元、物理層故障注入單元和FPGA控制邏輯電路等部分。

具體工作過(guò)程：外部信號(hào)從傳輸線進(jìn)入物理層故障注入單元，進(jìn)行物理層故障注入；故障注入單元可以通過(guò)設(shè)置內(nèi)部的高精度RTD電阻控制單元，產(chǎn)生用戶程控設(shè)置阻值的高精度的熱電阻信號(hào)來(lái)替代線路上原來(lái)的熱電阻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上傳輸?shù)臒犭娮栊盘?hào)的阻值控制。

熱電阻信號(hào)故障注入單元硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 熱電阻信號(hào)故障注入單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 物理層故障注入單元設(shè)計(jì)

熱電阻信號(hào)故障注入單元的物理層故障電路對(duì)4線制電阻的激勵(lì)差分線和測(cè)量差分線注入故障。物理層故障注入單元中的激勵(lì)差分線故障注入電路設(shè)計(jì)了程控電阻及通道斷路電路，采用多個(gè)繼電器控制切換不同阻值電阻組合的方式實(shí)現(xiàn)，阻值分別為0，5，10，20，40，80；這些電阻組合在繼電器組的控制下，通過(guò)任意組合阻值的方式實(shí)現(xiàn)激勵(lì)差分線5-155 Ω程控負(fù)載阻值變化及激勵(lì)差分線間短路故障控制，阻值的控制分辨率為5 Ω。程控電阻及激勵(lì)差分線短路電路的原理示意圖如圖3所示。

圖3 程控電阻及短路電路原理示意圖

3.2 高精度RTD電阻信號(hào)注入單元

高精度RTD電阻信號(hào)注入單元，通過(guò)設(shè)置內(nèi)部的高精度、高分辨率RTD電阻模塊，產(chǎn)生用戶程控設(shè)置阻值的高精度熱電阻信號(hào)，替代線路上原來(lái)傳輸?shù)臒犭娮栊盘?hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上傳輸?shù)臒犭娮栊盘?hào)的阻值控制。RTD電阻信號(hào)注入單元連接示意圖如圖4所示。

圖4 RTD電阻信號(hào)注入單元連接示意圖

單元內(nèi)部的高精度、高分辨率RTD電阻模塊具有非常高的阻值控制精度和控制分辨率，阻值控制精度達(dá)到±0.08%讀數(shù)±70 mΩ，分辨率達(dá)到2 mΩ，而且該RTD電阻模塊的溫度穩(wěn)定性也很高，可以向傳輸線路上輸出精確的熱電阻替代信號(hào)。

熱電阻信號(hào)故障注入單元除了仿真出恒定的熱電阻替代信號(hào)外，還能夠仿真出按照預(yù)先設(shè)置曲線連續(xù)變化的RTD電阻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備注入用戶希望的變化熱電阻。預(yù)先設(shè)置的RTD電阻信號(hào)曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)文件的方式被預(yù)先加載進(jìn)熱電阻信號(hào)故障注入單元內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，故障注入器的軟件面板上的圖形界面可以實(shí)時(shí)顯示變化曲線的執(zhí)行過(guò)程，便于用戶監(jiān)視故障注入情況。曲線變化監(jiān)視界面如圖5所示。

圖5 曲線變化監(jiān)視界面

4 熱電偶信號(hào)故障注入單元硬件設(shè)計(jì)

熱電偶信號(hào)故障注入單元主要用于向傳輸熱電偶信號(hào)的線路中注入故障，故障類型包括：傳輸線路物理層、電氣層故障。熱電偶信號(hào)故障注入單元硬件主要包括：FPGA內(nèi)的控制邏輯單元、高精度模擬信號(hào)采集電路、高精度模擬信號(hào)輸出電路、程控電阻單元、繼電器陣列等。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 熱電偶信號(hào)故障注入單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

4.1 物理層故障注入電路設(shè)計(jì)

熱電偶信號(hào)故障注入單元的物理層故障電路對(duì)信號(hào)差分線注入故障。物理層故障注入電路內(nèi)設(shè)計(jì)了串行程控電阻、負(fù)載程控電阻和通道斷路電路。

串行程控電阻及傳輸線斷路電路，采用多個(gè)繼電器控制，切換不同阻值電阻組合的方式實(shí)現(xiàn)，阻值分別為0，1，2，4，8，16，32；這些電阻組合在繼電器組的控制下通過(guò)任意組合阻值的方式，實(shí)現(xiàn)差分線0-63 Ω程控傳輸線串行阻值變化及傳輸線斷路故障控制。負(fù)載程控電阻及傳輸線短路電路均采用同樣的原理實(shí)現(xiàn)。

4.2 電氣層故障注入電路設(shè)計(jì)

熱電偶信號(hào)故障注入單元的電氣層故障注入電路包括：信號(hào)調(diào)理放大電路、信號(hào)采集電路、高精度四象限乘法D/A信號(hào)輸出電路、濾波衰減電路、內(nèi)部基準(zhǔn)源電路和基準(zhǔn)源選擇電路。

在進(jìn)行電氣層故障注入時(shí)，電路首先斷開(kāi)傳輸線路，將原有的熱電偶信號(hào)輸入電路中的信號(hào)調(diào)理放大電路，將熱電偶信號(hào)調(diào)整為幅度適合故障注入電路的范圍和形式，然后將調(diào)理后的信號(hào)提供給高精度采集電路和基準(zhǔn)源選擇電路；高精度采集電路將信號(hào)幅度數(shù)字化，之后提供給FPGA內(nèi)部的信號(hào)處理邏輯用于控制精度校準(zhǔn)和信號(hào)監(jiān)視；基準(zhǔn)源選擇電路根據(jù)用戶選擇的電氣層故障注入模式,將信號(hào)提供給高精度四象限乘法D/A信號(hào)輸出電路作為基準(zhǔn)，高精度四象限乘法D/A信號(hào)輸出電路將該基準(zhǔn)與預(yù)先設(shè)置的系數(shù)值進(jìn)行乘法計(jì)算后輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線上的熱電偶信號(hào)進(jìn)行幅度放大/衰減控制后，傳回到原來(lái)的信號(hào)傳輸線路中。

熱電偶信號(hào)故障注入單元的電氣層示意圖如圖7所示。

圖7 熱電偶信號(hào)故障注入單元電氣層示意圖

電氣層故障注入電路采用上述設(shè)計(jì)方式，可以在注入電氣層故障的同時(shí)，將熱電偶傳感器的任何參數(shù)變化過(guò)程都實(shí)時(shí)反應(yīng)到故障注入后的熱電偶信號(hào)中，保證在故障注入的過(guò)程中，除用戶要注入的故障參數(shù)外，不影響線路上原有信號(hào)的其它特性。由于電路中采用的高精度四象限乘法D/A芯片具有16位的高分辨率和±1 LSB的高精度，因此可以對(duì)熱電偶傳輸線路上的信號(hào)進(jìn)行非常精確的放大/衰減控制，實(shí)現(xiàn)微小的受控幅度變化，驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備對(duì)信號(hào)變化的靈敏度。

此外，電氣層故障注入電路也可以按照預(yù)先裝訂的噪聲數(shù)據(jù)，疊加任意類型和特征的噪聲信號(hào)，由于電路中采用的高精度四象限乘法D/A芯片具有0.5 μs的輸出信號(hào)建立時(shí)間和最高2 MHz以上的并行數(shù)據(jù)更新率，因此該電路可以向線路上的熱電偶信號(hào)疊加頻率最高超過(guò)500 kHz的各種中頻噪聲信號(hào)，也可以向熱電偶信號(hào)疊加頻率低于10 Hz的各種低頻干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全面仿真實(shí)際工作中熱電偶信號(hào)可能受到的各種干擾。

除了可以實(shí)現(xiàn)上面介紹的幅度變化和噪聲疊加這兩類故障類型外，熱電偶信號(hào)故障注入單元還能夠提供完全由用戶自己編制的仿真熱電偶傳感器信號(hào)的輸出方式，在這種方式下，用戶可以根據(jù)自己測(cè)試的需要，完全自主的編制傳輸線路上要傳輸?shù)臒犭娕夹盘?hào)幅度變化過(guò)程來(lái)替代線路上原來(lái)的傳輸?shù)男盘?hào)，達(dá)到給線路接入一個(gè)程控仿真熱電偶傳感器的效果。

熱電偶信號(hào)故障注入單元電氣層四種故障類型示意圖如圖8所示。

圖8 電氣層四種故障類型示意圖

電氣層故障注入電路內(nèi)部包括一套高精度采集電路，輸入的熱電偶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后除了提供給四象限乘法D/A電路外，也提供給高精度采集電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)上傳到控制計(jì)算機(jī)的軟件界面實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上熱電偶信號(hào)的監(jiān)視，軟件界面同時(shí)按照設(shè)置的電氣層故障模式和數(shù)據(jù)顯示出注入故障后的信號(hào)波形供用戶監(jiān)視實(shí)時(shí)的故障注入情況。軟件界面的實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)視界面如圖9所示。

圖9 軟件界面的實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)視界面

5 故障注入器軟件設(shè)計(jì)

熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器軟件部分主要是運(yùn)行在上位計(jì)算機(jī)上的儀器的驅(qū)動(dòng)程序和軟面板。

熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器驅(qū)動(dòng)程序工作流程如圖10所示。

圖10 儀器驅(qū)動(dòng)程序工作流程

熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)如表1所示。

表1 熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)表

6 驗(yàn)證情況

針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元開(kāi)展了測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)。該測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的主要試驗(yàn)過(guò)程是：對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行FMEA分析，確定需注入的各類型故障模式在不同層級(jí)的分布，按照相關(guān)國(guó)軍標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展抽樣，基于最后確定的故障樣本開(kāi)展基于故障注入器的試驗(yàn)。針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元開(kāi)展的熱電類故障注入的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果均表明，該類型故障注入器可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際故障的模擬，注入過(guò)程穩(wěn)定，共注入19個(gè)故障，平均每個(gè)故障的注入及測(cè)量時(shí)間約為2分鐘，極大提高了試驗(yàn)的效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡明了熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器AMC9760的功能需求、總體組成、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；目前該型熱電阻與熱電偶信號(hào)故障注入器AMC9760已應(yīng)用于多類型裝備的測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)中，對(duì)各類故障模式的注入效果進(jìn)行了充分驗(yàn)證。該故障注入器具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

表2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元熱電類故障注入測(cè)試數(shù)據(jù)

[1] 孫天竹.采用故障注入技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性[J].信息技術(shù)，2004,4.

[2] 王建瑩，孫峻朝，李運(yùn)策，等.FTT-1：一個(gè)基于硬件的故障注入器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，1998(4):14-19.

[3] 趙廣燕，孫宇鋒，康 銳，等.電路故障仿真中的故障建模、注入及判定方法研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007(1):143-146.

[4] 胡 宇.測(cè)試性驗(yàn)證故障注入方法[J].硅谷，2014(17)：41-43.

[5] 徐 萍，康 銳.測(cè)試性試驗(yàn)驗(yàn)證中的故障注入系統(tǒng)框架研究[J].測(cè)控技術(shù)，2004(8):12-14.

[6] 尹園威，尚朝軒，馬彥恒，等.基于故障注入的雷達(dá)裝備測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014(7):2128-2130.