基于功能的数字接口电路故障诊断方法研究

段玲琳，段晓超

(1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥　230088;2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽 合肥　230088)



基于功能的数字接口电路故障诊断方法研究

段玲琳1,2，段晓超1,2

(1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥230088;2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽 合肥230088)

摘要:文章提出了一种数字接口电路故障诊断方法,利用被测件自身实现的电路功能对被测件的硬件通道进行单一测试用例、复合测试用例、针对性测试用例等测试,最终定位故障器件。该方法不改变被测件的技术状态,在提高自动化程度的同时降低了故障误判率。

关键词:故障诊断；测试用例；故障检测；故障定位

由于数字集成电路功能复杂度和制造集成度的迅速提升,在厂家制造和用户使用过程中电路失效问题日益突出。利用测试技术实现对各种电子装备电路故障的高效诊断能大幅度地缩短武器装备的维修时间,提高武器装备的综合战斗力[1]。

传统的装备故障诊断维修体系分为在线测试和离线测试2大类。在线测试[2]是指将被测试件装入装备整机内,依赖装备自身产生测试激励,通过自身的机内检测设备或辅助仪表测量来判定被测试件的功能正常与否。在现场使用该技术进行故障检测定位,一定程度上会影响装备的正常工作,同时有扩大故障范围的隐患;若额外购置一套完整的装备,利用装备进行测试,成本太高,同时在线测试法受条件因素的限制较大,很难进行准确的故障定位。离线测试[3]是指被测试件脱离装备自身,在一种专门的或通用的测试平台上进行故障检测定位的测试方法。目前采用最多的是基于边界扫描技术[4]的离线测试方法,但是应用这项技术需要被测件电路板本身在设计时增加20%～30%的硬件电路[5],而且必须应用支持IEEE1149.1可测试性标准[6-7]的器件。出于成本和性能的考虑,国产电子装备目前很少采用支持边界扫描技术的设计,此外边界扫描需要将被测件的固件和软件擦除[8],非常不利于服役产品的技术状态控制。

对于现役装备，采用传统的依赖整机的在线测试或目前流行的基于边界扫描技术的离线测试都存在一定的弊端,特别是接口电路的检测。数字接口电路是装备中使用量最大的电路之一,也最易损坏,相对于拥有中央处理器(central processing unit,CPU)和现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)等大规模逻辑单元的电路来说,逻辑简单明确,功能简洁清晰,非常适合使用基于功能测试的数字接口电路故障诊断方法。在这类电路的测试中使用基于功能测试的故障诊断方法,既能不依赖整机测试、成本低廉,又能实现在不更改被测件技术状态的条件下进行器件级的故障检测和定位,且定位准确、故障覆盖率和检测率也远高于边界扫描技术。

1电路故障诊断方法

1.1方法原理

部件是能完成独立功能器件的一部分,器件包含1个或多个部件,例如1片74HC244集成电路含有8个独立的传输通道,可以看做8个独立的部件,其中1个部件发生故障即认定该器件故障。

测试用例即测试用激励和响应的计算机数字化描述,便于数据库存储和计算机解析。测试用例的设计是故障检测定位方法的关键。一般的数字接口电路具有以下特征:任何1个输入信号总会影响至少1个输出信号,任何1个输出信号至少受1个输入信号影响。数字电路的输入和输出全部为二进制0/1信号,计算机系统可以明确认定出其电气状态。基于被测件对外连接的所有输入信号和输出信号编制测试用例。

基于功能的数字接口电路故障诊断方法是针对具有“任何1个输入信号总会影响至少1个输出信号,任何1个输出信号至少受1个输入信号影响”特征的被测件,根据被测件的输入输出信号设计单一、复合、针对性3类测试用例。其中单一测试用例选择输入/输出之间仅包含单一元器件的通路或通过逻辑判断能够准确而唯一定位的硬件通道设计,一旦测试用例测试不通过即可确定该器件损坏;复合测试用例是根据被测件的输入和输出信号设计测试用例,保证被测件对外的每个输入和输出信号均至少翻转1次，即0到1或者1到0变化1次,如果能够使通道上器件的输入输出完全翻转1次的测试用例组测试通过,则认定该测试用例组所涉及的已翻转的部件全部正常;针对性测试用例是针对被测件完成功能所涉及的每个器件的每个部件设计测试用例,使指定器件的输入和输出根据测试激励的翻转而翻转。

1.2方法

这些测试用例分为单一测试用例和复合测试用例2类。单一测试用例是指从信号输入到信号输出仅经过1个器件的硬件通道,复合测试用例是指从信号输入到信号输出经过多个器件的硬件通道,同时根据每个部件的失效率为每个复合测试用例通道上的部件分配故障权重,此通道上所有部件的故障权重总和应为100%。

根据测试用例数据库对被测件的硬件通道进行3轮遍历检测。第1轮单一测试用例测试，找到绝对损坏或绝对正常的器件;第2轮复合测试用例测试，首先找出绝对正常的通道和器件,同时将响应错误的通道及器件按照故障发生概率进行数学累加;第3轮针对性测试用例测试，在第2轮测试给出故障统计数据的基础上,对故障概率高且故障次数多的重点怀疑器件施加针对性激励,并辅助仪表最终判定该器件是否故障。

2应用实现

根据一个被测件对故障诊断方法进行说明。被测件原理图如图 1所示。

图1　被测件原理图

实现的是4个输入信号之间的逻辑组合形成的8个输出。其中涉及的器件有D1、D2、D3、D4、D5。其中，D1为4路与门74HC08；D2、D5为4路非门74HC04；D3为4路或非门74HC02；D4为8路驱动器74HC244。基于被测件的功能,所以功能上不使用的部分不在检测的范围内。根据部件的概念,故障检测只涉及D1的1个部件,D2、D3、D4和D5的各1个部件。对每个部件的描述见表1所列。

表1　被测件部件描述

对于D1而言,只要D1(1)正常就认为D1正常,D1(1)故障就认为D1故障;对于D2来说,只要D2(1)正常就认为D2正常,D2(1)故障就认为D2故障;对于D3来说只要D3(1)正常就认为D3正常,D3(1)故障就认为D3故障;对于D4来说,必须D4(1)、D4(2)、D4(3)、D4(4)、D4(5)、D4(6)、D4(7)都正常才认为D4正常,7个部件中的任意一个故障都认为D4故障;对于D5来说，只要D5(1)正常就认为D5正常,D5(1)故障就认为D5故障。

根据故障检测和定位方法的设计原则,该被测件可设计单一测试用例2个,复合测试用例22个,具体见表2所列。如果DY001和DY002测试用例组均检测正确,则可认定D5正常,如果DY001、DY002任意一个不正确,则可认定D5故障。

由表2可知，如果FH001和FH002测试用例组均检测正确,则可认定D4(1)正常；如果FH003和FH004测试用例组均检测正确,则可认定D4(3)正常；如果FH005和FH006测试用例组均检测正确,则可认定D4(5)正常；如果FH007和FH008测试用例组均检测正确,则可认定D4(7)正常；如果FH009和FH010测试用例组均检测正确,则可认定D4(1)正常；如果FH011和FH012测试用例组均检测正确,则可认定D4(3)正常；如果FH013和FH014测试用例组均检测正确,则可认定D4(5)正常；如果FH015和FH016测试用例组均检测正确,则可认定D4(7)正常；如果FH017和FH018测试用例组均检测正确,则可认定D1(1)、D4(2)正常；如果FH019和FH020测试用例组均检测正确,则可认定D2(1)、D4(4)正常,如果FH021和FH022测试用例组均检测正确,则可认定D3(1)、D4(6)正常。

表2　单一测试用例和复合测试用例

由于复合测试用例中所涉及的信号通道存在串联模型,所以需要设计针对性测试用例才可以精确定位故障器件。针对性测试用例见表3所列。

利用单一、复合、针对性3类测试用例依次进行测试,测试流程如图2所示。

第1轮测试的目的是为了找到绝对损坏的器件,该轮测试使用单一测试用例(并不是每个被测件都有这种可能)。首先输入测试用例激励,判断其器件通道的响应情况。若响应正常,则该器件通道确定为绝对正常通道;若响应错误,该器件通道确定为绝对故障通道。

第2轮测试的目的是为了最大可能地找出绝对正常的器件及通道,并统计出响应错误的器件通道故障次数及概率累加,该轮测试使用复合测试用例。遍历完所有的复合测试用例后,判断出绝对正确的器件代号和通道号;然后将发生故障的器件通道按照测试用例中描述的比例权重累计到各器件上(已判断绝对正常的器件故障权重强制置为0)。统计所有器件全部通道的故障权重情况和怀疑次数的表格。

表3　针对性测试用例列表

图2　测试流程

第3轮测试是在第2轮给出故障统计数据的基础上对重点怀疑器件进行精确测量,该轮测试使用针对性测试用例。选择出需要定点测试的器件,按照要求施加激励(可能是复合测试用例的组合,也可能需要单独设计的测试用例),用测试仪表测量相应的器件管脚是否有符合要求的输入、输出波形。若有,则排除该器件损坏可能;若无,判定该器件故障。

从上述测试分析可以看出,对于该类被测件基于功能测试的故障诊断方法，故障覆盖率和故障检测率均达到了100%。该方法可以推广至含有CPU和FPGA的复杂逻辑电路中使用,对于CPU和FPGA实现的多输入和多输出逻辑功能进行细化和分解,CPU和FPGA可以分解成多个虚拟的部件来实现多条器件通道的划分。

3结束语

本文提出的故障诊断方法结合了基于功能测试的黑盒测试法和基于探针测量的白盒测试法[9],通过逐步缩小故障器件范围，并采用仪器仪表辅助测量方法最终实现故障定位,在提高自动化程度的同时降低了故障误判率,该方法已被成功应用于多型雷达测试台中。

[参考文献]

[1]赵强,刘松风,程鹏.电子装备通用自动测试系统发展及其关键技术[J].电子设计工程,2011，19(19):160-162，169.

[2]太禄东,余越.在线测试技术在电子装备维修中的应用[J].黑龙江科技信息,2014(28):140，142.

[3]钟波,孟晓风.基于IEEE1149.1标准的通用测试机的设计与实现[J].航空电子技术,2006，37(2):23-26.

[4]陈亮,胡善伟.边界扫描技术及其应用[J].航空计算技术,2009，39(1):128-130，137.

[5]柳颖,马溧梅,张静.边界扫描技术在某导航雷达控制电路板测试与诊断中的研究运用[J].舰船电子工程,2013，33(12):134-137.

[6]1149.1-1990,IEEE standard test access port and boundary-scan architecture[S].

[7]1149.1-2001,IEEE standard test access port and boundary-scan architecture[S].

[8]尤路,谭剑波,夏勇.基于边界扫描技术的通用测试系统设计[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2013，36(4):452-455.

[9]程磊,李卢强,程运安.基于灰盒测试的计算机联锁系统软件自动测试研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010，33(5):670-673,682.

(责任编辑闫杏丽)

A digital interface circuit fault diagnosis method based on functional testing

DUAN Ling-lin1,2,DUAN Xiao-chao1,2

(1.No.38 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China；2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application，Hefei 230088,China)

Abstract:In this paper,a digital interface circuit fault diagnosis method is presented. Single test case,complex test case and pertinence test case on hardware channel of test parts are designed by using the circuit function of them to detect and locate the fault in test parts. This method need not change techno-state of test parts,and it can improve test automation degree and reduce fault misjudgment rate.

Key words:fault diagnosis;test case;fault detection;fault localization

收稿日期：2015-07-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61472115)

作者简介：段玲琳(1980-),女,安徽蚌埠人,中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.012

中图分类号:TN791；TP277

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0777-05