气垫船纵横倾信号处理电路测试性设计及BIT实现

王国书，刘桂峰，吴杰长，陈 军

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

1 引言

气垫船航态特殊，高速航行时船体处于垫升状态，整船无水下操纵部件，桨舵控制系统形成控制信号作用于空气舵、射流舵、变距桨等实现对船体姿态的控制。受海上工作环境影响，极易发生故障，且该电路的故障检测与定位比较困难，为此，本文以纵横倾信号处理电路为例，开展测试性设计与自测试电路设计工作。

测试性也称“可测性”，是指装备能够及时、准确确定其工作状态，并有效隔离内部故障的一种设计特性，最早在1975年由F.Liour提出[1]，目前广泛应用于武器装备、电子系统的总体优化和设计改进[2]。国内对测试性工作的研究应用非常广泛，文献[3-7]分别对惯性组合、双馈风力发电机、自动装弹机、雷达装备等开展测试性研究工作，通过建模、分析与改进，取得较好的故障检测与隔离效果。但以上研究均未考虑对某些关键部件的自测试问题，一些测试需在系统停机或者占用部分系统资源的基础上进行。为此，本文首先对纵横倾信号处理电路进行测试性建模与分析，在此基础上，设计自测试(built-in test，BIT)电路，通过BIT装置以实时监测、诊断的方式，实现测试性模型中部分关键测试项目，故障发生时BIT主动测试并将故障信号发送至上位机，从而提高电路的可靠性与可测性。

2 纵横倾信号处理电路测试性建模

2.1 多信号建模方法

多信号模型是美国康涅狄格大学的Pattipati和Deb[8]等在研究定量、定性、结构以及信息流模型基础上，于1994年提出的测试性建模方法，本质上是一种有向图模型，以系统结构框图为基础，通过标明功能信号流方向和各组成单元之间的相互连接关系并为其标注测试点的位置，并在测试点上添加相应的测试项目来建立模型[5]。建立多信号模型的一般步骤如下：

① 结合装备实际结构，对建模主体进行功能层次划分；② 根据装备中信号流向关系，绘制多信号有向图，添加测试点与测试，并为测试关联故障模式；③ 开展测试性分析，根据测试报告对模型进行修改[9]。

2.2 纵横倾信号处理电路测试性建模

2.2.1纵横倾信号处理电路组成及功能分析

纵横倾信号处理电路主要包括电源转换器、函数发生器、旋转变压器、标准信号发生器、相限提取电路和MCU，除此之外，还包括运放器1、2和放大器，电路内部总体结构如图1所示。

图1 信号处理电路内部总体结构框图

电源转换器(s1,s2)：将27 V DC电源转换成±15 V DC，实现供电转换，并保护系统免受供电电源中噪声与电压波动的干扰；

函数发生器(s3)：通过控制电容充放电产生KSinωt交流信号；

旋转变压器(s4)：位于纵横倾信号传感器内部，通过转子角位移改变原、副边绕组接触面产生幅值不同于输入原交流信号的KSin(ωt+a)Sinθ信号；

标准信号发生器(s5)：产生标准信号；

相限提取电路(s6)：用于比较标准信号发生器与旋转变压器的电信号，计算KSin(ωt+a)Sinθ与KSinωt的相位差，得到纵横倾的“正负值”；

MCU(s7)：对KSin(ωt+a)Sinθ交流电进行幅值计算，并将幅值与相限提取电路得到的正负值一道发送至上级PLC工控机。

运放器1、2与放大器：对电信号进行放大。

2.2.2多信号模型的构建

基于2.2.1中对信号处理电路功能结构分解，包含的功能结构都可能会产生故障，可以是功能性故障F也可能是全局性故障G，接下来定义各组成部分常见故障模式，具体如表1所示。

表1 故障模式清单

针对以上故障，为其设置测试项目：t1：DC/DC电源转换装置±15V DC电压测试；t2：DC/AC模块(函数发生器)60V AC电压测试；t3：运放器1输出电压测试；t4：旋转变压器输出电压测试；t5：标准信号发生器输出电压测试；t6：运放器2输出电压测试；t7：相限提取电路输出信号测试；t8：放大器放大信号测试；t9：MCU输出信号测试。

该模块的测试点为TP1～TP6，每个测试点对应的测试分别为：ST(TP1)={t1}；ST(TP2)={t3，t5}；ST(TP3)={t1}；ST(TP4)={t2}；ST(TP5)={t8，t9}；ST(TP6)={t4，t6，t7}。

利用TEAMS建模软件对其建模结果如图2所示。

图2 信号转换模块多信号模型示意图

2.3 测试性分析

2.3.1静态分析与测试性预计

首先对其进行静态分析，发现不存在冗余测试和未检测故障，但是存在一组模糊组，如表2所示。

表2 模糊组清单

由表2看出，出现上述3种故障时，故障源可能在运放器2或者相限提取电路，维修时需逐个检测，导致效率低、耗时长，同时延长了停机时间。

根据对FDR和FIR指标进行预计报告，发现针对本次研究所定义故障的检测率达到了100%，但是故障隔离率为88.89%，低于规定的测试性指标，故障模糊数组为1.17。测试性预计总体报告如图3所示。

图3 测试性预计总体报告截图

2.3.2测试性改进

根据模糊组清单，以添加测试点或测试的方式，提高故障检测与故障隔离能力。

添加的测试点和测试位于运放器2输出端。

对其测试性参数预计报告如图4所示，针对本次研究定义的故障，其检测率、隔离率均达到100%，并且故障模糊组为1，不存在冗余测试与未覆盖故障。说明在添加测试点与测试后，信号处理电路测试性能力显著提高。

图4 改进后测试性报告截图

3 测试项目的BIT设计

3.1 BIT技术

机内测试也称为机内自检测，我国国军标将其定义为：系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力。BIT设计的目的在于，通过设置用于状态监控、故障检测与隔离的自检装置或者软件、硬件来使装备具有良好的测试性，使装备本身就能够进行自检工作，检查工作是否正常或者确定出哪一部位发生了故障[10-14]。

在对BIT进行设计时，首先要明确BIT设计要求及其分类关系，根据实际需要选择合适的BIT类型[15]。BIT具体分类方法有很多，按照一般论述，BIT按实现方式分为硬件BIT和软件BIT；按照工作方式可分为工作前、工作中、工作后BIT；按照组成结构分为分布式BIT和集中式BIT[2]。

本文设计中采用集中-分布式结构，将主控单元的软件优势与BIT装置的硬件优势结合起来，具体来说：主控单元可采用软件或者软硬件结合的方式，实现测试的功能，很大程度上减少了硬件电路的配置，避免过度占用系统内部资源；针对各功能结构设置独立的BIT装置，可以实现对故障的精确定位，减少故障检测时间，提高故障维修效率，从而提高装备系统的测试性水平[16]。图5表示了纵横倾信号处理电路BIT总体结构示意图。

图5 纵横倾信号处理电路BIT总体结构框图

3.2 BIT电路设计

根据上文对电路的分析，27 V DC输入电源在电源转换器(s1,s2)处理后输出为±15 V DC，实际电路存在某些电子元器件比较“脆弱”，电源转换器输出过压会导致组件中“脆弱”元件“烧坏”，输出过低则达不到组件中部分关键元件工作电压从而使组件无法正常工作，该情况下发生全局性故障G；函数发生器s3工作正常是后续“相限提取”与“幅值计算”基础，发生故障会影响整个模块功能；标准信号发生器本身可靠性很高，对其进行BIT电路设计会占用其部分资源，影响其工作可靠性；相限提取电路与MCU实现功能相似，所以本文以下针对电源转换器、函数发生器、运放器2和相限提取电路进行BIT电路设计，实现其自测试功能。

3.2.1电源转换模块自测试电路

针对电源转换器设置工作中硬件BIT，对电源转换模块设置输入电压和输出电压的检测，分别保护电源转换器和内部电路。在系统开机时自动执行测试项目，上下电压比较器分别作为电压过高或过低时的门限，过压时，上电压比较器输出高电平，发光二极管导通，三极管基极获高电平导通，继电器K1动作，使开关断开，同时光耦向BIT主控单元发出过压故障信号。低电平时工作原理与此相同。图6电源转换器左侧为具体电路设计。

图6电源转换器右侧为输出端口自测试电路，功能为对输出±15 V AC的检测，稳压二极管负责对过压的检测，输出电压超过30 V自动导通，LED3亮，VT2基极获得高电压并导通，从而线圈通电使K2断开，光耦向BIT主控单元发送“电源转换器故障信号”；欠压保护电路与输入端口BIT工作原理类似，将通过输入端口BIT自测试的电信号作为比较基准，与输出电压做比较。

图6 电源转换器自测试电路图

电源转换器有输出信号，证明输入27V通过了输入端口的自测试，在合理范围内，电源转换器输出信号超出正常范围，说明是转换器本身出现故障。

3.2.2函数发生器内建自测试电路

函数发生器3个输出端口输出400 Hz的交流信号，拾取输出端3输出交流信号，图7为函数发生器电路原理框图，通过集中-分布式BIT实现对交流信号频率和峰值的检测，设计方法为将3脚输出接入单稳态触发电路，实现对正弦脉冲的整流，输出方波进入BIT主控单元，通过程序编译，对频率进行计算；3脚接入峰值检波电路，并在输出端设置电压比较器，原理类似于图6，由供电27 V电压作为基准，对幅值进行监测、比较，当高于/低于规定幅值，相应，光耦导通，故障信号上传至上位机。

图7 函数信号发生器原理框图

3.2.3相限提取电路内建自测试电路

运放器2对来自标准信号发生器的电信号进行放大，通过在运放器2输入、输出端口引出电信号至电压比较电路，放大功能失效时，比较器输出高电平，LED5亮，同时发出报警信号。对于上下方波生成电路，由于相限提取中对方波质量要求较高，且直接测试难度大，分别对其设置冗余BIT电路，冗余单元和被测单元接收相同的信号，同时工作，互不影响，输出信号通过异或门进行比较，实现对被测单元功能的检测。具体电路设计如图8所示。

图8 运放器2及相限提取电路自测试电路图

4 结论

针对目前纵横倾信号处理电路测试性差、故障诊断难度大的问题，基于TEAMS构建电路的多信号模型，根据静态分析结果，通过在模型中添加测试点与测试，使对本次研究中定义的常见故障的隔离率从88.89%提升至100%，证明该方法能有效提升纵横倾信号处理电路测试性能力与水平。

为实现多信号模型中部分关键的测试，结合不同电路的工作特点，选择了合适类型的BIT设计方法；采用集中-分布式结构，在有效降低BIT主控装置电路配置的同时，设计的分布式BIT电路能够实现对故障的精确定位。有效提升该信号处理电路的测试性能力，对于指导装备后期设计改进等具有重要意义。