基于仿真的嵌入式诊断设计方法

为及时、准确地检测隔离内部故障，支持新一代飞机视情维修和自主式保障的实现，提高飞机的保障性和经济可承受性，必须在装备研制一开始就综合考虑整体诊断策略的设计，从设计的源头保证良好的测试性。因此，在设计初期，仿真分析作为设计辅助手段显得尤为重要。目前，基于仿真的诊断设计研究对实际诊断设计的指导多停留在理论阶段，缺乏工程应用的途径及案例，使得先进的诊断策略设计技术与工程实际脱节。因此，如何将仿真分析结果有效应用于工程实际，建立起二者之间的桥梁，是诊断设计中亟待解决的问题。笔者介绍了一种基于仿真的嵌入式诊断设计方法，并基于案例对该方法的有效性和实用性进行了验证。该方法为仿真分析得到的最优诊断策略在嵌入式诊断设计中的有效落实提供了思路和途径，实现了建模仿真分析工作对实际工程设计的有效指导，可用于指导产品实际诊断设计。

1 技术原理及流程

基于仿真的嵌入式诊断设计方法基于诊断对象的故障传递关系、故障模式信息、测试点信息、功能框图等输入，以测试性模型和EDA功能仿真模型为基础。一方面，以测试性建模分析为手段，获得诊断逻辑/标准，明确各故障模式的检测隔离判据，将其作为诊断推理的依据，即得到故障一测试相关性矩阵;另一方面，以功能仿真分析和故障注入仿真分析为辅助，确定需获取的信号以及信号采集处理方法，进一步获得一种全新的故障一信号一测试相关性矩阵，最终形成诊断对象的嵌入式诊断策略。依据获得的诊断策略，可以进行诊断算法、程序及电路等的设计，从而在实际应用时根据相关参数的监控结果，得到所需的诊断结果，实现机内诊断。具体的诊断设计方法实施流程如图1所示。

图1 基于仿真的诊断设计方法实施流程

2 案例分析

以某型号飞机航电系统中的语音处理单元的机内诊断(BIT)设计为例，详细介绍所述的基于仿真的嵌入式诊断设计方法。其功能框图和组成结构如图2所示。

图2 诊断对象功能框图

收集诊断对象的设计资料、技术说明、电路原理图和功能框图等。依据相关资料，分析诊断对象的功能、特性。依据产品的可靠性分析结果、产品的信号流图，确定产品的故障模式信息及故障传递关系;同时，基于产品物理结构和测试处理能力，初步选定产品的可用测试点。如表1所示。

表1 故障模式分析表

2.1 建立故障一测试相关性矩阵

确定故障一测试相关性矩阵的过程即建立诊断逻辑/判据的过程。

(1)产品测试性模型建模。

依据产品的功能框图，结合故障模式信息、故障传递关系等，基于产品可用测试点，建立起产品的初步测试性模型。笔者选用TADS软件实现案例系统的模型建立，其模型为分层结构的信号流模型，如图3所示。

图3 案例系统的测试性模型

(2)基于建立的测试性模型，依据产品的诊断要求和设计约束条件，进行测试性分析。

①分析故障模式与测试点测试结果的关系，生成相关性矩阵。利用TADS软件，对建立的模型执行静态分析和测试性分析，得到模型的故障一测试相关性矩阵(D矩阵)。

②优化测试点布局和相关性矩阵，得到诊断逻辑/判据。产品的最优诊断策略以测试点的优选结果为基础。因此，应在满足测试性指标的基础上，识别冗余测试，进一步隔离模糊组，实现对相关性矩阵的优化。在筛选去除未选用测试后，即可得到该诊断对象的诊断逻辑/判据。如表2所示。

表2 优化后的故障一测试相关性矩阵

2.2 确定诊断用信号/参数集

为实现故障一测试相关性矩阵中测试的详细设计，通过EDA电路功能仿真及故障仿真，获取诊断对象的正常状态及各故障状态下的信号表征，得到为实现诊断所需的信号/参数集，并对其进行一定的优化，确定用于诊断的信号/参数集。

(1)建立产品EDA电路功能模型和EDA故障模型，仿真获取状态信息。

笔者使用仿真分析软件Saber作为EDA建模分析工具，根据所述的建模手段及方法，依据案例电路功能原理，建立其电路功能模型，并进行仿真分析，可得到产品正常工作状态下的电路各信号/参数状态及特征，如图4所示。基于故障模型建模方法，为故障一测试相关性矩阵中的故障模式建立故障模型。在本案例的典型故障模式模型和仿真结果参见文献。将故障模型置于电路功能仿真环境中，进行故障注入仿真分析，得到产品各故障状态下的信号/参数特性。案例电路各故障模式的故障状态如表3中相应列所示。

(2)确定支持诊断所需采集的信号/参数。

根据诊断对象的故障状态、电路特性和诊断需求，确定诊断所需信号/参数集，其原则如下：

①合并可复用的信号/参数。对于故障表征在同一信号上的故障模式，其检测参数可复用，以增加电路的利用率，减小检测电路/算法的体积/规模。

②等效处理特征信号/参数。对于获取存在困难的信号/参数可通过仿真分析，选用易于实现的等效信号/参数进行检测，选择时可优先考虑已使用的检测信号/参数，以及对故障状态表征信号灵敏度较高的电路参数/信号。

图4 案例电路的电路功能仿真结果

2.3 信号处理策略设计

信号处理策略设计即是在确定的诊断用信号/参数集的基础上，确定其采集和分析处理方法，如对信号/参数所作的调整、变换和传输，包括放大、衰减、滤波、整流、统计分析、频谱分析和A/D变换等。本案例中，为实现在线诊断，可将各类信号转换成数字量信号由处理器统一进行采集处理。总结得到各故障模式的检测信号/参数及其检测手段，如表3中相应列所示。

表3 音频处理单元案例各故障模式的检测参数及处理方法

2.4 建立诊断对象的故障-信号-测试矩阵

结合故障一测试矩阵(诊断逻辑)和确定的各故障模式的检测参数及其检测处理方法，可形成诊断对象的故障-信号-测试矩阵。其根据各故障状态下需检测的信号/参数特性，将建模分析得到的诊断逻辑中的测试点测试结果以实际电路信号/参数特征量的形式表征，即得到诊断逻辑的实现策略。故障-信号-测试相关性矩阵示例如表4所示。

表4 故障-信号-测试相关性矩阵示例

2.5 机内诊断方案设计

根据确定的故障-信号-测试矩阵、需检测参数的检测手段及信号处理方法等，确定机内诊断设计方案。

①机内诊断推理代码/程序设计。将根据具象化的诊断策略(故障-信号-测试相关性矩阵)，设计机内诊断推理代码，并结合产品功能原理，以最优的软硬件规模，设计实现诊断推理代码。代码可以以控制程序的形式加载到处理器中;也可以以查询语句的形式存储在ROM中。

②实现信息处理设计。即以实际电路和算法实现对诊断所需信号/参数的采集和处理。

③得到诊断结果。以周期BIT为例，在线诊断时，以设计的采集处理电路周期性监测各相关信号，根据监测结果，依机内诊断推理代码输出诊断结果，实现机内诊断设计。

在案例电路中，可选用诊断设计电路包括如真有效值(RMS)测量电路、模数转换电路、处理器及其外围电路三大部分，如图5所示。图中，RMS测量电路，可采用专用的真有效值测量集成电路芯片来实现;A/D转换电路，需转换信号为5路，配合处理器，使用满足要求的8位或12位A/D转换芯片即可;处理器则依据电路特性和诊断需求，使用一般单片机、DSP或FPGA等都可实现。

图5 诊断设计功能框图

依据选用的处理器，将2.1节所述的故障-信号-测试相关性矩阵设计为合适的诊断代码，载入处理器中;各类诊断用信号经过相应的处理，由处理器进行统一的采集分析;依据采集的信号状态和内置的诊断逻辑，可采用门限比较法，得到案例电路的诊断结果。

3 结束语

将测试性建模分析和EDA仿真分析手段有效结合，论述了一种基于仿真的诊断设计方法。其以测试性建模分析得到的故障一测试相关性矩阵为基础，依据EDA功能及故障仿真分析，获取诊断所需的检测信号/参数状态并确定信号处理方法，从而构建得到一种故障一信号一测试相关性矩阵，用以指导产品的嵌入式诊断设计。文中基于工程案例，对该嵌入式诊断设计方法进行了详细介绍，依据文中案例，通过适当添加软硬件电路，采集9个测试点上的信号，即可实现对案例诊断对象18种故障模式的有效检测和隔离。该方法为将测试性仿真分析得到的最优诊断策略应用于工程实际提供了思路和途径，为产品嵌入式诊断设计实现提供了有效指导。