基于功能的數(shù)字接口電路故障診斷方法研究

段玲琳，段曉超

(1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥　230088;2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥　230088)

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基于功能的數(shù)字接口電路故障診斷方法研究

段玲琳1,2，段曉超1,2

(1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥230088)

摘要:文章提出了一種數(shù)字接口電路故障診斷方法,利用被測件自身實現(xiàn)的電路功能對被測件的硬件通道進行單一測試用例、復合測試用例、針對性測試用例等測試,最終定位故障器件。該方法不改變被測件的技術(shù)狀態(tài),在提高自動化程度的同時降低了故障誤判率。

關(guān)鍵詞:故障診斷；測試用例；故障檢測；故障定位

由于數(shù)字集成電路功能復雜度和制造集成度的迅速提升,在廠家制造和用戶使用過程中電路失效問題日益突出。利用測試技術(shù)實現(xiàn)對各種電子裝備電路故障的高效診斷能大幅度地縮短武器裝備的維修時間,提高武器裝備的綜合戰(zhàn)斗力[1]。

傳統(tǒng)的裝備故障診斷維修體系分為在線測試和離線測試2大類。在線測試[2]是指將被測試件裝入裝備整機內(nèi),依賴裝備自身產(chǎn)生測試激勵,通過自身的機內(nèi)檢測設(shè)備或輔助儀表測量來判定被測試件的功能正常與否。在現(xiàn)場使用該技術(shù)進行故障檢測定位,一定程度上會影響裝備的正常工作,同時有擴大故障范圍的隱患;若額外購置一套完整的裝備,利用裝備進行測試,成本太高,同時在線測試法受條件因素的限制較大,很難進行準確的故障定位。離線測試[3]是指被測試件脫離裝備自身,在一種專門的或通用的測試平臺上進行故障檢測定位的測試方法。目前采用最多的是基于邊界掃描技術(shù)[4]的離線測試方法,但是應(yīng)用這項技術(shù)需要被測件電路板本身在設(shè)計時增加20%～30%的硬件電路[5],而且必須應(yīng)用支持IEEE1149.1可測試性標準[6-7]的器件。出于成本和性能的考慮,國產(chǎn)電子裝備目前很少采用支持邊界掃描技術(shù)的設(shè)計,此外邊界掃描需要將被測件的固件和軟件擦除[8],非常不利于服役產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)控制。

對于現(xiàn)役裝備，采用傳統(tǒng)的依賴整機的在線測試或目前流行的基于邊界掃描技術(shù)的離線測試都存在一定的弊端,特別是接口電路的檢測。數(shù)字接口電路是裝備中使用量最大的電路之一,也最易損壞,相對于擁有中央處理器(central processing unit,CPU)和現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)等大規(guī)模邏輯單元的電路來說,邏輯簡單明確,功能簡潔清晰,非常適合使用基于功能測試的數(shù)字接口電路故障診斷方法。在這類電路的測試中使用基于功能測試的故障診斷方法,既能不依賴整機測試、成本低廉,又能實現(xiàn)在不更改被測件技術(shù)狀態(tài)的條件下進行器件級的故障檢測和定位,且定位準確、故障覆蓋率和檢測率也遠高于邊界掃描技術(shù)。

1電路故障診斷方法

1.1方法原理

部件是能完成獨立功能器件的一部分,器件包含1個或多個部件,例如1片74HC244集成電路含有8個獨立的傳輸通道,可以看做8個獨立的部件,其中1個部件發(fā)生故障即認定該器件故障。

測試用例即測試用激勵和響應(yīng)的計算機數(shù)字化描述,便于數(shù)據(jù)庫存儲和計算機解析。測試用例的設(shè)計是故障檢測定位方法的關(guān)鍵。一般的數(shù)字接口電路具有以下特征:任何1個輸入信號總會影響至少1個輸出信號,任何1個輸出信號至少受1個輸入信號影響。數(shù)字電路的輸入和輸出全部為二進制0/1信號,計算機系統(tǒng)可以明確認定出其電氣狀態(tài)?；诒粶y件對外連接的所有輸入信號和輸出信號編制測試用例。

基于功能的數(shù)字接口電路故障診斷方法是針對具有“任何1個輸入信號總會影響至少1個輸出信號,任何1個輸出信號至少受1個輸入信號影響”特征的被測件,根據(jù)被測件的輸入輸出信號設(shè)計單一、復合、針對性3類測試用例。其中單一測試用例選擇輸入/輸出之間僅包含單一元器件的通路或通過邏輯判斷能夠準確而唯一定位的硬件通道設(shè)計,一旦測試用例測試不通過即可確定該器件損壞;復合測試用例是根據(jù)被測件的輸入和輸出信號設(shè)計測試用例,保證被測件對外的每個輸入和輸出信號均至少翻轉(zhuǎn)1次，即0到1或者1到0變化1次,如果能夠使通道上器件的輸入輸出完全翻轉(zhuǎn)1次的測試用例組測試通過,則認定該測試用例組所涉及的已翻轉(zhuǎn)的部件全部正常;針對性測試用例是針對被測件完成功能所涉及的每個器件的每個部件設(shè)計測試用例,使指定器件的輸入和輸出根據(jù)測試激勵的翻轉(zhuǎn)而翻轉(zhuǎn)。

1.2方法

這些測試用例分為單一測試用例和復合測試用例2類。單一測試用例是指從信號輸入到信號輸出僅經(jīng)過1個器件的硬件通道,復合測試用例是指從信號輸入到信號輸出經(jīng)過多個器件的硬件通道,同時根據(jù)每個部件的失效率為每個復合測試用例通道上的部件分配故障權(quán)重,此通道上所有部件的故障權(quán)重總和應(yīng)為100%。

根據(jù)測試用例數(shù)據(jù)庫對被測件的硬件通道進行3輪遍歷檢測。第1輪單一測試用例測試，找到絕對損壞或絕對正常的器件;第2輪復合測試用例測試，首先找出絕對正常的通道和器件,同時將響應(yīng)錯誤的通道及器件按照故障發(fā)生概率進行數(shù)學累加;第3輪針對性測試用例測試，在第2輪測試給出故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對故障概率高且故障次數(shù)多的重點懷疑器件施加針對性激勵,并輔助儀表最終判定該器件是否故障。

2應(yīng)用實現(xiàn)

根據(jù)一個被測件對故障診斷方法進行說明。被測件原理圖如圖 1所示。

圖1　被測件原理圖

實現(xiàn)的是4個輸入信號之間的邏輯組合形成的8個輸出。其中涉及的器件有D1、D2、D3、D4、D5。其中，D1為4路與門74HC08；D2、D5為4路非門74HC04；D3為4路或非門74HC02；D4為8路驅(qū)動器74HC244?；诒粶y件的功能,所以功能上不使用的部分不在檢測的范圍內(nèi)。根據(jù)部件的概念,故障檢測只涉及D1的1個部件,D2、D3、D4和D5的各1個部件。對每個部件的描述見表1所列。

表1　被測件部件描述

對于D1而言,只要D1(1)正常就認為D1正常,D1(1)故障就認為D1故障;對于D2來說,只要D2(1)正常就認為D2正常,D2(1)故障就認為D2故障;對于D3來說只要D3(1)正常就認為D3正常,D3(1)故障就認為D3故障;對于D4來說,必須D4(1)、D4(2)、D4(3)、D4(4)、D4(5)、D4(6)、D4(7)都正常才認為D4正常,7個部件中的任意一個故障都認為D4故障;對于D5來說，只要D5(1)正常就認為D5正常,D5(1)故障就認為D5故障。

根據(jù)故障檢測和定位方法的設(shè)計原則,該被測件可設(shè)計單一測試用例2個,復合測試用例22個,具體見表2所列。如果DY001和DY002測試用例組均檢測正確,則可認定D5正常,如果DY001、DY002任意一個不正確,則可認定D5故障。

由表2可知，如果FH001和FH002測試用例組均檢測正確,則可認定D4(1)正常；如果FH003和FH004測試用例組均檢測正確,則可認定D4(3)正常；如果FH005和FH006測試用例組均檢測正確,則可認定D4(5)正常；如果FH007和FH008測試用例組均檢測正確,則可認定D4(7)正常；如果FH009和FH010測試用例組均檢測正確,則可認定D4(1)正常；如果FH011和FH012測試用例組均檢測正確,則可認定D4(3)正常；如果FH013和FH014測試用例組均檢測正確,則可認定D4(5)正常；如果FH015和FH016測試用例組均檢測正確,則可認定D4(7)正常；如果FH017和FH018測試用例組均檢測正確,則可認定D1(1)、D4(2)正常；如果FH019和FH020測試用例組均檢測正確,則可認定D2(1)、D4(4)正常,如果FH021和FH022測試用例組均檢測正確,則可認定D3(1)、D4(6)正常。

表2　單一測試用例和復合測試用例

由于復合測試用例中所涉及的信號通道存在串聯(lián)模型,所以需要設(shè)計針對性測試用例才可以精確定位故障器件。針對性測試用例見表3所列。

利用單一、復合、針對性3類測試用例依次進行測試,測試流程如圖2所示。

第1輪測試的目的是為了找到絕對損壞的器件,該輪測試使用單一測試用例(并不是每個被測件都有這種可能)。首先輸入測試用例激勵,判斷其器件通道的響應(yīng)情況。若響應(yīng)正常,則該器件通道確定為絕對正常通道;若響應(yīng)錯誤,該器件通道確定為絕對故障通道。

第2輪測試的目的是為了最大可能地找出絕對正常的器件及通道,并統(tǒng)計出響應(yīng)錯誤的器件通道故障次數(shù)及概率累加,該輪測試使用復合測試用例。遍歷完所有的復合測試用例后,判斷出絕對正確的器件代號和通道號;然后將發(fā)生故障的器件通道按照測試用例中描述的比例權(quán)重累計到各器件上(已判斷絕對正常的器件故障權(quán)重強制置為0)。統(tǒng)計所有器件全部通道的故障權(quán)重情況和懷疑次數(shù)的表格。

表3　針對性測試用例列表

圖2　測試流程

第3輪測試是在第2輪給出故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對重點懷疑器件進行精確測量,該輪測試使用針對性測試用例。選擇出需要定點測試的器件,按照要求施加激勵(可能是復合測試用例的組合,也可能需要單獨設(shè)計的測試用例),用測試儀表測量相應(yīng)的器件管腳是否有符合要求的輸入、輸出波形。若有,則排除該器件損壞可能;若無,判定該器件故障。

從上述測試分析可以看出,對于該類被測件基于功能測試的故障診斷方法，故障覆蓋率和故障檢測率均達到了100%。該方法可以推廣至含有CPU和FPGA的復雜邏輯電路中使用,對于CPU和FPGA實現(xiàn)的多輸入和多輸出邏輯功能進行細化和分解,CPU和FPGA可以分解成多個虛擬的部件來實現(xiàn)多條器件通道的劃分。

3結(jié)束語

本文提出的故障診斷方法結(jié)合了基于功能測試的黑盒測試法和基于探針測量的白盒測試法[9],通過逐步縮小故障器件范圍，并采用儀器儀表輔助測量方法最終實現(xiàn)故障定位,在提高自動化程度的同時降低了故障誤判率,該方法已被成功應(yīng)用于多型雷達測試臺中。

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(責任編輯閆杏麗)

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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61472115)

作者簡介：段玲琳(1980-),女,安徽蚌埠人,中國電子科技集團公司第三十八研究所高級工程師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.012

中圖分類號:TN791；TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0777-05