专利名称：一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法
技术领域：
本发明涉及数字电路故障检测及故障定位技术领域，尤其涉及一种离线的基于被测件功能的数字逻辑电路故障检测及故障定位的系统和方法。
背景技术：
由于数字集成电路功能复杂度和制造集成度的迅速提升，因厂家制造和用户使用而导致的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高效故障检测及故障定位能大幅缩短武器装备的故障排查和维修时间，提高武器装备的综合战斗力，所以测试技术越来越受到各国军界的重视。目前武器装备系统广泛采用的集成测试维修体系分为两大类，即在线测试法和离线测试法。在线测试法是指将被测试件装入装备整机内，依赖装备整机自身产生测试激励， 通过装备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。该方法由于使用装备整机作为测试设备，方法简便，额外研制生产的设备较少。但若在阵地级维修中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执勤，同时有扩大故障范围的隐患；若在基地级维修中使用该方法则需要额外购置一套完整的装备，成本较高，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。离线测试法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或定位的测试方法。目前采用最多的是基于边界扫描技术的离线测试方法，但是应用这项技术需要被测件电路板本身在设计时增加209Γ30%的硬件电路，而且必须应用支持ΙΕΕΕ1149. 1可测试性标准的器件。 到目前为止国产电子装备出于成本和性能的考虑，很少采用支持边界扫描技术的设计，对于极少数支持边界扫描技术的电路板在测试时也存在一个很大的问题，就是需要将被测件的固件和软件擦除，也就是将其具有的功能性特征擦除才可以采用边界扫描技术测试，这样非常不利于服役产品的技术状态控制。对于现役装备无论采用依赖整机的在线测试法还是基于边界扫描技术的离线测试法都存在一定的弊端，所以迫切需要一种能在脱离整机并且不改变被测件状态的前提下进行故障检测定位的系统和方法。
发明内容
本发明提供一种基于功能测试的数字电路故障检测和故障定位的系统和方法，实现在脱离整机并且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。数字逻辑电路的特征是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。本发明中所述场景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。器件包含1个或多个部件，所谓部件是能完成独立功能的器件的一部分，例如1片74HC244集成电路含有8个独立的部件，其中一个部件发生故障即认定该器件故障。本发明所提供的解决方案是
故障检测定位系统包括上位机、程控电源、仪表、网络交换机、下位机、适配器、被测件。其中上位机用于人机交互，通过数字接口实现对程控电源和仪表的控制和数据采集，并存储场景数据库，通过网络控制下位机实现测试激励的产生，同时对下位机的测试结果进行综合解析。程控电源通过数字接口与上位机相连，程控电源受上位机控制，为下位机和被测件供电。仪表通过数字接口受控于上位机，通过硬件探针实现对被测件的信号采集。网络交换机通过网络连接上位机、被测件和下位机。下位机根据上位机的指令产生测试激励， 并对测试响应进行采集并上报上位机。适配器是一块无源的印刷电路板，实现被测件和下位机的接口匹配连接。基于功能的数字电路故障检测定位方法是根据被测件的输入输出信号设计单一、 复合、针对性3类测试场景，其中单一场景选择输入/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，一旦场景测试不通过即可确定该器件损坏；复合场景根据被测件的输入和输出信号设计场景，保证被测件对外的每个输入和输出信号均至少翻转一次即0到1或者1到0变化一次，如果能够使通道上器件的输入输出完全翻转一次的场景组测试通过，则认定这个场景组所涉及的已翻转的部件全部正常； 针对性场景针对被测件完成功能所涉及的每个器件的每个部件设计场景，使指定器件的输入和输出根据测试激励的翻转而翻转。根据场景数据库对被测件的硬件通道进行三轮遍历检测第一轮单一场景测试找到绝对损坏或绝对正常的器件，第二轮复合场景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，第三轮针对性场景测试在第二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。故障检测定位首先通过被测件外接信号进行自动的场景测试，逐步排除正常的元器件以逼近故障嫌疑器件，在存在串联模型的情况下最后通过精确的仪表探针辅助测量确定故障元器件。此故障检测方法的关键在于场景的设计，并基于被测件对外连接的所有输入信号和输出信号编制场景。一般情况下，任何一个输入信号总会影响至少一个输出信号，任何一个输出信号总是至少受一个输入信号影响。假设被测件对外连接的信号中有 个输入信号和■个输出信号，为了达到每个信号翻转一次的要求，则场景数总可以设计
成2( + ι )个。对于输入信号的检测方法为对于任何一个输入信号馮，同时可能需要辅助其他输入信号巧，总有被它影响的结果输出鳥，这个场景即可描述为( + 馬》。改变足以引起输出状态式变化的输入信号芩状态，判断输出结果疼是否发生预期变化以判断该输入信号是否被正确响应。接着还需要为场景0 + )设计一个对偶场景为( +!^ ,
如果涡+戽式)和(运+晷豕)组成的场景组测试响应完全正确，可以判断出该场景组所经过的且已正常翻转的与输入信号S和输出信号R相关的部件为无故障部件。同理，对于任何一个输出信号裕，总有影响其状态的输入信号岑，同时可能需要辅助其他输入信号巧。
改变足以引起输出状态Λ/变化的输入信号巧的状态，判断输出结果Λ/是否产生预期变化
以判断该输入信号岑是否被正确响应。同样针对每个输出信号^ 至少可以编写两个场景
( -+/^jSj)和φ, Ε^Ιβ。这些场景可以分为两类单一场景和复合场景。单一场景是指从信号输入到信号输出仅经过一个器件的硬件通道，复合场景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场景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%。此外还需要一种针对性场景，针对性场景是针对某个器件Λ的单个部件#设计的场景，用于解决串联模型下故障的精确定
位，场景中测试激励基于上面所述输入信号来产生，原则上采用使部件的输入馬和对应的输出Je管脚上能够产生翻转的信号，这些场景可描述为(Si +Ft^BlJ , iSt +FtH)。本发明结合了基于功能测试的测试法和基于探针测量的测试法，其有益效果是不用更改被测件的技术状态，避免出现因为测试需要而造成人为的技术状态混乱，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。
图1为本发明的系统结构示意图。图2为本发明的一个实施例的下位机组成框图。图3为本发明的一个实施例的被测件原理图。图4为本发明的一个实施例中对应图3被测件的适配器原理图。图5为本发明的一个实施例的测试流程示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本系统包括上位机1、仪表2、程控电源3、网络交换机4、被测件5、适配器6、下位机7七个部分。其中上位机1通过GPIB接口与程控电源和仪表相连，通过网络接口与网络交换机相连。上位机1为一台PC机，用于人机交互、数据存储和解析，实现对程控电源3和仪表2 的控制和数据采集，存储测试场景数据库，根据数据库内容通过网络控制下位机7产生测试激励，并且将下位机7的测试结果与数据库场景中的测试响应进行比对判断，进行故障综合解析。程控电源3为Agilent的4通道均可独立调节的程控直流电源N6702A，通过GPIB 接口与上位机1相连，通过供电线缆与仪表2、被测件5和下位机7相连，程控电源3受上位机1的控制，为仪表2、下位机1和被测件5供电。仪表2包括Agilent数字示波器6032A和Agilent数字多用表!M401A，通过GPIB 接口与上位机1相连，受上位机1的控制，实现仪表参数设置和信号采集，通过硬件探针与被测件5相连，实现对被测点的信号采集检测。网络交换机4通过网络接口与上位机1、被测件5和下位机7相连，实现上位机与下位机，被测件5与下位机之间的网络数据中转传输。
下位机7通过网络接口与网络交换机相连，通过网络接口实现与上位机1的数据交互，接收上位机1的指令产生测试激励，并对测试响应进行采集，上报上位机1，因为被测件的输入输出接口与下位机的输入输出接口物理位置不可能完全一致，所以下位机7通过适配器6连接被测件5。适配器6是一块无源的印刷电路板，实现被测件5和下位机7的接口匹配连接。如图2所示对下位机具体实施例进行说明。下位机具体功能电路包括CPU模块8、 可编程逻辑器件(FPGA)9、电平转换电路10、驱动电路11。CPU模块8采用Digital Logic 的MSM586-SEV-128M-E48，通过PC104总线与可编程逻辑器件(FPGA)9相连，CPU模块8的网络接口与图1中的网络交换机相连，CPU模块8接收上位机的指令，配合可编程逻辑器件 (FPGA) 9产生被测件所需要的测试激励，同时将可编程逻辑器件(FPGA) 9采集到的被测件响应结果回送上位机。可编程逻辑器件(FPGA) 9采用Altera的EP2C35F672I8，主要用于产生测试激励和对被测件响应结果的初步处理。电平转换电路10用于将可编程逻辑器件 (FPGA) 9输出的TTL信号转换成RS422电平信号，以适应被测件输入输出接口不同电平的需求。驱动电路11用于将可编程逻辑器件(FPGA) 9输出的TTL信号与被测件的TTL信号进行隔离保护。如图3所示给出一个被测件的具体实施例。下面根据这个被测件的实施例对发明进行描述。被测件实现的是4个输入信号之间的逻辑组合形成8个输出。其中涉及的器件有D1、D2、D3、D4、D5。Dl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74HCM4。本发明基于被测件的功能，所以功能上不使用的部分不在检测的范围内。根据发明内容中的部件概念，故障检测只涉及到Dl的1个部件，D2的1 个部件，D3的1个部件，D4的7个部件和D5的1个部件。下表是对每个部件的描述。
权利要求
1.一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法，其特征是所述的一种基于功能的数字电路故障检测定位方法如下根据被测件的输入输出信号设计单一、复合、针对性3类测试场景，根据场景数据库对被测件的硬件通道进行三轮遍历检测第一轮单一场景测试找到绝对损坏或绝对正常的器件，第二轮复合场景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，第三轮针对性场景测试在第二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；所述一种基于功能的数字电路故障检测定位系统，包括上位机、程控电源、仪表、网络交换机、下位机、适配器、被测件；上位机用于人机交互，实现对程控电源和仪表的控制和数据采集，并存储场景数据库，通过网络控制下位机实现测试激励的产生，同时对下位机的测试结果进行综合解析；程控电源通过数字接口与上位机相连，程控电源受上位机控制，为下位机和被测件供电；仪表通过数字接口受控于上位机，通过硬件探针实现对被测件的信号采集；网络交换机连接上位机、被测件和下位机；下位机根据上位机的指令产生测试激励，并对测试响应进行采集并上报上位机； 适配器是一块无源的印刷电路板，实现被测件和下位机的接口匹配连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法，其特征是所述3类测试场景，包括单一场景、复合场景和针对性场景；其中单一场景选择输入/ 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， 一旦场景测试不通过即可确定该器件损坏；复合场景根据被测件的输入和输出信号设计场景，保证被测件对外的每个输入和输出信号均至少翻转一次即0到1或者1到0变化一次，如果能够使通道上器件的输入输出完全翻转一次的场景组测试通过，则认定这个场景组所涉及的已翻转的部件全部正常；针对性场景针对被测件完成功能所涉及的每个器件的每个部件设计场景，使指定器件的输入和输出根据测试激励的翻转而翻转。
3.根据权利要求1所述的一种基于功能的数字电路故障检测定位系统和方法，其特征是下位机包括CPU模块，可编程逻辑器件，电平转换电路、驱动电路；CPU模块通过PC104 总线与可编程逻辑器件相连，CPU模块的网络接口与网络交换机相连，CPU模块接收上位机的指令，配合可编程逻辑器件产生被测件所需要的测试激励，同时将可编程逻辑器件采集到的被测件响应结果回送上位机，电平转换电路将可编程逻辑器件输出的TTL电平转换成 RS422电平信号，以适应被测件输出接口对不同电平的需求，驱动电路将可编程逻辑器件输出的TTL信号与被测件的TTL信号进行隔离保护。
全文摘要
本发明公开了一种基于功能测试的数字电路故障检测定位系统及方法，该系统由上位机、网路交换机、下位机、程控电源、仪表、被测件、适配器构成；该方法根据被测件的输入输出信号设计单一、复合、针对性3类测试场景，上位机根据场景数据库控制下位机对被测件的硬件通道进行三轮遍历检测第一轮单一场景测试找到绝对损坏或绝对正常的器件，第二轮复合场景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，第三轮针对性场景测试在第二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。本发明在提高自动化程度的同时降低了故障误判率。
文档编号G01R31/3181GK102435938SQ20111033181
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者刘健, 段晓超, 段玲琳, 苏桂芝, 赵艳丽 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所