一种航天器开关矩阵故障检测及定位装置的制作方法

本发明属于航天器综合电子技术领域，具体涉及一种航天器开关矩阵故障检测及定位装置。

背景技术：

开关控制是航天器重要的电路组成部分，通常航天器开关控制使用继电器或MOS管等实现，但无论是继电器还是MOS管均存在一定的失效故障模式，因此为了增强设计的可靠性，一般会对继电器或MOS管实现的开关控制电路采用串联或并联的设计方式来组成开关矩阵，以此增强开关控制电路设计的可靠性。另外为了了解开关控制电路的工作状态，需要对开关控制电路中的各路开关的状态进行检测，传统的开关工作状态检测方法中，通常是在开关电路中使用霍尔器件或者在开关控制电路中设置状态量以及遥测量的方式来判断开关电路工作是否工作正常，然而霍尔器件占用的体积和面积大，重量也大，对于少量的电开关电路工作状态检测尚可，但是对于大量的开关矩阵中的开关电路，需要使用大量的霍尔器件，将导致设计产品重量和体积的上升，不利于设计的优化，而在开关控制电路中设置状态量及遥测量的方式需要每一路开关均设置一个独立的状态或遥测量，从而占用大量的遥测采集通道，这对于航天器上有限的设计资源来说是无法接收的，同时无论使用霍尔器件还是在开关控制电路中设置状态量的方式也只能在一定程度上反映开关控制电路的工作状态，不能对开关控制电路中的开关故障发生点进行定位，这对航天器故障的隔离和恢复带来了困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种航天器开关矩阵故障检测及定位装置，能够在不影响开关电路工作的情况下对开关故障进行检测和故障点定位。

实现本发明的技术方案如下：

一种航天器开关矩阵故障检测及定位装置，包括自测试向量生成单元、一组以上的自测试隔离单元和一组以上的自测试状态生成单元；自测试隔离单元与自测试状态生成单元一一对应；

所述自测试向量生成单元用于生成与开关矩阵中各开关一一对应的测试向量并输送至开关矩阵，所述测试向量控制开关矩阵中对应开关的导通或关断；

每组自测试隔离单元设置在开关矩阵的相邻两级开关之间，所述自测试隔离单元包括自测试隔离模块a和自测试隔离模块b，所述自测试状态生成单元包括自测试状态生成模块a和自测试状态生成模块b；其中，自测试隔离模块a设置在相邻两级开关中上一级开关与用户负载之间，自测试隔离模块b设置在相邻两级开关中下一级开关与用户负载之间，自测试隔离模块a用于对相邻两级开关中上一级开关与用户负载之间的各路信号进行隔离，并将隔离后的信号合为一路后输送给与其对应的自测试状态生成模块a；自测试隔离模块b用于对相邻两级开关中下一级开关与用户负载之间的各路信号进行隔离，并将隔离后的信号合为一路后输送给与其对应的自测试状态生成模块b；

自测试状态生成模块a接收自测试隔离模块a输送的信号，并对信号的电平状态转换后得到自测试状态信号a，自测试状态生成模块b接收自测试隔离模块b输送的信号，并对信号的电平状态转换后得到自测试状态信号b，根据各测试向量下的自测试状态信号a和自测试状态信号b对开关矩阵的故障进行检测和定位；

故障检测时，在测试向量的控制下，将所有开关分别进行全部导通、全部关断、各级依次全部导通、各级依次全部关断操作，在各操作下根据获得的自测试状态信号a和自测试状态信号b的状态对开关矩阵中的各级开关是否存在短路或断路故障进行检测；

如果n级开关矩阵中第k级(k∈(1，n)，n>1)开关存在短路故障，则将1～k-1级以及k+1～n级开关全部闭合，将k级开关全部断开，记录此时的自测试状态信号a和自测试状态信号b，之后将k+1～n级并联关系开关依次断开，每次操作保证只有一路并联开关处于断开状态，且当k＝n时，对k+1～n级开关的操作由对1～k-1级开关操作替代，每次操作根据自测试状态信号a和自测试状态信号b分别与k级开关全部断开时记录的自测试状态信号a和自测试状态信号b相比是否变化判断该路k级开关是否存在短路故障，如果任意一个状态变化，说明存在短路故障；

如果n级开关矩阵中第k级(k∈(1，n)，n>1)开关存在断路故障，则将1～k-1级以及k+1～n级开关全部闭合，将k级开关全部断开，记录此时的自测试状态信号a和自测试状态信号b，之后将第k级开关依次闭合，同时将k+1～n级并联关系开关依次断开，每次操作保证只有一路并联开关的k级开关处于闭合，k+1～n级开关处于断开，且当k＝n时，对k+1～n级开关的操作由对1～k-1级开关操作替代，每次操作根据自测试状态信号a和自测试状态信号b分别与k级开关全部断开时记录的自测试状态信号a和自测试状态信号b相比是否变化判断该路k级开关是否存在断路故障，如果状态均无变化，说明存在断路故障。

进一步地，所述自测试向量生成单元根据开关矩阵正常工作时对开关导通与关断的控制方式生成测试向量。

进一步地，所述自测试隔离模块a和自测试隔离模块b通过二极管、三极管、光耦或磁耦实现信号的隔离。

进一步地，在所述自测试隔离模块a中，相邻两级开关中上一级开关与用户负载之间的各路信号通过分别连接一个以上串联的二极管实现信号的隔离，隔离后的信号合为一路并输出，自测试隔离模块a中的所有二极管同向；在自测试隔离模块b中，用户负载与相邻两级开关中下一级开关之间的各路信号通过分别连接一个以上串联的二极管实现信号的隔离，隔离后的信号合为一路并输出，自测试隔离模块b中的所有二极管同向；自测试隔离模块a的二极管与自测试隔离模块b的二极管方向相反。

进一步地，所述自测试隔离模块a和自测试隔离模块b均利用光耦将自测试隔离单元输出的信号转化为光电流，即生成自测试状态信号。

有益效果：

(1)本故障检测及定位装置弥补了开关电路中无法精确定位故障位置的缺陷，在开关矩阵电路中增加了自测试隔离单元和自测试状态生成单元，仅需要很小的电路开销即可完成对电路矩阵中所有开关的故障检测和定位，便于设计实现和设计优化，可对开关的短路以及断路故障进行检测并定位故障发生的位置。

(2)本故障检测及定位装置中的测试向量所需的开关控制与开关矩阵正常工作时所需的开关控制方式一致，简化了测试向量的设计，并且通过简单的测试向量设计即可实现全面的测试覆盖性。

(3)本故障检测及定位装置的自测试隔离单元采用二极管实现信号隔离功能，不耗费电能，并且自测试隔离模块a和自测试隔离模块b中二极管的排布设计结合自测试状态生成模块a和自测试状态生成模块b的自测试状态信号能够精确地检测排查出故障类型及发生位置。

(4)本故障检测及定位装置的自测试隔离单元通过两个以上串联的二极管实现对各路开关信号的隔离，增强自测试隔离单元的可靠性。

(5)本故障检测及定位装置的自测试状态生成单元(即光耦)的工作电流仅为几毫安，与开关矩阵的工作电流相比几乎可以忽略，所以在开关矩阵中开关电路正常工作期间，本发明装置不会对开关电路产生任何影响。

(6)本故障检测及定位装置可精确定位发生故障的位置，为故障的隔离和恢复提供了技术基础，相比传统粗放式的主备份切换方式，可以仅对发生故障的开关电路进行隔离和恢复，提升了电路的利用效率。

附图说明

图1为本发明开关矩阵故障检测及定位装置组成原理图。

图2为本发明开关矩阵故障检测及定位装置实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种航天器开关矩阵故障检测及定位装置，包括自测试向量生成单元、一组以上的自测试隔离单元和一组以上的自测试状态生成单元；自测试隔离单元与自测试状态生成单元一一对应；

所述自测试向量生成单元用于生成与开关矩阵中各开关一一对应的测试向量并输送至开关矩阵，所述测试向量控制开关矩阵中对应开关的导通或关断；所述测试向量仅对独立的开关进行导通或者关断控制。所述自测试向量生成单元可与开关矩阵正常工作时的开关控制单元合一，其测试向量控制开关的导通与关断的控制方式与开关矩阵正常工作时对开关导通与关断的控制方式一致，在不增加电路开销的情况下实现开关矩阵的自测试功能，自测试向量生成单元输出测试向量信号到开关矩阵中，对开关矩阵中的各路开关进行导通或关断操作。

每组自测试隔离单元设置在开关矩阵的相邻两级开关之间，且任意相邻两级开关之间均设置有用户负载，所述自测试隔离单元包括自测试隔离模块a和自测试隔离模块b，所述自测试状态生成单元包括自测试状态生成模块a和自测试状态生成模块b；其中，自测试隔离模块a设置在相邻两级开关中上一级开关与用户负载之间，自测试隔离模块b设置在相邻两级开关中下一级开关与用户负载之间，自测试隔离模块a用于对相邻两级开关中上一级开关与用户负载之间的各路信号进行隔离，并将隔离后的信号合为一路后输送给与其对应的自测试状态生成模块a；自测试隔离模块b用于对相邻两级开关中下一级开关与用户负载之间的各路信号进行隔离，并将隔离后的信号合为一路后输送给与其对应的自测试状态生成模块b。

所述自测试隔离模块a和自测试隔离模块b通过二极管、三极管、光耦或磁耦实现信号的隔离。

在所述自测试隔离模块a中，相邻两级开关中上一级开关与用户负载之间的各路信号通过分别连接一个以上串联的二极管实现信号的隔离，隔离后的信号合为一路并输出，自测试隔离模块a中的所有二极管同向；在自测试隔离模块b中，用户负载与相邻两级开关中下一级开关之间的各路信号通过分别连接一个以上串联的二极管实现信号的隔离，隔离后的信号合为一路并输出，自测试隔离模块b中的所有二极管同向；自测试隔离模块a的二极管与自测试隔离模块b的二极管方向相反。

随着测试向量对开关矩阵中不同开关的导通或关断控制，开关矩阵中的各路信号也会随之导通或关断，自测试隔离单元对开关矩阵中各路开关信号的导通以及关断的信号状态进行隔离，并将隔离后信号合为一路，如果开关矩阵中仅有一个开关，则所述开关矩阵故障检测及定位装置可不包含自测试隔离电路。

根据开关矩阵中开关的串并联关系，一个开关矩阵故障检测及定位装置中可包含1或多组自测试隔离单元及自测试状态生成单元，通过多个产生的自测试状态信号的状态以及相互之间的关系对开关矩阵中的各个开关故障进行检测和定位。对于开关矩阵中并联关系的开关，即同一级的开关共用一组自测试隔离单元及一组自测试状态生成单元，对于开关矩阵中串联关系的开关，即处于不同级的开关，需要为串联的开关设置独立的自测试隔离单元及自测试状态生成单元。

自测试状态生成模块a接收自测试隔离模块a输送的信号，并对信号的电平状态转换后得到自测试状态信号a，自测试状态生成模块b接收自测试隔离模块b输送的信号，并对信号的电平状态转换后得到自测试状态信号b，根据各测试向量下的自测试状态信号a和自测试状态信号b对开关矩阵的故障进行检测和定位。所述自测试隔离模块a和自测试隔离模块b均利用光耦将自测试隔离单元输出的信号转化为光电流，即生成自测试状态信号。

对于合路后的信号生成自测试状态信号可极大的降低所述自测试状态生成单元中电路的开销。根据测试向量对开关矩阵中开关的导通以及关断控制，产生相应的自测试状态，每个测试向量均会产生一个自测试状态，通过对自测试状态的采集和判断，结合所操作的测试向量，判断该路开关是否发生故障，判断完毕后，继续下一个测试向量的执行，直到将开关矩阵中所有开关均检测完毕位置。

故障检测时，在测试向量的控制下，将所有开关分别进行全部导通、全部关断、各级依次全部导通、各级依次全部关断操作，在各操作下根据获得的自测试状态信号a和自测试状态信号b的状态对开关矩阵中的各级开关是否存在短路或断路故障进行检测；

如果n级开关矩阵中第k级(k∈(1，n)，n>1)开关存在短路故障，则将1～k-1级以及k+1～n级开关全部闭合，将k级开关全部断开，记录此时的自测试状态信号a和自测试状态信号b，之后将k+1～n级并联关系开关依次断开，每次操作保证只有一路并联开关处于断开状态，且当k＝n时，对k+1～n级开关的操作由对1～k-1级开关操作替代，每次操作根据自测试状态信号a和自测试状态信号b分别与k级开关全部断开时记录的自测试状态信号a和自测试状态信号b相比是否变化判断该路k级开关是否存在短路故障，如果任意一个状态变化，说明存在短路故障；

如果n级开关矩阵中第k级(k∈(1，n)，n>1)开关存在断路故障，则将1～k-1级以及k+1～n级开关全部闭合，将k级开关全部断开，记录此时的自测试状态信号a和自测试状态信号b，之后将第k级开关依次闭合，同时将k+1～n级并联关系开关依次断开，每次操作保证只有一路并联开关的k级开关处于闭合，k+1～n级开关处于断开，且当k＝n时，对k+1～n级开关的操作由对1～k-1级开关操作替代，每次操作根据自测试状态信号a和自测试状态信号b分别与k级开关全部断开时记录的自测试状态信号a和自测试状态信号b相比是否变化判断该路k级开关是否存在断路故障，如果状态均无变化，说明存在断路故障。

本发明的具体实施例如下：

如图2所示，开关矩阵中共有2n个开关，其中n个为一级开关，n个为2级开关，在1级开关和2级开关之间为用户负载，这种开关矩阵典型的可应用于航天器的功率驱动电路中，其中开关矩阵中的每路1级开关与2级开关之间为串联关系，为此为1级开关以及2级开关之间设置1个自测试隔离单元以及自测试状态生成单元，其中自测隔离单元中的自测试隔离单元a位于用户负载电路与1级开关之间，自测试隔离模块a中的所有二极管同向且二极管负极与开关信号连接；自测隔离单元b位于用户负载电路与2级开关之间，自测试隔离模块b中的所有二极管同向且二极管正极与开关信号连接，自测试状态生成单元中的自测试状态生成单元a位于自测隔离单元a与状态生成电源之间，自测状态生成单元b位于自测试隔离单元b与电源地之间。自测试向量生成单元可以采用处理器或FPGA设计实现，用以产生自测试向量对开关矩阵中的开关进行导通或关断控制，自测试隔离单元采用二极管设计实现，通过二极管的单向导通特性对开关矩阵中各路开关信号之间进行隔离，为了增强自测试隔离单元的可靠性，通过两个串联的二极管实现对开关信号的隔离，并为串联关系的开关设置独立的自测试隔离单元，同时将隔离后的开关信号进行合路后送到自测试状态生成单元，自测试状态生成单元根据合路后的开关信号生成相应电平的自测试状态信号，并将自测试状态信号送到自测试向量生成单元，由自测试向量生成单元根据自测试状态信号以及测试向量来综合判断开关矩阵中是否有开关存在故障，具体的实施步骤如下所述。

(1)故障检测

如图2所示，将开关矩阵中的所有1级开关和2级开关设置为全部关断、全部闭合、各级开关依次全部闭合、各级开关依次全部关断状态，根据自测试状态生成单元产生的自测试状态信号对开关矩阵中的开关故障状态进行初始判断，具体如下：

(a)将1级开关及2级开关置于全部关断状态

i.自测试生成状态为‘00’：代表1级开关存在短路故障，2级开关存在短路故障，且1级开关与2级开关故障位于不同路；

ii.自测试生成状态为‘01’：代表1级开关存在短路故障，2级开关正常；

iii.自测试生成状态为‘10’：代表1级开关正常，2级开关存在短路故障；

iv.自测试生成状态为‘11’：正常状态；

(b)将1级开关及2级开关置于全部闭合状态

i.自测试生成状态为‘00’：代表1级开关存在断路故障，2级开关存在断路故障，且1级开关与2级开关故障位于不同路；

ii.自测试生成状态为‘01’：代表1级开关正常，2级开关存在断路故障；

iii.自测试生成状态为‘10’：代表1级开关存在断路故障，2级开关正常；

iv.自测试生成状态为‘11’：正常状态；

(c)将1级开关置于全部关断状态，2级开关置于全部闭合状态

i.自测试生成状态为‘00’：代表1级开关存在短路故障，2级开关存在断路故障，且1级开关与2级开关故障位于同一路，为多重故障；

ii.自测试生成状态为‘01’：代表1级开关全部存在短路故障，且2级存在断路故障，或1级开关存在短路故障，且2级开关全部存在断路故障；

iii.自测试生成状态为‘10’：正常状态；

iv.自测试生成状态为‘11’：代表1级开关全部存在短路故障，或2级开关全部存在断路故障；

(d)将1级开关置于全部闭合状态，2级开关置于全部关断状态

i.自测试生成状态为‘00’：代表1级开关存在断路故障，2级开关存在短路故障，且1级开关与2级开关故障位于同一路，为多重故障；

ii.自测试生成状态为‘01’：正常状态；

iii.自测试生成状态为‘10’：代表1级开关全部存在断路故障，且2级存在短路故障，或1级开关存在断路故障，且2级开关全部存在短路故障；

iv.自测试生成状态为‘11’：代表1级开关全部存在断路故障，或2级开关全部存在短路故障。

(2)故障定位

根据故障检测所检测出的故障类型，分别实现对各级以及各路开关的断路和短路故障定位，具体如下：

(a)1级开关短路故障定位

i.将1级开关置于全部关断状态，2级开关置于全部闭合状态，自测试生成状态为‘10’；

ii.将2级开关依次关断(保证每次操作只有1路2级开关处于关断状态)，当自测试生成状态变为‘00’时，说明该路1级开关存在短路故障；

(b)2级开关短路故障定位

i.将2级开关置于全部关断状态，1级开关置于全部闭合状态，自测试生成状态为‘01’；

ii.将1级开关依次关断(保证每次操作只有1路1级开关处于关断状态)，当自测试生成状态变为‘00’时，说明该路2级开关存在短路故障；

(c)1级开关断路故障定位

i.将1级开关置于全部关断状态，2级开关置于全部闭合状态，自测试生成状态为‘10’；

ii.将1级开关依次闭合，同时将同一路的2级开关依次关断(保证每次操作只有1路1级开关闭合，2级开关关断)，当自测试生成状态变为‘00’时，说明该路1级开关不存在断路故障，当自测试生成状态没有变化时，说明该路1级开关存在断路故障；

(d)2级开关断路故障定位

i.将2级开关置于全部关断状态，1级开关置于全部闭合状态，自测试生成状态为‘01’；

i.将2级开关依次闭合，同时将同一路的1级开关依次关断(保证每次操作只有1路2级开关闭合，1级开关关断)，当自测试生成状态变为‘00’时，说明该路2级开关不存在断路故障，当自测试生成状态没有变化时，说明该路2级开关存在断路故障。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。