专利名称：一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法
技术领域：
本发明提供一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，它涉及一种基于故障仿真和故障注入的数模混合的容错系统故障模式及影响分析方法，属于电子产品可靠性领域。
背景技术：
随着现代控制理论和计算机技术的发展，采用容错技术已经成为提高系统可靠性的有效手段之一。本发明研究对象为某电路模块，该模块结构具有容错功能，可以使该模块在发生故障或错误的情况下仍然能够正确执行功能。此容错结构具有良好的重构能力和一定的通用性，并实现了基于层次式容错故障检测恢复机制的多种容错策略。
现有故障影响分析技术需做到以下几个关键部分，即故障模式分析全面，故障原因正确认识，故障影响推理正确。该模块作为电路的重要部分，对其故障模式及影响的分析对电路的可靠性研究具有十分重要的意义。但是，容错系统对故障的屏蔽功能使得故障影响的分析更为复杂，传统的故障模式及影响分析多以工程经验为主，加之人工分析，已难以完成对带有容错系统的电路模块的故障影响分析。
发明内容
1、目的:本发明的目的是提供一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，弥补运用传统故障影响分析方法时，由于电路结构和容错系统构成较为复杂导致人工分析和工程经验难以完成故障影响分析的缺陷。本方法涉及对模拟电路和数字芯片的建模和仿真，对故障模式进行建模，并将故障模型注入电路模型中，观察和分析故障影响，以达到对故障影响的合理判定。2、技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的，作为研究对象的某电路容错系统，由外围模拟电路和内部数字芯片组成，是由模拟电路和数字电路组成的数模混合电路，对数模混合电路进行故障仿真、注入等分析。首先，对某电路模块进行分析，以外围模拟电路为研究对象，总结电路中元器件的故障模式集；然后，用基于集成电路模拟仿真(Simulation program with integrated circuit emphasis,简称 SPICE)的电子设计白动化(Electronic Design Automation,简称EDA)分析工具对电路的正常模型和元器件的故障模式进行建模，并将建立的故障模型注入电路模型中，观察并记录故障输出，用矩阵实验室(Matrix Laboratory,简称Matlab)等数据处理软件对故障输出的特性进行分析,总结变化规律；总结数字芯片接口故障模式和软件错误模式，并用软件语言进行逻辑描述；将模拟电路故障输入、芯片接口故障和软件错误进行筛选和组合，注入数字芯片中，观察故障影响。本发明一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，其具体步骤如下:步骤一:外围正常电路建模根据电路模块的结构图和实体图对电路模块进行元器件分析，得到电路模块基本元器件组成，主要分为外围模拟电路和数字功能芯片两大部分，用基于SPICE的EDA分析软件对外围模拟电路以图形方式对电路图进行绘制，并进行电路检查，对生成的电路模型进行模拟和仿真计算。步骤二:建立元器件故障模式集分析电路模块的外围模拟电路，总结电路中元器件的种类，通过查询GJB/Z-299C，建立相应兀器件的故障模式集。步骤三:外围模拟电路故障建模在得到元器件故障模式集的基础上，在EDA分析软件中对元器件的故障模式进行建模，用不同参数的元器件(也可用SPICE语言)对故障进行描述。步骤四:外围模拟电路故障注入根据环境影响和各种故障出现的概率，筛选出元器件可能出现的故障种类，同时将不同元器件的故障类型进行组合，注入到外围模拟电路的正常模型中，观察电路的故障输出，总结故障的输入输出特性。步骤五:芯片接口故障模式和软件错误类型总结通过查询文献资料，对数 字芯片接口的故障模式和加载到芯片上的软件错误类型进行总结，建立故障模式集。步骤六:对数字芯片输入故障进行逻辑描述用数字芯片的程序语言对数字芯片输入的故障进行逻辑描述，输入故障包括外围模拟电路的故障输出、芯片接口故障和芯片内部软件错误。步骤七:观察和分析电路模块的故障影响将外围模拟电路的故障输出、芯片接口故障和芯片内部软件错误(当有多个错误时，应对错误进行组合)注入数字芯片，观察芯片的故障输出，分析芯片的容错功能，并分析故障对该模块以及整个电路的故障影响。其中，在步骤四中所述的外围模拟电路故障注入，其具体做法如下:将正常电路模型看作母电路，在故障注入时，用故障元器件的模型替换正常元器件，插入到正常电路中，开启电路，进行故障影响分析。其中，在步骤六中所述的对数字芯片输入故障进行逻辑描述，其具体做法如下:芯片程序为C语言程序设计，故本文对外围电路故障输入和芯片接口故障用C语言进行逻辑描述。a.外围电路故障输入外围电路元器件故障导致故障输出为无输出和输出幅值变化，因此只要在C语言程序中将输入的值进行修改即可。b.芯片接口故障按照测试要求在需求处，如输入处或待检测程序模块，调用故障函数，对输入进行预处理，再作为故障输入程序观察故障影响。( I)翻转这一故障导致芯片管脚高低电平翻转。i I in ianzhuaiHiiU a)
int b; b= a; return b:1_I___(2)其他其他故障模式可以直接修改输入值，置0即输入值改为0，置I即为输入值为1，高阻态为管脚输入值为I。c.软件错误程序由各模块和子函数组成，软件错误可以通过修改参数、添加或删除子函数等方式进行逻辑描述。通过对电路模块外围模拟电路和数字功能芯片的故障仿真和故障注入，最终实现对电路模块容错电路的故障模式分析和故障影响的合理判定，进而为提高容错电路可靠性提供理论和实践的支撑，具有重要的工程意义。其中，在步骤七中所述的观察和分析电路模块的故障影响，是指，将外围模拟电路故障输出、芯片接口故障和软件错误分别或组合输入芯片程序中，以检测容错系统对软件错误和硬件错误的屏蔽能力。3、优点及功效:本发明一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，具有以下优
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1.本发明利用的是软硬结合的仿真故障注入的方法。仿真故障注入从建立元器件和电路板的故障模型出发，构建统一的电路性能和可靠性仿真分析环境，利用仿真和故障注入的技术手段，综合分析电路中`元器件损伤、参数漂移、温度等对性能的影响，能够有效缩短系统设计周期、并节省设计费用。同时，本发明将硬件故障和软件错误分别或组合注入容错系统中，观察和分析容错电路对硬件故障和软件错误的屏蔽性能，全面考虑容错系统的容错性能。2.本发明的研究对象是数模混合电路，数模混合是现在电子产品的重要特点之一，针对数模混合电路的分析，对电子产品可靠性的设计和分析具有广泛和重要的意义。3.容错技术通过增加系统额外开销，采取冗余措施，对故障实现屏蔽，大大提高了系统的可靠性，是目前电子产品广泛使用的技术。容错系统结构与工作原理与非容错系统有着根本区别，较为复杂，其故障模式和故障影响分析的难度也大大增加，本发明利用仿真故障注入的方法，能够更方便地实现对容错系统故障模式和故障影响的合理判定。
图1是本发明方法流程图。图2是本发明实施例的电路模块功能框图。图3是本发明实施例的PSpice故障注入和仿真流程。图4是本发明实施例的Multisim建模结果。图5是本发明实施例的正常电路输出波形。图6 Ca)是本发明实施例的电阻Rl的参数变化示意图
图6 (b)是本发明实施例的电阻R2的参数变化示意6 (C)是本发明实施例的电容Cl的参数变化示意6 (d)是本发明实施例的电容C2的参数变化示意6 (e)是本发明实施例的电容C3的参数变化示意7是本发明实施例的容错流程图。图中代号说明如下:图4中，Rl、R2表示电阻，Cl、C2、C3表示电容，Vl表示交流电压源，XSCl表示示波器，用来显不输入与输出电压之间的关系。
具体实施例方式作为研究对象的某电路容错系统，由外围模拟电路和内部数字芯片组成，是由模拟电路和数字电路组成的数模混合电路，对数模混合电路进行故障仿真、注入等分析。下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。以下实施例是按照如图1所示的流程进行实施的，以某电路模块为研究对象，其功能框图如图2所示，电路模块由外围模拟电路和数字功能芯片组成，外围模拟电路的采样电压和电流通过芯片接口传输到数字芯片，数字芯片内部程序对这些采样数据进行处理后输出处理结果。以某电路模块为研究对象，基于故障仿真的方法，对电路模块容错系统的纠错、重构能力进行分析，以实现对其故障影响的合理判定。
其具体实施步骤如下:步骤一:外围正常电路建模用EDA分析软件对模拟电路进行故障影响分析，其分析流程如图2、3所示，建立电路功能的正常模型，然后对电路进行分析，总结元器件故障模式集，考虑影响因素后，对故障进行建模，将故障模型注入电路正常模型中，对电路进行仿真，用故障判据对仿真结果进行判定和分析。首先，分析电路模块的外围模拟电路，总结电路中元器件的种类。外围模拟电路共有10块，分为锰铜采样电路、CT采样电路、控制电路等，其中锰铜采样电路是影响功能实现的关键电路，故选择锰铜采样电路为典型电路进行建模。电路用MultiSim建模结果如图3、4。步骤二:建立元器件故障模式集分析电路模块的外围模拟电路，总结电路中元器件的种类，通过查询GJB/Z-299C，得到相应元器件的故障模式集，如表I所示。表I元器件故障模式集
权利要求
1.一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，其特征在于下:该方法的步骤如下: 步骤一:外围正常电路建模 根据电路模块的结构图和实体图对该模块进行元器件分析，得到某电路模块基本元器件组成，主要分为外围模拟电路和数字功能芯片两大部分，用PSpice等EDA分析软件对外围模拟电路以图形方式对电路图进行绘制，并进行电路检查，对生成的电路模型进行模拟和仿真计算； 步骤二:建立元器件故障模式集 分析电路模块的外围模拟电路，总结电路中元器件的种类，通过查询GJB/Z-299c，建立相应元器件的故障模式集； 步骤三:外围模拟电路故障建模 在得到元器件故障模式集的基础上，在PSpice等EDA分析软件中对元器件的故障模式进行建模，用SPICE语言或不同参数的元器件对故障进行描述； 步骤四:外围模拟电路故障注入 根据环境影响和各种故障出现的概率等，筛选出元器件可能出现的故障种类，同时将不同元器件的故障类型进行组 合，注入到外围模拟电路的正常模型中，观察电路的故障输出，总结故障的输入输出特性； 步骤五:芯片接口故障模式和软件错误类型总结 通过查询文献资料，对数字芯片接口的故障模式和加载到芯片上的软件错误类型进行总结，建立故障模式集； 步骤六:对数字芯片输入故障进行逻辑描述 用数字芯片的程序语言对数字芯片输入的故障进行逻辑描述，输入故障包括外围模拟电路的故障输出、芯片接口故障和芯片内部软件错误； 步骤七:观察和分析电路模块的故障影响 将外围模拟电路的故障输出、芯片接口故障和芯片内部软件错误单独或进行组合注入数字芯片，观察芯片的故障输出，分析芯片的容错功能，并分析故障对电路模块以及整个电路的故障影响。
2.根据权利要求1所示的一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，其特征在于下:在步骤四中所述的外围模拟电路故障注入，其具体做法如下:将正常电路模型看作母电路，在故障注入时，用故障元器件的模型替换正常元器件，插入到正常电路中，开启电路，进行故障影响分析。
3.根据权利要求1所示的一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，其特征在于下:在步骤六中所述的对数字芯片输入故障进行逻辑描述，其具体做法如下: 芯片程序为C语言程序设计，故本文对外围电路故障输入和芯片接口故障用C语言进行逻辑描述； a.外围电路故障输入 外围电路元器件故障导致故障输出为无输出和输出幅值变化，因此只要在C语言程序中将输入的值进行修改即可； b.芯片接口故障 按照测试要求在需求处，如输入处或待检测程序模块，调用故障函数，对输入进行预处理，再作为故障输入程序观察故障影响； (1)翻转 这一故障导致芯片管脚高低电平翻转；
4.根据权利要求1所示的一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，其特征在于下:在步骤七中所述的观察和分析电路模块的故障影响，是指，将外围模拟电路故障输出、芯片接口故障和软件错误分别或组合输入芯片程序中，以检测容错系统对软件错误和硬件错误的屏蔽能力。
全文摘要
本发明是一种基于仿真的容错电路故障影响分析方法，其步骤如下1.外围正常电路建模。2.元器件故障模式集总结。3.外围模拟电路故障建模。4.外围模拟电路故障注入。5.芯片接口故障模式和软件错误类型总结。6.对数字芯片输入故障进行逻辑描述。7.观察和分析电路模块的故障影响。它能够有效缩短系统设计周期、节省设计费用，大大提高了系统的可靠性，它利用仿真故障注入的方法，能够更方便地实现对容错系统故障模式和故障影响的合理判定。
文档编号G06F17/50GK103246771SQ20131017085
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月10日 优先权日2013年5月10日
发明者李梓, 陈云霞, 康锐 申请人:北京航空航天大学