电子设备测试装置的通用测试工装及其测试方法

李 刚，马彦恒

1.滁州学院电子与电气工程学院，安徽滁州，239000；

2.中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄，050003

现代电子装备功能越来越先进、系统构成越来越复杂，在其发生故障后，利用测试装置测试其故障的难度也越来越大。由于现代电子装备的复杂性，导致其测试装置的设计、开发难度也越来越大，电子测试装置的测试能力是否能够达到设计要求也成为了一个越来越难以保证的问题。

为了确保电子测试装置的设计、开发能够满足设计要求，需要在电子测试装置的研制阶段和开发出来以后，进行功能和性能的验证。目前一般是针对特定电子测试装置，使用相应的电子装备实物进行物理故障注入［1-3］，然后利用电子测试装置对故障进行测试；或者开发专用测试工装，模拟电子装备实物的故障信号，提供给电子测试装置进行测试，验证电子测试装置的测试能力［4-6］。对于第一种做法，将物理故障注入电子装备，可能会造成对电子装备的损害，甚至是机毁人亡的灾难，而且很多的故障是无法注入到电子装备中的。对于第二种做法，需要针对不同的测试装置开发专用的测试工装，需要耗费大量的时间和费用，开发难度也比较大，一般的电子测试装置研发、生产单位都承担不起这样的成本，导致无测试工装可用。

针对这一现状，本文探讨了一种电子测试装置的通用测试工装技术，其利用电路仿真模型代替实物电子设备，利用虚拟仪器技术模拟产生电子设备的正常和故障物理信号。这样可以为各种不同的电子测试装置提供一个通用的测试平台，产生所需要的各种正常和故障信号，以验证各种不同电子测试装置的功能和性能。此通用工装和相应方法，为电子测试装置研制阶段对设计水平的评价、验证提供了一个有效的手段。

1 电子测试装置通用测试工装总体设计方案

电子测试装置通用测试工装总体组成框架如图1所示，由客户端、服务器、虚拟仪器和测试适配器四部分组成。

图1 测试设备通用验证工装总体组成结构

客户端主要功能是利用电路仿真软件建立电子装备（即电子测试装置测试对象）的电路仿真模型，利用电路仿真模型替代电子装备实物。在此基础上，在客户端利用仿真软件向电子装备电路仿真模型中注入仿真故障并进行仿真，得到电子装备各测试点电信号参数的仿真值。客户端实现了对电子装备实物的仿真模拟和对物理故障注入的仿真模拟，最后可以获得电子装备在注入各种故障后，测试点电信号参数的仿真值。但此时获得的电信号参数仿真值只是一系列的数值，并不是实际物理信号。

服务器的主要功能是从客户端获取电信号参数的仿真数据后，对数据进行分析，产生控制虚拟仪器所需的各种参数并下发给虚拟仪器。下发给虚拟仪器的参数主要用于控制虚拟仪器产生与测试点电信号参数一致的物理信号。

虚拟仪器（基于 PCI、PXI、VXI、LXI等总线技术的信号产生板卡或单体信号源）主要功能是根据服务器提供的参数产生各种与测试点电信号参数一致的实际物理信号并传送给测试适配器。虚拟仪器的种类和数量需要根据通用测试工装保障的电子装备类型和测试仪器测试覆盖情况确定和配置。

测试适配器的功能是根据电子装备与测试装置测试连接的接口类型、数量和测试流程，提供单用或复用的测试专用或通用接口以供测试装置验证其对电子装备的测试功能、性能时连接所用。测试适配器可以采用通道复用技术，使得一个测试接口可以提供多个或多种测试信号，以达到降低成本，减小体积和通用化的目的。但是，测试接口的复用必须要保证能够满足测试装置不同测试流程对被测信号和接口的需求。

2 故障仿真的自动注入方法

利用电路仿真软件可以建立电子装备的电路仿真模型，对电子装备各测试点电压、电流等电信号参数进行仿真，并可以对电路仿真模型注入仿真故障，获得故障情况下测试点电信号参数值。目前市场上电路仿真软件种类较多，本文结合通用测试工装的需求，选择PSPICE软件作为电路仿真软件，进行电路故障仿真的自动注入技术研究。

在对故障仿真注入的研究中发现，目前故障仿真注入中存在如下问题［7-9］：（1）注入故障数量大时，需要耗费大量的时间和精力，效率较低；（2）故障注入与故障仿真之间的衔接仍需要手动进行，自动化水平低。这将极大地影响电子设备测试装置通用测试工装应用效果，增加其应用难度。因此，需要研究故障仿真注入的自动化方法和技术。

为了实现故障仿真注入的自动化，客户端软件采用建立故障库的方法进行故障注入。即在进行故障注入前建立一个故障库，将电子零部件或功能模块不同的故障模式形成故障模型并存储到故障库中，需要注入某种类型的故障模式时，直接从库中调用相应的故障模型替换原正常模型即可。这在很大程度上能够提高故障自动注入的效率及自动化水平。

对于简单二端元器件来说，其主要故障模式比较容易实现故障自动注入，在注入过程中直接采用修改参数的方法实现，简便易行，不需要特别建立故障模型；对于复杂元器件或者功能模块，如三极管，其故障模式比较复杂，建立故障模型并存储到故障库中是必要的。故障库建立时，根据仿真软件特点将故障模型以子电路的形式建立，其基本步骤如下：

（1）将元器件的故障模式在仿真软件下创建成子电路的形式，并创建其网表；

（2）使用Symbol Creation Wizard向导创建故障模型的元件符号；

（3）启动模型编辑器Model Editor，生成新的模型库文件.lib和新的符号库文件.olb库文件；

（4）配置故障库文件，新的符号库（.olb）通过“Add Library”配置，新的模型库（.lib）在仿真配置窗口中的“Configuration Files”选项卡进行配置，必须同时配置好两个库文件，才能保证Capture和PSPICE A／D可以找到故障库器件。

采用故障库的方法能够实现故障注入的自动化，但是故障库的故障模型设计的准确度和覆盖面问题也是该方法中待研究和解决的难点，模型准确度问题需要对建立的故障库进行测试验证进而进行修正，覆盖面问题则是长期研究工作的积累，通过不断的积累来完善补充故障库内容。

故障自动注入的核心思想是对PSPICE网表文件的修改和替换。PSPICE的网表文件是纯文本文件，进行PSPICE网表文件搜索匹配和替换操作时，不能提供要查找的确切文字或者文字具体位置，因为PSPICE中的网表文件对于不同的电路是动态变化的，不是对于静态文本中的简单搜索和替换可以完成。所以，对于PSPICE网表文件搜索匹配和替换操作采用文本文件操作的行替换模式及字符匹配进行行替换操作，具体实现流程如图2所示。

3 信号仿真参数获取和下发方法

使用第2节介绍的方法，在客户端将故障注入到电子装备的电路仿真模型中，然后进行电路仿真，便获得了电子装备在注入各种故障后测试点电信号参数的仿真值。但此时获得的电信号参数仿真值只是一系列的数值，并不是实际物理信号。服务器需要获取这些仿真参数并控制虚拟仪器产生各种物理信号。

图2 故障自动注入法流程图

服务器获取仿真参数的方法如下：从客户端载入电子装备仿真后测试点的仿真结果文件，读取文件中各测试点数据，判断是否为周期信号，如果是周期信号，则计算频率、周期等相关参数，还需要根据信号的幅度和虚拟仪器所能产生信号的幅度极限，计算虚拟仪器需要产生的信号幅度和衰减量。如果是非周期信号，则只计算虚拟仪器需要产生的信号幅度和衰减量。选择需要下发给虚拟仪器的测试点信号，判断是否为周期信号，若是周期信号，则截取一个周期进行下发，即将计算所得信号参数和衰减量下发给虚拟仪器。如果是非周期信号，则下发测试点的所有数据，虚拟仪器同步产生物理信号。信号参数获取和下发流程如图3所示。

图3 信号仿真参数获取和下发流程图

测试点电信号是否为周期信号，判别方法不一。本文采用如下方法进行判别：读取客户端仿真结果文件中测试点所包含的时间和电压、电流等电信号数值，并保存在数组中。遍历数据找到电压的最大值和最小值，计算出电压的中间值；通过循环判断电压在上一时间点小于中间值，下一时间点大于中间值的时间并记录该时间点；遍历完数组后，判断各区间的时间差，如果小于规定阈值（如10%）则断定为周期信号。

上述算法适用于正弦信号等变化率较小的连续模拟信号。对于变化率较大的方波信号，可采用以下判别方法：记录第1个数据点电压，遍历数组直到电压值与第1点相同，记录第1点到第2点区间内的所有数据，并以此区间长度判断下一区间是否与第1区间内数据相同，如果误差在规定个数（如3个）以内，则认定为周期信号；如果不相同，则从第2记录点开始继续遍历寻找下一点，并按照上述方法进行判断。

为了提高判断的准确度，一般情况下，首先使用第二种判别方法进行判别，如果判别结果不是周期信号，则再使用第一种方法进行判别。

4 实例应用

依据本文所述方法和技术，开发了以雷达装备测试装置为保障对象的通用测试工装。该通用工装以PSPICE软件作为仿真软件，开发了相应的客户端软件进行故障仿真自动注入［10］，开发了仿真参数自动获取、分析和下发的服务器程序，并基于PXI总线的测试机箱和板卡开发了虚拟仪器，用于产生物理信号［11-12］。

下面以某滤波器电路为例，利用本文所述方法对其进行故障注入、参数提取分析和下发以及物理信号生成。该滤波器电路如图4所示。该电路为多阶低通滤波器，经过U1，U2，U3三个运放后，滤波器的性能逐渐加强，滤波效果应该是逐级变好，更接近理想低通滤波器幅频特性。电路的频率特性曲线如图5所示，可以看出，从U1到U3的滤波效果逐级加强，到U3已基本接近理想低通滤波器。

图4 椭圆滤波器电路

图5 椭圆滤波器电路幅频特性曲线

假设R12发生短路故障模式，按照故障自动注入实现流程进行故障注入，读取网表中R12的参数、节点信息，使用替换法进行故障注入。注入故障前的R12网表为：

R_R3 OUT1 N01734 Rbreak 147k

R_R17 N070101 N07176 Rbreak 10k

R_R12 N03111 N03142 Rbreak 10k

C_C2 N01897 N01963 Cbreak 2.67n

注入故障后的网表变为：

R_R3 OUT1 N01734 Rbreak 147k

R_R17 N070101 N07176 Rbreak 10k

R_R12_FaultShort N03111 N03142 Rbreak 0.001u

C_C2 N01897 N01963 Cbreak 2.67n

成功注入故障后，自动启动PSPICE A／D调用.cir文件进行含R12短路故障的仿真。通过定性分析可知，R12短路后对前两级的滤波效果不造成影响，但会导致第三级滤波器的滤波效果变差，故障仿真后的电路频率特性曲线如图6所示，可以看出，第三级的滤波器滤波功能（OUT3）明显减弱，和第二级（OUT2）接近，与理论上的定性分析一致，说明故障注入的正确性。

图6 注入R12短路故障后的电路频率特性曲线

在选取500 Hz正弦信号作为输入信号时，仿真结果中注入故障后输出信号（OUT3点）相比于正常输出信号幅值明显变小。通用工装利用CVI软件驱动PXI板卡产生相应的正弦信号，将此信号接至示波器显示，示波器显示波形与仿真软件中波形一致。这一物理信号可提供给测试装置进行测试，可以验证测试装置是否能够测试该正弦信号的正常信号和故障信号。对于复杂信号，一般需要将信号接至专用接口以与测试装置连接。

5 结 论

本文介绍了一种测试装置通用测试工装技术，采用电路仿真模型替代电子装备实物，仿真故障注入替代物理故障注入，利用虚拟仪器技术产生物理信号，并通过测试适配器实现与测试装置的连接。这一技术具有较强的实用性和通用性，能够解决测试装置功能、性能验证可能对测试对象造成物理损伤的危险，还可以降低费用、缩短时间，提高功能、性能验证的全面性，为测试装置在研制阶段设计水平的分析、评价提供了一个有效的手段。