基于 PHM 的電子系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)與故障診斷技術(shù) 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 隨著電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和集成度不斷提高，傳統(tǒng)的事后維修和定期維修方式的成本不斷增加且效率低下，基于 PHM（ Prognostics and Health Management）的電子系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)在滿足基本的維修保障要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的采用了視情維修技術(shù)（ Condition Based Maintenance CBM），實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在故障來臨之前給出當(dāng)前 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的診斷結(jié)果，并根據(jù)診斷結(jié)果實(shí)施不同的維修方案來避免不必要的損失。 【關(guān)鍵詞】測試性設(shè)計(jì) 故障診斷 CBM 1 引言 在信息化技術(shù)的全面推動(dòng)下，電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，性能不斷提高，電子設(shè)備不斷的向綜合化、智能化的方向發(fā)展。電子器件的成本已經(jīng)占到大型系統(tǒng)總成本的 30%以上，而電子系統(tǒng)的故障已經(jīng)占到了系統(tǒng)總故障的 40%以上，使用與保障的費(fèi)用已經(jīng)占到了 70%以上。當(dāng)前的事后維修和定期維修的方法消耗資源且效率低下，不能滿足復(fù)雜系統(tǒng)不斷增長的維修保障要求，隨著新的高集成度的 成品出現(xiàn)，其維修難度進(jìn)一步增加。 PHM 技術(shù)在這樣的背景之下應(yīng)運(yùn)而生， PHM 技術(shù)不是要消除故障而是預(yù)測故障何時(shí)發(fā)生，它采用不同的預(yù)測方法提前預(yù)置故障發(fā)生的時(shí)機(jī)，在故障發(fā)生之前做出反應(yīng)，以此來減少維修次數(shù)，延長維修周期，通過維修來保持系統(tǒng)可用性；減低檢測成本、縮短停用時(shí)間，減少備件庫存，降低設(shè)備的生命周期成本。 2 測試性設(shè)計(jì) 2.1 用途與作用 通常的測試性設(shè)計(jì)只要求使用者和維修者可以通過測試得知設(shè)備是否發(fā)生故障以及何處發(fā)生故障。而基于 PHM 的設(shè)計(jì)則希望系統(tǒng)或設(shè)備的測 試性設(shè)計(jì)不僅可以達(dá)到上述要求，而且可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控其健康狀態(tài)、并可以通過故障診斷測試得到系統(tǒng)設(shè)備的生命周期特性。測試性的設(shè)計(jì)與可靠性、維修性、保障性具有同等重要的地位，通過良好的測試性設(shè)計(jì)，可以提高裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和安全性，減少維修人員以及其它的保障物資，降低整個(gè)壽命周期的費(fèi)用。此外，通過增加預(yù)測和健康管理設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃、有針對(duì)性的自主保障，從而大大的提高裝備的戰(zhàn)備完好性 2.2 分類與實(shí)現(xiàn) 測試性設(shè)計(jì)主要使用基于相關(guān)性模型的測試設(shè)計(jì)，基于相關(guān)性模型的分為相關(guān)性的圖示模 型和相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型。相關(guān)性的圖示模型直觀的展現(xiàn)了被測單元與測試之間的關(guān)系；相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型使用了矩陣的形式來展示單元與測試之間的相關(guān)性?；谙嚓P(guān)性的設(shè)計(jì)與分析是建立在相關(guān)性數(shù)學(xué)模型之上的，首先進(jìn)行簡化和測試點(diǎn)優(yōu)選，最后得到診斷策略。當(dāng)預(yù)計(jì)不滿足測試性要求的時(shí)候，需要通過調(diào)整或者增補(bǔ)測試點(diǎn)、對(duì)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新劃分等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。 測試性設(shè)計(jì)可以分為機(jī)內(nèi)的測試性設(shè)計(jì)和外部的測試性設(shè)計(jì)。機(jī)內(nèi)的測試性設(shè)計(jì)即 BIT（ Built-In Test），通過實(shí)現(xiàn)途徑可以將 BIT 分為 BITE、 BITS。 BITE 指的是完成 BIT功能的裝置，其中包括專用的和與系統(tǒng)共用的軟硬件。 BITS則指由多個(gè) BITE 構(gòu)成的測試系統(tǒng)。 BIT 的設(shè)計(jì)要求分為定性的要求和定量的要求兩個(gè)方面：（ 1）定量的要求參數(shù)有故障檢測率、故障隔離率、虛警率或平均虛警間隔時(shí)間。對(duì)于不同的產(chǎn)品，其指標(biāo)范圍有明顯的差異，一般在產(chǎn)品的研制過程中有明確的性能指標(biāo)要求。（ 2）定性的要求，內(nèi)容包括如何處理 BIT 的信息，是否要對(duì)信息進(jìn)行記錄、指示報(bào)警和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。 BIT 的工作模式和組成要求，診斷測試功能組成和要求，運(yùn)行時(shí)間的要求，可靠性的要求。對(duì)于 BIT 的平均故 障間隔時(shí)間一般要求是 UUT 的平均故障間隔時(shí)間的 10 倍以上。外部測試指的是在系統(tǒng)外部使用各種測試的儀器或者工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測和故障隔離的測試，分為外部的自動(dòng)測試、人工測試和遠(yuǎn)程測試。 2.3 測試點(diǎn)的選擇 對(duì)于 UUT，如果要知道它是否正常工作，只需要檢測其輸出特性和功能是否正常，而當(dāng)要隔離或者定位故障時(shí)，需要檢測各個(gè)單元的輸出特性及功能。因此在選擇測試點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該選擇能體現(xiàn) UUT 的功能和輸出特性的點(diǎn)作為故障檢測用的測量參數(shù)和測試點(diǎn)，各個(gè)單元的輸出特性和功能作為隔離用的測量參數(shù)和測試點(diǎn)。 3 故障診斷方案 診斷方案是對(duì)產(chǎn)品診斷的整體構(gòu)想，診斷方案的確立是和測試性要求密切相關(guān)的，測試性要求的確立和診斷方案的確定應(yīng)當(dāng)協(xié)同進(jìn)行，從方案開始的初步要求到方案結(jié)束整個(gè)過程都應(yīng)當(dāng)確定可列入設(shè)計(jì)的詳細(xì)具體的測試性設(shè)計(jì)要求。而性能監(jiān)控、故障檢測以及隔離則是通過 BIT、 ATE、人工測試、輔助維修手段實(shí)現(xiàn)的，所以在確定各級(jí)的診斷維修能力的同時(shí)，還要考慮應(yīng)該使用哪些診斷要素來達(dá)到要求的診斷能力，并以此提出切實(shí)可行的初步診斷方案來優(yōu)選最佳方案。 3.1 故障的分類 對(duì)系統(tǒng)、設(shè)備 或 UUT（ Unit Under Test）進(jìn)行故障診斷，一般是采用嵌入式的診斷和外部的診斷來提供故障檢測和隔離能力對(duì)于特定的系統(tǒng)要通過分析比較，按照任務(wù)需求選擇其中的一部分。在滿足故障檢測和隔離要求的條件下，診斷方案應(yīng)做到盡量的簡單。 我們要研究的故障稱為漸變故障，也叫完美退化型故障，該故障的退化特點(diǎn)為產(chǎn)品隨著使用時(shí)間（循環(huán)，次數(shù)）增加而逐漸衰退。漸變故障分析的重點(diǎn)在于根據(jù)已經(jīng)掌握的故障發(fā)展規(guī)律，進(jìn)行測試點(diǎn)的合理布局，獲取故障的先兆信息，進(jìn)而選擇合理的測試技術(shù)和方法，對(duì)故障發(fā)生時(shí)間和位置進(jìn)行準(zhǔn)確的 分析和預(yù)測。正常態(tài)的特征處理和實(shí)測特征的特征處理通過一系列的算法來實(shí)現(xiàn)。 3.2 故障診斷方法 故障特征的提?。菏紫葟拇郎y的電子系統(tǒng)輸出響應(yīng)中提取原始信號(hào)，原始信號(hào)一般具有高冗余性的特點(diǎn)。在應(yīng)用以前必須處理，通過壓縮變換的手段來提取最優(yōu)特征，這樣可以大大的提高監(jiān)控效率，減少不準(zhǔn)確的健康狀況估計(jì)，利于更加精確實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的狀態(tài)檢測。然后通過實(shí)際測試獲得 UUT 當(dāng)前的各項(xiàng)輸出特性數(shù)據(jù)，通過算法的判決，可以很快的得到設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，從而進(jìn)行設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估。 4 工程中的應(yīng)用 4.1 產(chǎn)品方案及測試方法 本項(xiàng)目主要是針對(duì)當(dāng)前主流的電子統(tǒng)開展的壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，通過測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集來確定各個(gè)模塊的表征參數(shù)以及失效機(jī)理。為了進(jìn)行故障預(yù)測，需要選擇合適的故障預(yù)測方法和故障預(yù)測點(diǎn)，故障預(yù)測方法可以分為三類。對(duì)于退化機(jī)理為突發(fā)性的數(shù)字電路等，通過 DSP 構(gòu)建數(shù)字電路的檢測模型；對(duì)于退化機(jī)理為簡便性的模擬電路，采用高速的 AD 進(jìn)行采樣，由此獲得信號(hào)的變化趨勢進(jìn)行故障檢測，對(duì)于功率較大的器件，采用測溫電路對(duì)器件的表面溫度進(jìn)行監(jiān)測，獲得器件溫度的變化趨勢，從而完成大功率器件的故障預(yù)測。 4.2 診斷方案 單機(jī)系統(tǒng)包括：電源部分、 CPU 部分、存儲(chǔ)器部分、DSP 部分、模擬部分、通訊部分、輸入輸出部分。按照三類預(yù)測方法可以分為：（ 1）退化機(jī)理為突發(fā)性的數(shù)字部分，我們將測試點(diǎn)設(shè)置在進(jìn) /出 DSP 的總線和開關(guān)量輸入 /輸出信號(hào) 4個(gè)部分，通過 DSP 技術(shù)構(gòu)建數(shù)字電路的檢測模型，對(duì)數(shù)字信號(hào)的時(shí)序在 DSP 內(nèi)進(jìn)行高速采樣，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯故障的有效檢測和預(yù)測（檢測和預(yù)測同步進(jìn)行）；（ 2）退化機(jī)理為漸變的模擬電路部分，我們?cè)O(shè)置在 DA 的輸出、開關(guān)量的輸出、電源輸入 /輸出四個(gè)部分，采用高速 AD 分時(shí)采樣，由此 獲得模擬信號(hào)的變化趨勢，并依據(jù)設(shè)定的閾值或元器件級(jí)加速試驗(yàn)得到的參數(shù)退化趨勢，進(jìn)行此類故障的預(yù)測；（ 3）對(duì)于功率較大的器件進(jìn)行熱耗的測試，獲得器件溫度的變化趨勢，從而輔助完成大功率器件的故障預(yù)測。 4.3 診斷結(jié)果 數(shù)字部分的故障為二值故障，這類故障一般為偶然因素引起，其故障規(guī)律具有隨機(jī)性，難以通過預(yù)測來防止故障，因此只能準(zhǔn)確的選擇測試點(diǎn)來及時(shí)的獲取故障的癥狀信息。試驗(yàn)結(jié)果表明通過高速采樣我們可以很直觀的獲得模塊當(dāng)前的狀態(tài)。 模擬電路部分的測試屬于一個(gè)數(shù)據(jù)積累的過程，基于當(dāng)前的 狀態(tài)信息并結(jié)合歷史的數(shù)據(jù)，給出系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中的偏移和退化程度。各個(gè)部件具體的檢測參數(shù)與狀態(tài)如下表所示，所有測試得到的數(shù)據(jù)均由外部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，為故障預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 5 結(jié)束語 測試性設(shè)計(jì)保證可以實(shí)時(shí)的了解系統(tǒng)的健康狀況，針對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的當(dāng)前情況來確定相對(duì)應(yīng)的維修策略，這大大的降低了由事后維修和定期維修所帶來的資源浪費(fèi)。 隨著當(dāng)前的電子系統(tǒng)復(fù)雜度越來越高，測試性設(shè)計(jì)不僅要迅速的反應(yīng)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并且要通過將一系列的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理來預(yù)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，這就要求測 試性設(shè)計(jì)來提供大量的原始數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)融合技術(shù)將是測試性設(shè)計(jì)所要面臨的新的技術(shù)問題，還有必要進(jìn)行深入的研究。 參考文獻(xiàn) 1景博，黃以鋒，張建業(yè) .航空電子系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 J.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2010， 11（ 6）： 1-6. 2寧東方，章衛(wèi)國，李斌 .預(yù)測和健康管理技術(shù) J.航空制造技術(shù)， 2009（ 5）： 71-73. 3張秋菊，張冬梅 .電子系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)研究 J.光電技術(shù)應(yīng)用， 2012.21（ 1） 1-6. 4石君友，測試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證 M.北京 .國防工業(yè)出版社 .2011 5徐佳麗，電子系統(tǒng)的故障管理與健康管理技術(shù)研究D.成都：電子科技大學(xué) . 2009. 作者單位 西安微電子技術(shù)研究所 陜西省西安市 710054 閱讀相關(guān)文檔 :互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電信網(wǎng)技術(shù)研究 嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的環(huán)境分析 新課改下高中數(shù)學(xué)有效教學(xué)方法之我見 試述如何上好初中音樂欣賞課 4G 通信技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)分析 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 小學(xué)語文 問題式教學(xué)探究 探討電信軟交換 IP 承載網(wǎng)組網(wǎng)思路 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