基于LXI的热电阻与热电偶信号故障注入器设计

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(1.江苏东华测试技术股份有限公司，江苏 靖江 214500； 2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041)

0 引言

具有良好测试性的系统和设备，在使用时可以及时发现故障，提高执行任务的可靠性与安全性[1-3]；在维修保障过程中能够快速地检测与隔离故障，缩短故障检测与隔离时间，进而减少维修时间，提高系统可用性。基于故障注入的测试性验证试验，可以有效的发现和鉴别有关测试性设计缺陷，从而改进设计或完善保障条件来提高测试性水平[4-6]。这种验证试验注入的故障模式与评估的试验结果与装备真实服役后的情况相当；以试验数据来检验装备实现测试性设计要求的程度，能够较真实地反映装备的真实故障状态，试验准确度较高。

采用故障注入器实现故障注入，是当前基于故障注入的测试性验证试验的主要故障注入方式，可以有效地提升注入的精度、准确度和自动化水平，重复性高。

通过近年来的测试性验证试验，发现作为当前装备中常见信号类型的热电阻与热电偶信号，因具有精度高、幅度小、缓变、四线制或差分传输等特点，导致通用的模拟信号故障注入器较难以满足要求；为满足该类型信号自动故障注入的需求，研制了基于LXI的热电阻和热电偶信号故障注入器。

1 故障注入器功能需求

根据测试性验证试验中对热电阻与热电偶信号故障注入的需求分析，热电阻与热电偶信号故障注入器功能要求包括：

1.1 热电阻信号故障注入功能要求

1)可对四线制激励信号注入传输线信号+/信号-断路控制、信号+/信号-线间负载阻抗控制等物理层故障注入；

2)可对四线制测量信号注入传输线信号+/信号-间短路控制、信号+/信号-线分别对地短路控制等物理层故障注入；

3)支持向热电阻信号传输线路输出任意RTD电阻值故障功能；

4)支持向热电阻信号传输线路输出按照预先设置曲线连续变化的RTD电阻值。

1.2 热电偶信号故障注入功能要求

1)可对信号传输线路进行信号+/信号-断路控制、信号+/信号-线路串行阻抗控制、信号+/信号-线间负载阻抗控制、信号+/信号-线间短路控制、信号对地短路控制等物理层故障注入；

2)支持对传输中的热电偶信号设定幅度衰减/放大系数功能；

3)支持对传输中的热电偶信号叠加噪声功能；

4)支持对传输中的热电偶信号叠加低频干扰功能；

5)支持向热电偶信号传输线路输出任意幅度热电偶信号功能；

6)支持向热电偶信号传输线路输出预先设置曲线连续变化的热电偶信号功能。

2 故障注入器架构及原理

所研制的热电阻与热电偶信号故障注入器AMC9760，其使用方式是：串接入热电阻和热电偶信号传输线路中，模拟多种热电阻和热电偶信号传输过程中的故障类型，实现对被测设备热电阻和热电偶信号传输的仿真和评测。

热电阻与热电偶信号故障注入器包含上位机软件和硬件两部分；硬件部分包含：基于COME控制单元实现的LXI/USB通讯、显控和数据处理功能，热电偶信号故障注入单元，热电阻信号故障注入单元等；上位机软件包含软面板和驱动程序两部分，可通过软面板直接控制故障注入器实现故障注入功能。热电阻与热电偶信号故障注入器总体组成如图1所示。

图1 热电阻与热电偶信号故障注入器总体组成示意图

热电阻与热电偶信号故障注入器为了实现系统的测试需求，主要提供了对传输线路物理层注入故障的电路和对传输线路中传输的热电阻或热电偶信号注入故障的电路。故障注入器串接在热电阻或热电偶信号的传输线路中，在不注入故障时，故障注入器只作为一条直通线路，不改变任何原来线路的连接关系和线路上传输信号的电特性，这样就可以保证故障注入器在不注入故障时，对原来的线路及其传输的信号不产生任何影响。

热电阻与热电偶信号故障注入器向传输线路注入的故障类型包括物理层故障和电气层故障。在物理层故障注入电路的实现设计上，为了保证注入的故障完全仿真被测设备实际工作中可能出现的物理层故障，故障注入器注入的任何物理层故障类型都采用由继电器阵列和无源程控电阻构成的纯无源电路，避免在注入物理层故障时，任何有源电路和元器件影响线路上原有的信号特性，达到与被测设备实际工作中出现的线路故障完全相同的效果。

热电阻信号故障注入单元的电气层故障注入电路设计原理：采用内置高精度、高分辨率程控RTD电阻的方式，实现替代原有热电阻信号向传输线路输出用户预先设置的高精度RTD电阻信号或输出按照预先设置曲线连续变化的RTD电阻信号。

热电偶信号故障注入单元的电气层故障注入电路设计原理：采用模拟信号乘法电路+高精度信号采集电路的方式实现测试需求，传输线路上原有的热电偶信号在进入故障注入器后首先经过信号调理，然后进入模拟信号乘法电路，在这里，信号按照预先的设置实现信号幅度的放大或衰减，也可以按照预先装订的噪声数据叠加任意类型和特征的噪声信号，这些噪声信号既可以是随机噪声或白噪声等中高频率的噪声信号，也可以是很低频率的工频电源干扰噪声等低频信号，实现全面仿真被测设备实际工作中可能出现的热电偶信号电气层故障类型，达到系统故障注入需求。

3 热电阻信号故障注入单元硬件设计

热电阻信号故障注入单元的硬件设计包括：总线接口、高精度RTD电阻信号注入单元、物理层故障注入单元和FPGA控制逻辑电路等部分。

具体工作过程：外部信号从传输线进入物理层故障注入单元，进行物理层故障注入；故障注入单元可以通过设置内部的高精度RTD电阻控制单元，产生用户程控设置阻值的高精度的热电阻信号来替代线路上原来的热电阻信号，实现对线路上传输的热电阻信号的阻值控制。

热电阻信号故障注入单元硬件结构框图如图2所示。

图2 热电阻信号故障注入单元硬件结构框图

3.1 物理层故障注入单元设计

热电阻信号故障注入单元的物理层故障电路对4线制电阻的激励差分线和测量差分线注入故障。物理层故障注入单元中的激励差分线故障注入电路设计了程控电阻及通道断路电路，采用多个继电器控制切换不同阻值电阻组合的方式实现，阻值分别为0，5，10，20，40，80；这些电阻组合在继电器组的控制下，通过任意组合阻值的方式实现激励差分线5-155 Ω程控负载阻值变化及激励差分线间短路故障控制，阻值的控制分辨率为5 Ω。程控电阻及激励差分线短路电路的原理示意图如图3所示。

图3 程控电阻及短路电路原理示意图

3.2 高精度RTD电阻信号注入单元

高精度RTD电阻信号注入单元，通过设置内部的高精度、高分辨率RTD电阻模块，产生用户程控设置阻值的高精度热电阻信号，替代线路上原来传输的热电阻信号，实现对线路上传输的热电阻信号的阻值控制。RTD电阻信号注入单元连接示意图如图4所示。

图4 RTD电阻信号注入单元连接示意图

单元内部的高精度、高分辨率RTD电阻模块具有非常高的阻值控制精度和控制分辨率，阻值控制精度达到±0.08%读数±70 mΩ，分辨率达到2 mΩ，而且该RTD电阻模块的温度稳定性也很高，可以向传输线路上输出精确的热电阻替代信号。

热电阻信号故障注入单元除了仿真出恒定的热电阻替代信号外，还能够仿真出按照预先设置曲线连续变化的RTD电阻信号，实现对被测设备注入用户希望的变化热电阻。预先设置的RTD电阻信号曲线，通过数据文件的方式被预先加载进热电阻信号故障注入单元内部的数据存储器中，故障注入器的软件面板上的图形界面可以实时显示变化曲线的执行过程，便于用户监视故障注入情况。曲线变化监视界面如图5所示。

图5 曲线变化监视界面

4 热电偶信号故障注入单元硬件设计

热电偶信号故障注入单元主要用于向传输热电偶信号的线路中注入故障，故障类型包括：传输线路物理层、电气层故障。热电偶信号故障注入单元硬件主要包括：FPGA内的控制逻辑单元、高精度模拟信号采集电路、高精度模拟信号输出电路、程控电阻单元、继电器阵列等。硬件结构框图如图6所示。

图6 热电偶信号故障注入单元硬件结构框图

4.1 物理层故障注入电路设计

热电偶信号故障注入单元的物理层故障电路对信号差分线注入故障。物理层故障注入电路内设计了串行程控电阻、负载程控电阻和通道断路电路。

串行程控电阻及传输线断路电路，采用多个继电器控制，切换不同阻值电阻组合的方式实现，阻值分别为0，1，2，4，8，16，32；这些电阻组合在继电器组的控制下通过任意组合阻值的方式，实现差分线0-63 Ω程控传输线串行阻值变化及传输线断路故障控制。负载程控电阻及传输线短路电路均采用同样的原理实现。

4.2 电气层故障注入电路设计

热电偶信号故障注入单元的电气层故障注入电路包括：信号调理放大电路、信号采集电路、高精度四象限乘法D/A信号输出电路、滤波衰减电路、内部基准源电路和基准源选择电路。

在进行电气层故障注入时，电路首先断开传输线路，将原有的热电偶信号输入电路中的信号调理放大电路，将热电偶信号调整为幅度适合故障注入电路的范围和形式，然后将调理后的信号提供给高精度采集电路和基准源选择电路；高精度采集电路将信号幅度数字化，之后提供给FPGA内部的信号处理逻辑用于控制精度校准和信号监视；基准源选择电路根据用户选择的电气层故障注入模式,将信号提供给高精度四象限乘法D/A信号输出电路作为基准，高精度四象限乘法D/A信号输出电路将该基准与预先设置的系数值进行乘法计算后输出，实现对传输线上的热电偶信号进行幅度放大/衰减控制后，传回到原来的信号传输线路中。

热电偶信号故障注入单元的电气层示意图如图7所示。

图7 热电偶信号故障注入单元电气层示意图

电气层故障注入电路采用上述设计方式，可以在注入电气层故障的同时，将热电偶传感器的任何参数变化过程都实时反应到故障注入后的热电偶信号中，保证在故障注入的过程中，除用户要注入的故障参数外，不影响线路上原有信号的其它特性。由于电路中采用的高精度四象限乘法D/A芯片具有16位的高分辨率和±1 LSB的高精度，因此可以对热电偶传输线路上的信号进行非常精确的放大/衰减控制，实现微小的受控幅度变化，验证被测设备对信号变化的灵敏度。

此外，电气层故障注入电路也可以按照预先装订的噪声数据，叠加任意类型和特征的噪声信号，由于电路中采用的高精度四象限乘法D/A芯片具有0.5 μs的输出信号建立时间和最高2 MHz以上的并行数据更新率，因此该电路可以向线路上的热电偶信号叠加频率最高超过500 kHz的各种中频噪声信号，也可以向热电偶信号叠加频率低于10 Hz的各种低频干扰信号，实现全面仿真实际工作中热电偶信号可能受到的各种干扰。

除了可以实现上面介绍的幅度变化和噪声叠加这两类故障类型外，热电偶信号故障注入单元还能够提供完全由用户自己编制的仿真热电偶传感器信号的输出方式，在这种方式下，用户可以根据自己测试的需要，完全自主的编制传输线路上要传输的热电偶信号幅度变化过程来替代线路上原来的传输的信号，达到给线路接入一个程控仿真热电偶传感器的效果。

热电偶信号故障注入单元电气层四种故障类型示意图如图8所示。

图8 电气层四种故障类型示意图

电气层故障注入电路内部包括一套高精度采集电路，输入的热电偶信号经过调理后除了提供给四象限乘法D/A电路外，也提供给高精度采集电路将信号转换为数字信号上传到控制计算机的软件界面实现对线路上热电偶信号的监视，软件界面同时按照设置的电气层故障模式和数据显示出注入故障后的信号波形供用户监视实时的故障注入情况。软件界面的实时信号监视界面如图9所示。

图9 软件界面的实时信号监视界面

5 故障注入器软件设计

热电阻与热电偶信号故障注入器软件部分主要是运行在上位计算机上的仪器的驱动程序和软面板。

热电阻与热电偶信号故障注入器驱动程序工作流程如图10所示。

图10 仪器驱动程序工作流程

热电阻与热电偶信号故障注入器驱动程序函数如表1所示。

表1 热电阻与热电偶信号故障注入器驱动程序函数表

6 验证情况

针对某型发动机控制单元开展了测试性验证试验。该测试性验证试验的主要试验过程是：对被测对象进行FMEA分析，确定需注入的各类型故障模式在不同层级的分布，按照相关国军标等标准开展抽样，基于最后确定的故障样本开展基于故障注入器的试验。针对某型发动机控制单元开展的热电类故障注入的测试数据如表2所示。

试验过程和结果均表明，该类型故障注入器可有效实现对实际故障的模拟，注入过程稳定，共注入19个故障，平均每个故障的注入及测量时间约为2分钟，极大提高了试验的效率。

7 结束语

本文详细阐明了热电阻与热电偶信号故障注入器AMC9760的功能需求、总体组成、硬件设计和软件设计；目前该型热电阻与热电偶信号故障注入器AMC9760已应用于多类型装备的测试性验证试验中，对各类故障模式的注入效果进行了充分验证。该故障注入器具有良好的推广价值和应用前景。

表2 某型发动机控制单元热电类故障注入测试数据

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