基于PHM的电子系统测试性设计与故障诊断技术[权威资料]

基于 PHM 的电子系统测试性设计与故障诊断技术 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 随着电子系统结构的复杂度和集成度不断提高，传统的事后维修和定期维修方式的成本不断增加且效率低下，基于 PHM（ Prognostics and Health Management）的电子系统测试性设计在满足基本的维修保障要求的基础上，进一步的采用了视情维修技术（ Condition Based Maintenance CBM），实现对系统的实时监控，在故障来临之前给出当前 设备运行状态的诊断结果，并根据诊断结果实施不同的维修方案来避免不必要的损失。 【关键词】测试性设计 故障诊断 CBM 1 引言 在信息化技术的全面推动下，电子系统结构越来越复杂，性能不断提高，电子设备不断的向综合化、智能化的方向发展。电子器件的成本已经占到大型系统总成本的 30%以上，而电子系统的故障已经占到了系统总故障的 40%以上，使用与保障的费用已经占到了 70%以上。当前的事后维修和定期维修的方法消耗资源且效率低下，不能满足复杂系统不断增长的维修保障要求，随着新的高集成度的 成品出现，其维修难度进一步增加。 PHM 技术在这样的背景之下应运而生， PHM 技术不是要消除故障而是预测故障何时发生，它采用不同的预测方法提前预置故障发生的时机，在故障发生之前做出反应，以此来减少维修次数，延长维修周期，通过维修来保持系统可用性；减低检测成本、缩短停用时间，减少备件库存，降低设备的生命周期成本。 2 测试性设计 2.1 用途与作用 通常的测试性设计只要求使用者和维修者可以通过测试得知设备是否发生故障以及何处发生故障。而基于 PHM 的设计则希望系统或设备的测 试性设计不仅可以达到上述要求，而且可以实时的监控其健康状态、并可以通过故障诊断测试得到系统设备的生命周期特性。测试性的设计与可靠性、维修性、保障性具有同等重要的地位，通过良好的测试性设计，可以提高装备的战备完好性、任务成功性和安全性，减少维修人员以及其它的保障物资，降低整个寿命周期的费用。此外，通过增加预测和健康管理设计，还可以实现有计划、有针对性的自主保障，从而大大的提高装备的战备完好性 2.2 分类与实现 测试性设计主要使用基于相关性模型的测试设计，基于相关性模型的分为相关性的图示模 型和相关性的数学模型。相关性的图示模型直观的展现了被测单元与测试之间的关系；相关性的数学模型使用了矩阵的形式来展示单元与测试之间的相关性。基于相关性的设计与分析是建立在相关性数学模型之上的，首先进行简化和测试点优选，最后得到诊断策略。当预计不满足测试性要求的时候，需要通过调整或者增补测试点、对系统的功能和结构进行重新划分等方式进行设计优化。 测试性设计可以分为机内的测试性设计和外部的测试性设计。机内的测试性设计即 BIT（ Built-In Test），通过实现途径可以将 BIT 分为 BITE、 BITS。 BITE 指的是完成 BIT功能的装置，其中包括专用的和与系统共用的软硬件。 BITS则指由多个 BITE 构成的测试系统。 BIT 的设计要求分为定性的要求和定量的要求两个方面：（ 1）定量的要求参数有故障检测率、故障隔离率、虚警率或平均虚警间隔时间。对于不同的产品，其指标范围有明显的差异，一般在产品的研制过程中有明确的性能指标要求。（ 2）定性的要求，内容包括如何处理 BIT 的信息，是否要对信息进行记录、指示报警和数据导出。 BIT 的工作模式和组成要求，诊断测试功能组成和要求，运行时间的要求，可靠性的要求。对于 BIT 的平均故 障间隔时间一般要求是 UUT 的平均故障间隔时间的 10 倍以上。外部测试指的是在系统外部使用各种测试的仪器或者工具对设备进行故障监测和故障隔离的测试，分为外部的自动测试、人工测试和远程测试。 2.3 测试点的选择 对于 UUT，如果要知道它是否正常工作，只需要检测其输出特性和功能是否正常，而当要隔离或者定位故障时，需要检测各个单元的输出特性及功能。因此在选择测试点时，应该选择能体现 UUT 的功能和输出特性的点作为故障检测用的测量参数和测试点，各个单元的输出特性和功能作为隔离用的测量参数和测试点。 3 故障诊断方案 诊断方案是对产品诊断的整体构想，诊断方案的确立是和测试性要求密切相关的，测试性要求的确立和诊断方案的确定应当协同进行，从方案开始的初步要求到方案结束整个过程都应当确定可列入设计的详细具体的测试性设计要求。而性能监控、故障检测以及隔离则是通过 BIT、 ATE、人工测试、辅助维修手段实现的，所以在确定各级的诊断维修能力的同时，还要考虑应该使用哪些诊断要素来达到要求的诊断能力，并以此提出切实可行的初步诊断方案来优选最佳方案。 3.1 故障的分类 对系统、设备 或 UUT（ Unit Under Test）进行故障诊断，一般是采用嵌入式的诊断和外部的诊断来提供故障检测和隔离能力对于特定的系统要通过分析比较，按照任务需求选择其中的一部分。在满足故障检测和隔离要求的条件下，诊断方案应做到尽量的简单。 我们要研究的故障称为渐变故障，也叫完美退化型故障，该故障的退化特点为产品随着使用时间（循环，次数）增加而逐渐衰退。渐变故障分析的重点在于根据已经掌握的故障发展规律，进行测试点的合理布局，获取故障的先兆信息，进而选择合理的测试技术和方法，对故障发生时间和位置进行准确的 分析和预测。正常态的特征处理和实测特征的特征处理通过一系列的算法来实现。 3.2 故障诊断方法 故障特征的提取：首先从待测的电子系统输出响应中提取原始信号，原始信号一般具有高冗余性的特点。在应用以前必须处理，通过压缩变换的手段来提取最优特征，这样可以大大的提高监控效率，减少不准确的健康状况估计，利于更加精确实现电子系统的状态检测。然后通过实际测试获得 UUT 当前的各项输出特性数据，通过算法的判决，可以很快的得到设备当前的状态，从而进行设备健康状态的评估。 4 工程中的应用 4.1 产品方案及测试方法 本项目主要是针对当前主流的电子统开展的寿命验证试验，通过测试点的数据采集来确定各个模块的表征参数以及失效机理。为了进行故障预测，需要选择合适的故障预测方法和故障预测点，故障预测方法可以分为三类。对于退化机理为突发性的数字电路等，通过 DSP 构建数字电路的检测模型；对于退化机理为简便性的模拟电路，采用高速的 AD 进行采样，由此获得信号的变化趋势进行故障检测，对于功率较大的器件，采用测温电路对器件的表面温度进行监测，获得器件温度的变化趋势，从而完成大功率器件的故障预测。 4.2 诊断方案 单机系统包括：电源部分、 CPU 部分、存储器部分、DSP 部分、模拟部分、通讯部分、输入输出部分。按照三类预测方法可以分为：（ 1）退化机理为突发性的数字部分，我们将测试点设置在进 /出 DSP 的总线和开关量输入 /输出信号 4个部分，通过 DSP 技术构建数字电路的检测模型，对数字信号的时序在 DSP 内进行高速采样，来实现数字逻辑故障的有效检测和预测（检测和预测同步进行）；（ 2）退化机理为渐变的模拟电路部分，我们设置在 DA 的输出、开关量的输出、电源输入 /输出四个部分，采用高速 AD 分时采样，由此 获得模拟信号的变化趋势，并依据设定的阈值或元器件级加速试验得到的参数退化趋势，进行此类故障的预测；（ 3）对于功率较大的器件进行热耗的测试，获得器件温度的变化趋势，从而辅助完成大功率器件的故障预测。 4.3 诊断结果 数字部分的故障为二值故障，这类故障一般为偶然因素引起，其故障规律具有随机性，难以通过预测来防止故障，因此只能准确的选择测试点来及时的获取故障的症状信息。试验结果表明通过高速采样我们可以很直观的获得模块当前的状态。 模拟电路部分的测试属于一个数据积累的过程，基于当前的 状态信息并结合历史的数据，给出系统正常运行过程中的偏移和退化程度。各个部件具体的检测参数与状态如下表所示，所有测试得到的数据均由外部存储器存储，为故障预测提供数据基础。 5 结束语 测试性设计保证可以实时的了解系统的健康状况，针对系统各个模块的当前情况来确定相对应的维修策略，这大大的降低了由事后维修和定期维修所带来的资源浪费。 随着当前的电子系统复杂度越来越高，测试性设计不仅要迅速的反应设备当前的运行状态，并且要通过将一系列的测试数据进行后期处理来预测系统的发展趋势，这就要求测 试性设计来提供大量的原始数据，相应的数据处理，数据融合技术将是测试性设计所要面临的新的技术问题，还有必要进行深入的研究。 参考文献 1景博，黄以锋，张建业 .航空电子系统故障预测与健康管理技术现状与发展 J.空军工程大学学报（自然科学版） 2010， 11（ 6）： 1-6. 2宁东方，章卫国，李斌 .预测和健康管理技术 J.航空制造技术， 2009（ 5）： 71-73. 3张秋菊，张冬梅 .电子系统故障预测与健康管理技术研究 J.光电技术应用， 2012.21（ 1） 1-6. 4石君友，测试性设计分析与验证 M.北京 .国防工业出版社 .2011 5徐佳丽，电子系统的故障管理与健康管理技术研究D.成都：电子科技大学 . 2009. 作者单位 西安微电子技术研究所 陕西省西安市 710054 阅读相关文档 :互联网技术与电信网技术研究 嵌入式应用软件开发的环境分析 新课改下高中数学有效教学方法之我见 试述如何上好初中音乐欣赏课 4G 通信技术的特点和关键技术分析 无线传感器网络在海洋领域的发展现状及应用 小学语文 问题式教学探究 探讨电信软交换 IP 承载网组网思路 物联网技术在食品安全追溯管理中的应用与发展 浅谈小学语文朗读教学 高中英语教学中的文化教育探究 浅谈初中数学课堂教学 品