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一种电子系统测试性模型的研究

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・74・ 《测控技术}2010年第29卷第3期 一种电子系统测试性模型的研究 宋东,胡立华,朱道德,王传清 (西北工业大学航空学院,陕西西安710072) 摘要:测试性是系统和设备的一种便于测试和诊断的重要设计特性,对现代的航空电子设备、武器装备 等复杂系统的维护性、可靠性和可用性有很大影响。在对测试性建模理论进行研究的基础上,借鉴多信 号流图模型和eXpress信息模型,提出了一种适合电子系统的测试性模型——ESTIM(electrotic system testability information mode1)模型,该模型在表示方法上与EDA软件相兼容,可结合功能相关性和故障 模式相关性方便地对电子系统进行测试性分析。 关键词:测试性;试性建模;ESTIM模型 中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1000—8829(2010)03—0074—04 A New Testability Model for Electronic Systems SONG Dong,HU Li—hua,ZHU Dao-de,WANG Chuan—qing (School of Aeronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China) Abstract:Testability is an important design feature of systems and equipment,which facilitates the test and di— agnosis,and has a significant impact on maintainability,reliability and availability of modern avionics weapons and equipment and many other complex systems.Testability modeling theory is studied,and after analyzing the principle of multi—signal flow graphs model and eXpress information model,a testability model for electronic systems—ESTIM(electrotic system testability information mode1)is proposed,which is compatible with EDA software on presentation method. Key words:testability;test modeling;ESTIM model 目前进行测试性评估与分析主要有两种方法:一 模型。上个世纪80年代,William R.Simpson、John W. 种是基于经验的工程加权方法,如GJB2547中给出的 Sheppard等人提出了信息流模型(IFM,information flow 加权平均法;另外一种是基于模型的分析方法。基于 mode1)。随后,K.R.Pattipati、Somnath Deb等人提出 模型的测试性分析方法的突出优点是:可以通过模型 了多信号流图模型,使得测试性建模更为简单。作为 将系统的设计信息传递给计算机。由于利用计算机对 LOGMOD、多种相关性模型及诊断模型提出者的DSI 设计信息进行分析和处理,能够获得比人工加权计算 公司,于1991年开始了测试性及诊断建模的软件—— 更为准确的测试性数据,并能节省大量的人力,使测试 eXpress的开发,并于1998年正式推出该软件,在ex— 的自动生成变为可能。随着现代设备性能和复杂性的 press中首次将故障模式模型和功能相关性模型结合 提高,基于模型的测试性分析方法的优势将愈来愈明 起来用于测试性设计。2001年DSI公司又为该软件 显。 添加了故障模式影响及危害度分析(FMECA)功能。 基于模型的分析方法出现较早,1965年Ralph De 由于该软件覆盖了产品的全寿命周期、涉及测试性设 Paul就提出了Logic Model,并将其应用于故障诊断。 计、可靠性设计、维护性设计等方面,近年来被波音、空 随着测试性概念的提出,基于模型的分析方法被逐步 客、通用电气等国际知名公司用于产品的测试性设计。 应用于测试性设计,出现了一系列的测试性知识描述 测试性建模的一般原则要求测试性模型应具有易 操作性,从信息流模型到多信号流图模型、再到ex— 收稿日期:2009—09—08 press信息模型的发展,也体现了人们对测试性建模易 作者简介:宋东(1963一),男,河北安国县人,副教授,主要研究 操作性的要求。模型的易操作性与模型的表示方法有 方向为自动测试技术;胡立华(1983一),男,湖北钟祥人,硕士 着密切的联系,通常与系统物理结构相接近的表示方 研究生,主要研究方向为仿真技术与测控网络。 法具有更好的操作性。从3种模型的对比中可以看 一种电子系统测试性模型的研究 ・75- 出,eXpress信息模型在模型表示上接近系统的物理结 构,易于实现可视化建模,大大降低了建模难度,并且 使得模型的集成和验证更为容易。但是eXpress信息 模型在电子设备的测试性设计中有其不足之处,主要 体现在:①不能够很好地利用设计文档、EDA软件的 输出等来简化建模过程;②对具有复杂内部功能的元 件建模难度较大。本研究针对电子系统提出一种测试 性模型——EsTIM(electronic system testability informa— tion mode1)。ESTIM模型借鉴了eXpress信息模型在 关系。对于一个含有n个部件的系统,假设每个部件 具有-厂N (显然l厂N ≥1)个功能,则系统的功能总数 为 =Efs 功能的相关性可以用矩阵D,,表示: 厂d t … d 、 DFF=I ‘. i I … / 表示方法上的特点,且与EDA软件相兼容,具有更好 的易操作性。 1 ESTIM模型建模方法 在进行电子系统测试性设计的过程中,测试性模 型的建立者通常就是设计者,而设计人员往往借助各 种EDA软件进行设计,对EDA软件较为理解,因此测 试性模型在表示方法上与EDA软件越兼容,其易操作 性往往就越好。 ESTIM模型在拓扑模型上以电路原理图为基础, 采用与EDA软件电路原理图相兼容的表示方法,在建 模过程中充分利用EDA设计文档所提供的信息。Es— TIM模型的建模方法如图1所示。 ESTIM测试性模型 测试定义l测试覆盖l测试成本 故障模式f发生概率f故障影响 功能定义I功能与引脚的关系 拓扑模型(电路连接) 图1 ESTIM模型的建模方法 在图1中,拓扑模型即为系统的电路连接,可以从 EDA软件设计文档中获得,例如采用Protel进行电路 设计时,原理图设计完毕后会生成Netlist文件,该文件 就包含了元件信息和电路连接信息。只要按照特定格 式读取EDA软件的设计文档,就能从中获得电路连接 的情况,因而建立拓扑模型很容易采用计算机实现。 由于EDA软件设计文档中通常不包含元件的功 能信息,因而建立拓扑模型后,要为各元件定义功能, 并指明功能之间的影响关系。在eXpress信息模型 中,功能相关性是通过功能与引脚的影响关系问接建 立的,而在ESTIM模型中,通过建立功能间的直接影 响关系来获得功能相关性。ESTIM模型将功能与元件 的所属关系、功能与引脚之间的关系、引脚之间的电气 连接关系作为一种约束条件,来简化功能相关性建模 的过程,下面将给出利用约束条件来简化建模的原理。 功能相关性信息,即功能与功能之间的相互影响 其中 ={ : 根据有向图的知识可知,矩阵D 实质上是一种 可达矩阵,而邻接矩阵包含了可达矩阵全部信息,可以 通过求解邻接矩阵问接地求出可达矩阵。功能的邻接 关系可用矩阵A,,表示: 。 { : 妻 耄器 表面上建立系统各功能之间的邻接关系,也要考 虑每个功能与其他(凡一1)个功能的关系,但实际上利 用功能与元件之问的所属关系以及各元件引脚之间的 电气连接,可以有效地简化这一过程。 2 ESTIM模型表示方法 从图1可以看出ESTIM模型是以电路原理图为 基础的。为获得较好的易操作性,ESTIM模型采用与 电路原理图相兼容的表示方法,如图2所示。 ESTIM模型的基本组成元素有:元件、连接、组件、 端口和测试,下面分别对这几种元素进行介绍。 ①元件。它是具有特定功能的硬件,是电子系统 的基本组成元素,也是电子系统、?贝4试性模型中的实体, 是功能与故障模式的承载者。与eXpress信息模型不 同,ESTIM模型将功能作为元件而非引脚的属性,功能 可以在元件内部,不一定与输入输出引脚有直接的关 系。元件具有故障率、故障模式和引脚等属性,通常元 件具有多种故障模式,而且每种故障模式又具有不同 的发生概率。每个元件可以有多个引脚,根据信号流 动的方向,引脚可分为输入引脚、输出引脚和输入输出 引脚,引脚和引脚之间的连接是不同部件的功能产生 相关性的桥梁。在ESTIM模型中,引脚可以反映出元 件内部的功能,但本身并不具有功能。 ②连接。一般用来表示各元器件引脚之间的电 气连接关系,在电路原理图中,通常以3种方式出现: 导线、总线和网络标号,其中总线不具有电气特性,并 ・76・ 《测控技术))2010年第29卷第3期 图2 ESTIM模型的表示方法 不代表实际的连接。对于EDA软件(如Prote1)而言, 连接的3种方式实质上都是通过网络标号表示的,具 情况,将测试作为一种行为,而将测试所需要的硬件、 软件以及时间的耗费等作为该行为的属性。由于测试 有相同网络标号的引脚是连接在一起的。在分层建模 时,顶层模型中各组件(子模块)端口之问的连接关 系,可以用导线或总线表示。 作为一种行为,所以很难以实体的形式表示出来。 3 ESTIM模型信息获取 ESTIM模型利用功能相关性模型和故障模式相关 性模型相结合的方法进行测试性分析,建模的过程就 是获取相关性信息的过程。ESTIM模型可以获得以下 ③组件。它是由多个元件构成的具有一定功能 的子模块。当前EDA软件对复杂电子系统进行原理 图设计时,一般采用分层设计的方法。ESTIM模型借 鉴该思路,将复杂电子系统分成若干功能模块,并分别 为各功能模块建立底层模型。为表示各功能模块之间 的关系,需要建立顶层图,顶层图以各功能模块为“元 件”。由于功能模块是多个元件的组合,故称之为组 件。 几种信息:①功能相关性信息;②故障模式与功能之 间的相关性信息;③测试与测试对象(功能、故障模式 或元件)的相关性信息;④故障率、故障模式发生概率 以及测试成本等信息。 (1)功能相关性信息。 要建立系统完备的功能相关性信息,就需要考虑 每个功能与其他(/'t一1)个功能的影响关系,即其复杂 度为O(n 一凡)。对于复杂的系统,部件数量很多,每 个部件通常又有多个功能,因而功能的数量将会是十 分巨大的,直接建立各功能之间的相关性是很繁重的 工作。 在电子设备中,具有直接影响关系的功能必然为 以下两种情况中的一种:一是功能属于同一元件,通过 元件内部的电气连接或逻辑关系直接影响;二是虽然 不属于同一元件,但是一个功能的输出引脚与另一个 ④端口。它是多个组件(子模块)进行连接的接 口。在ESTIM模型的顶层模型中,可以将组件所表示 的电路视为一个特殊的元件,而将端口视为该“元件” 的引脚。 ⑤测试。它是对特定器件、功能或故障模式的检 查。与信息流和多信号流图模型不同,ESTIM模型中 的测试并不需要以实体的形式体现出来。由于在工程 实际中对某一对象(器件、功能或故障模式)的测试往 往需要多个不同位置的测试配合完成,有时甚至是通 过运行CPU中的软件进行测试,ESTIM模型考虑这种 一种电子系统测试性模型的研究 ・77・ 功能的输入引脚之间有直接的电气连接。在其他情况 下,两个功能之间无法建立一条不包含其他功能的 “道路”,故无法直接产生影响。这种关系可以由图3 说明。如果将功能之间的关系看作是有向图,并且只 将功能视为有向图的顶点,对于属于同一元件的功能, 功能1可以直接影响功能2,功能3和功能5可以直接 影响功能4;对于不属于同一元件的功能1的输出引 脚与功能3的输入引脚间存在直接的电气连接,所以 功能1可以直接影响功能3,同理,功能2也可以直接 该故障模式对所有功能的影响 iE SFMF fM E『=u 其中, 为故障模式对第./.个功能的影响,为“1”表示 有影响,为“0”表示无影响;SFMF为该故障模式能够直 接影响的功能的集合;d 为功能相关性矩阵中第i行 第 U的元素。 在一个电子系统中,各种故障模式都是以一个或 多个功能的失效体现出来的,如果有两种故障模式对 影响功能3和功能5;功能1的输出引脚与功能5的输 入引脚间没有直接的电气连接,因而功能1无法直接 影响功能5;功能4由于没有输入引脚,所有其他元件 的功能均无法对其产生直接影响。 —)一 /—’(= (功能1), 二]/ r-- —广 ==] ] 、 、 功能2 = [ 、 — 、—————/ ] [ ==] [ 元件l 元件2 图3功能之间的直接与I司接影响关系 电路原理图中包含了各元件引脚之间的电气连接 关系,在对电子系统的元件定义功能时,就确定了功能 与元件之间的所属关系,同时可以很容易地确定各个 功能与输入输出引脚之间的关系。通过上述分析可 知,利用这些关系作为约束条件,为一个功能指定可直 接影响的功能时,可将待选的功能限定在一个相对小 的集合内,从而大大简化建立功能直接影响关系的过 程。 建立功能模型后,要为各元件定义故障率、故障模 式,并指明其发生概率及影响,其中,建立故障影响关 系是关键。在ESTIM模型中,建立故障影响关系就是 建立故障模式与其所在元件功能的直接影响关系。该 故障模式与其他元件功能的影响可以根据功能相关性 利用计算机推理得到。 (2)故障模式与功能的相关性信息。 ESTIM模型在对元件定义故障模式时,通过指明 所定义故障模式能够直接影响的功能来建立功能与故 障模式之问的相关性。由于一个部件的故障模式只能 对该部件自身的功能产生直接影响,因此部件的故障 模式能够影响的功能的集合SrMv必然是该部件功能集 合的s 子集。 如果已知一种故障模式能够直接影响的功能,并 知道各功能之间相关性的情况下,可以通过下式求得 系统所有功能的影响情况完全相同,那么通过任何测 试都无法对这两种故障模式进行隔离,此时只能通过 部件的故障率以及故障模式的发生概率判断哪种故障 模式发生的概率较大。 要进行测试性分析,就要在功能模型和故障模式 模型的基础上添加测试信息,就需要为系统定义测试, 并指明所定义测试的覆盖及成本。 (3)测试与测试对象的相关性信息。 在ESTIM模型中进行测试定义时,可以将功能、 故障模式及元件作为测试对象。通过电路原理图(拓 扑结构)、元件引脚及功能定义、元件的故障模式,可 以获得功能与功能的相关性、功能与元件的相关性以 及功能与故障模式的相关性,因此知道测试与某个功 能、故障模式或元件的直接影响关系,就可以知道测试 与其他功能、故障模式以及元件的相关性。测试定义 主要就是建立某个测试与某个功能、故障模式或元件 的直接影响关系,在为系统定义测试之后,通过相关性 计算,就可以获得测试与所有测试对象的相关性信息。 (4)故障率、故障模式及成本信息。 在ESTIM模型中,将故障率和故障模式作为元件 的属性。在选定了元件之后,可以通过制造商提供的 数据手册、电子设备可靠性预计手册以及以往的使用 经验等获得元件故障率、故障模式以及各种故障模式 的发生概率等信息。 在ESTIM模型中,测试成本是测试的一个属性, 测试成本与测试手段及方式有关。在进行测试定义 时,设计者应明确对某一测试对象采用何种方式或手 段的测试(是BIT、ATE还是手工测试),并根据被测对 象的信号特征设计测试电路的方案,当测试方案确定 后,测试成本也就随之确定了。 4 ESTIM模型信息完备性分析 通过以上分析可知,ESTIM模型涵盖了功能与功 能的相关性、故障模式与功能的相关性、测试与功能 (或故障模式)的相关性,同时引脚与元件、功能与元 件、故障模式与元件之间的所属关系也可以在ESTIM 模型体现出来。 (下转第81页) Ⅲ/恒越 卅迦越《 蔷餐 赠 在线实时智能车路仿真系统研究 真实验要求。 lOO 10 20 30 行驶速度/km・h 。 t - 图4 WCR实验 图5 OBU与NOBU时间一速度变化曲线 6结束语与研究展望 本研究结合已有的在线数据采集系统,设计并建 立了在线实时VII仿真系统,初步的实验结果验证了 系统通信性能与应用有效性。上面实验实例是为了验 证系统性能而进行,下一步的研究主要集中于: (1)继续对实地VII环境进行实验与完善。 VII系统通信方式与协议有很多种,本阶段研究 只采用了802.11a与802.11b无线通信协议进行了实 验。下一步工作要针对其他无线通信协议进行相关实 验,如交通专用短程通信相关协议(DSRC,dedicated short—range communication)、Ad-hoc网络等。目的是通 过实验研究适合中国国情及交通环境的VII无线通信 方案。 (2)针对所建立的仿真系统,根据上面所述系统 运行评价指标,对系统的运行进行大量实验,对VII系 统运行与应用进行评价分析。 因此,进一步完善系统功能及性能并进行深入的 VII理论与应用研究,是下一步艰苦的工作。 参考文献: [1]郭忠印,方守恩,等.道路安全工程[M].北京:人民交通 -81・ 出版社,2003. [2]储浩,杨晓光,朱彤,等.基于智能车路系统的交叉口主动 交通安全技术研究[J].交通与计算机,2008,26(4):135 一l39. [3]Tanikella H,Smith B L,Zhang G,et a1.Development and e— valuation of a vehicle--infrastructure integration simulation ar・- chitecture[J].Journal of Computing in Civil Engineering, 2007,21(6):434—440. [4] 张永忠,郑媛元,李正熙.城市交通控制在线仿真系统 [J].交通标准化,2008,(9):87—90.. [5]王飞跃.平行系统方法与复杂系统的管理和控制[J].控 制与决策,2004,19(5):485—489. 口 (上接第77页) 由于实际所发生的故障总是以一个元件的一个故 障模式或多个元件的多个故障模式的形式出现,根据 测试与功能之间的相关性可以得到测试与故障模式的 相关性,也就是说通过测试可以对故障模式进行检测 与隔离。当故障被隔离到某种故障模式时,根据故障 模式与元件的所属关系,就可以将故障定位到元件。 根据所定义测试集的这种隔离定位能力及元件的故障 率信息就可以计算出系统的故障检测率及隔离率。 此外,ESTIM模型中具有测试成本信息,可以综合 考虑测试覆盖与测试成本,对测试进行选择,生成平均 测试成本最优的测试策略。ESTIM模型将各种信息定 义为模型元素(元件、测试等)的属性,故在不改变结 构模型的前提下,通过为模型中的元素添加属性即可 获得更多的信息。需要说明的是,在实际的建模过程 中,模型的信息是否完备除了取决于模型的表示方法 外,还取决于建模人员对建模对象的了解与熟识情况。 参考文献: [1] 田仲,石君友.系统测试性设计分析与验证[M].北京:北 京航空航天大学出版社,2003. [2]GJB 2547—1995.装备测试性大纲[S]. 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