《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的模擬電路故障診斷研究
2015年微型機與應(yīng)用第13期
顏學(xué)龍,韓俊俊
桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院,廣西 桂林 541004
摘要: 隨著電子系統(tǒng)的集成度越來越高,內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的物理探針已經(jīng)無法滿足測試要求。簡要介紹了IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)和支持向量機理論基礎(chǔ),提出了一種基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的模擬電路故障診斷方案。該方法利用SVM實現(xiàn)故障檢測,結(jié)合電路分塊方法和IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)中的開關(guān)矩陣對電路分塊,實現(xiàn)故障定位。最后對此方法的可行性和準(zhǔn)確性進行了仿真驗證,結(jié)果表明此方法在準(zhǔn)確判斷電路是否存在故障的同時,也能實現(xiàn)故障定位,達到誤判率為零的結(jié)果。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 隨著電子系統(tǒng)的集成度越來越高,內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的物理探針已經(jīng)無法滿足測試要求。簡要介紹了IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)和支持向量機理論基礎(chǔ),提出了一種基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的模擬電路故障診斷方案。該方法利用SVM實現(xiàn)故障檢測,結(jié)合電路分塊方法和IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)中的開關(guān)矩陣對電路分塊,實現(xiàn)故障定位。最后對此方法的可行性和準(zhǔn)確性進行了仿真驗證,結(jié)果表明此方法在準(zhǔn)確判斷電路是否存在故障的同時,也能實現(xiàn)故障定位,達到誤判率為零的結(jié)果。

  關(guān)鍵詞: IEEE1149.4;支持向量機;故障檢測;故障定位

0 引言

  目前在一個完整的電子系統(tǒng)中,模擬電路還不能完全被數(shù)字電路取代,而在信號處理和控制中,模擬電路又占有多數(shù),并且大部分電子系統(tǒng)故障出現(xiàn)在模擬電路部分,所以對模擬電路的故障診斷至關(guān)重要[1]。參考文獻[2]提出了一種基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的混合電路故障診斷方法,實現(xiàn)了混合電路的互連測試和參數(shù)測試;參考文獻[3]提出的模擬電路故障診斷算法是基于特征和故障診斷器聯(lián)合優(yōu)化的一種算法,提取和選擇待測模擬電路中的故障特征,結(jié)合SVM參數(shù)優(yōu)化完成模擬電路故障診斷;參考文獻[4]提出的基于SVM的模擬測試生成算法,利用SVM分類特征將分類面中的信息轉(zhuǎn)化為模擬電路測試矢量,能有效地檢測出電路中有無故障。

  但是以上算法都存在一定的誤判率,針對這一問題,本文提出了基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的模擬電路的故障診斷。利用IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)矩陣形成測試通道,再結(jié)合支持向量機實現(xiàn)故障的診斷,最后通過電路分塊的方法實現(xiàn)故障定位。

1 IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)簡介

  支持IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的器件主要由以下部分組成:數(shù)字測試訪問端口TAP(Test Access Port)、模擬測試訪問端口ATAP(Analog Test Access Port)、測試總線接口電路TBIC(Test Bus Interface Circuit)、模擬測試總線ABx(Analog Test Bus)、數(shù)字邊界掃描單元DBM(Digital Boundary Module)以及模擬邊界掃描單元ABM(Analog Boundary Module)等[5]。

  測試總線接口電路TBIC的主要作用是通過控制模擬測試訪問端口(ATAP)和內(nèi)部測試總線(ABx)的連接,為外部測試總線系統(tǒng)和器件的ABM單元提供通道,測試激勵的輸入和響應(yīng)的采集可由ATAP端口獲得[1,5]。邏輯控制電路和開關(guān)矩陣共同組成了測試總線接口電路,圖1是TBIC開關(guān)矩陣的結(jié)構(gòu)。

Image 001.png

  模擬邊界掃描單元ABM是IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)框架的心臟[5],具有至關(guān)重要的作用。如圖2所示為ABM的功能原理圖,其主要是6個開關(guān)組成的開關(guān)矩陣。

Image 002.png

2 支持向量機理論基礎(chǔ)

  SVM(Support Vector Machine)即支持向量機,由Vapnik最先提出,它是建立在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的一種分類方法[4]。SVM的目的是找到一個滿足分類要求的分類超平面,使得該超平面不僅能保證分類精度,還能使超平面兩側(cè)的樣本與該平面的距離最大化[4]。

  假設(shè)有訓(xùn)練集{(x1,y1),…,(xn,yn)},其中xi∈Rn,yi∈Y={1,-1},i=1,…,n,若存在w∈Rn,b∈R,則超平面表達式可表示為:

  S={x|<w,x>+b=0}

  SVM的關(guān)鍵是尋找最優(yōu)w和b使得離分類面最近的樣本與分類面距離最大。離分類面最近的樣本被稱為支持向量[6]。通過兩類支持向量的平面分別為{x|<w,x>+b=1}和{x|<w,x>+b=-1},并且都平行于超平面,與超平面的距離為1/|w|,所以尋找最優(yōu)w和b即是尋找最大間隔,于是分類問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題:

  CFC.tmp.jpg

  s.t. yi(wTx+b)≥1,i=1,2,…,n

  用拉格朗日乘子求解上式,再結(jié)合KKT互補條件,最終化簡為:

 

  上面討論了線性可分情況,為求解線性不可分情況,還需引入核函數(shù)K(·,·)將數(shù)據(jù)映射到高維,線性不可分問題就被轉(zhuǎn)化為線性可分問題[6],得到:

  E1E.tmp.jpg

3 基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的模擬電路故障診斷

  故障診斷是指利用各種診斷和測試方法確定待測電路有無故障,通常分為故障檢測和故障定位兩部分。故障檢測指判斷出待測電路中有無故障,故障定位則指找出發(fā)生故障的確切位置。本文采用基于SVM的故障檢測方法來判斷電路是否存在故障,對于故障定位,采用結(jié)合IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)矩陣和電路分塊方法實現(xiàn)。該診斷方法以單一故障為基礎(chǔ),暫時不涉及多故障并存的情況。

  3.1 故障檢測

  本文采用基于SVM模擬電路故障檢測方法,其主要思想是對采樣空間進行分類,得到能區(qū)分電路正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的分類面和決策函數(shù),最終判斷電路有無故障。

  對待測電路(CUT)設(shè)置不同的狀態(tài)(正常狀態(tài)和故障狀態(tài))之后,以采樣頻率FS分別進行采樣,得到大量n維的響應(yīng)向量,這些n維的響應(yīng)向量構(gòu)成了訓(xùn)練集或測試集[5]。利用SVM對采樣空間進行分類,得到超平面和決策函數(shù),最后將待測響應(yīng)x代入到?jīng)Q策函數(shù)中,根據(jù)f(x)的值(1或-1)來判斷此電路是否有故障。

  基于SVM故障檢測的主要步驟如下:

  (1)采集訓(xùn)練集:將電路分為正常狀態(tài)和故障狀態(tài),分別提取電路特征作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)xi,將電路正常特征標(biāo)記為y=+1,電路故障特征標(biāo)記為y=-1。

 ?。?)訓(xùn)練分類器:結(jié)合采集的訓(xùn)練集來訓(xùn)練支持向量機,獲得能將正常特征與故障特征分開的超平面以及決策函數(shù):

F27.tmp.jpg  

 ?。?)檢測故障:將待測的測試特征x代入到?jīng)Q策函數(shù)中,根據(jù)得到的結(jié)果判斷電路中有無故障:

  f(x)=1,電路正常-1,電路故障

  3.2 故障定位

  基于SVM的故障檢測只能判斷出待測電路有無故障,要確定故障發(fā)生位置,還需采取進一步的方法來實現(xiàn)。本文結(jié)合電路分塊方法和IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)電路分塊,分別對分割后的子電路進行故障判斷。采用IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)中的開關(guān)矩陣,在設(shè)計電路時將分塊點連接至IEEE1149.4器件的ABM單元,實現(xiàn)測試激勵的輸入和測試響應(yīng)的采集。本文采用參考文獻[7]中的基于Laplace矩陣的譜平分算法,該算法利用電路的鄰接矩陣模型對電路網(wǎng)絡(luò)進行分塊處理,主要步驟參照參考文獻[7]。

  3.3 基于IEEE1149.4的模擬故障診斷

  因為要將分塊點連接到IEEE1149.4器件的ABM單元上實現(xiàn)電路分塊,所以要在最開始就對電路進行分塊。文中用到的電路分塊算法每次只能將電路分成兩個子電路,所以先將電路分成2個一級子電路,再對一級子電路進行分塊,得到4個二級子電路,依此類推,直至分到最?。梢詾閱我黄骷部梢詾楹唵尉W(wǎng)絡(luò))。

  基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的故障診斷流程如圖3所示。對電路分塊后,將分塊點連接至IEEE1149.4器件的ABM單元上;然后斷開或閉合相關(guān)ABM單元上的概念開關(guān),采集整個待測電路的響應(yīng)空間,完成支持向量機的訓(xùn)練,測試電路是否存在故障;在有故障的情況下,重新選擇需要斷開或閉合相關(guān)位置概念開關(guān)實現(xiàn)電路分塊,對子電路塊進行故障檢測,重復(fù)這一步驟直至最后一級子電路故障檢測完成。

Image 003.png

4 仿真驗證與結(jié)果分析

  本文在軟件仿真環(huán)境下驗證該診斷方法的可行性和準(zhǔn)確性,以圖4所示的三極點濾波器為例。器件U1和器件U2均為支持IEEE1149.4的器件。點B1是整體電路的分塊點,將電路分為兩個一級子電路,左邊為子電路1,點B11是子電路1的分塊點,點B21和點B22均能作為子電路2的分塊點,所以點B21和點B22將子電路2分為三部分。將點B11連接至器件U1,將點B1、點B21和點B22都連接至器件U2上(為畫圖簡便考慮,并未在圖中畫出)。

Image 004.png

  主要測試電阻和電容的故障,暫不涉及放大器的故障,假設(shè)運算放大器是無故障的。在采集響應(yīng)空間時,以元件參數(shù)容差[-5%,5%]的電路狀態(tài)為正常狀態(tài),以大于元件參數(shù)容差(5%,10%]的電路狀態(tài)為故障狀態(tài)。分別對整體電路和子電路進行了故障檢測,結(jié)果如表1表示。

Image 006.png

  這里需要說明一點:基于SVM的故障檢測算法中的故障狀態(tài)只選取了大于元件參數(shù)容差(5%,10%]的電路狀態(tài),對于小于元件參數(shù)容差的電路故障狀態(tài)是無法檢測的。若要檢測小于元件參數(shù)容差的電路故障狀態(tài),需要重新選取故障狀態(tài)與正常狀態(tài)進行支持向量機的訓(xùn)練。

  由表1可以看出,無論是對整體電路還是子電路,基于SVM的故障檢測算法可以準(zhǔn)確無誤地判斷出電路中是否存在故障,與參考文獻[4]相比較,電路故障誤判率為零。同時還可以得出,經(jīng)電路分塊后,使用IEEE1149.4器件提供測試通道,可以實現(xiàn)故障的初步定位。要實現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位,需要結(jié)合電路特點,利用支持IEEE1149.4的器件對單一元件進行故障診斷,如圖5所示。

Image 005.png

  對于R1:連接A11引腳到AT1端口,A12引腳連接到VG(邏輯地),從AT1端口輸入電流測試激勵iT1,待測試激勵穩(wěn)定后將AT2端口連接至A11引腳測得電壓UR1,則R1=UR1/IT1,其中UR1和IT1為有效值。子電路2的R2和R3也可以用此方法測試。

  對于C1:連接A11引腳至AT1端口,A12引腳至AT2端口,從AT1端口輸入電流測試激勵iT1,待測試激勵穩(wěn)定后從AT2端口測得電容兩端電壓UC1,然后斷開A12與AT2端口的連接,連接A11至AT2端口測得A11處電壓UA11,考慮到C1上電壓滯后電流的特征,求得C1的值:

 FE1.tmp.jpg

  子電路2部分的C2和C3的測試也可用此方法。

  由此可以看出,該方法不僅能判斷電路中有無故障,也能對故障準(zhǔn)確定位。與參考文獻[3]和參考文獻[8]相比,該方法已經(jīng)得出器件的真實值,不僅可以判斷出器件真實值大于還是小于標(biāo)稱值,同時還能實現(xiàn)無誤判。此外,本文采用IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)提供測試通道,采用虛擬探針技術(shù),實現(xiàn)了物理探針不能實現(xiàn)的測試輸入和數(shù)據(jù)采集。

5 總結(jié)

  本文提出的基于IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的模擬電路故障診斷方案,是以IEEE1149.4器件提供測試通道為前提,解決了傳統(tǒng)物理探針無法實現(xiàn)測試輸入和數(shù)據(jù)采集的問題;利用SVM實現(xiàn)模擬電路故障檢測,并且對故障檢測實現(xiàn)了誤判率為零;利用分塊方法對待測電路進行分塊,并且能準(zhǔn)確定位。本文暫時只對待測電路中單一故障的情況進行了討論,下一步將研究對多故障并存的電路實現(xiàn)故障診斷。

參考文獻

  [1] Li Yanping, Lei Jia. Design of analog test hardware platform based on IEEE 1149.4[C]. The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments, 2009:873-876.

  [2] 陳圣儉,張勝滿,周燕,等.基于IEEE 1149.4標(biāo)準(zhǔn)的混合電路測試系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2009,17(9):1673-1675.

  [3] 沈東.模擬電路故障診斷的仿真研究[J].計算機仿真,2012,29(10):248-251.

  [4] 龍婷,王厚軍,龍兵.基于SVM的模擬測試生成的改進算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011,36(6):1425-1428.

  [5] IEEE Computer Society. IEEE. std 1149.4-2011:IEEE Standard for a Mixed Signal Test Bus[S].2011.

  [6] 鄧乃揚,田英杰.支持向量機:理論、算法與拓展[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

  [7] 梁因,馬齊爽,徐萍.基于圖論的潛通路分塊分析方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014,40(1):115-119.

  [8] Guo Ke, Wang Sheling, Song Jiahong. Analog circuit fault diagnosis based on wavelet kernel support vector machine[C]. 2013 International Conference on Information Technology and Applications, 2013:395-399.


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