使用​故障​植​入​单元​(FIU)​进行​电子​测试

概览

硬件​故障​植​入​(Fault insertion/​fault injection)​是​嵌入式​控制​单元​可靠性​测试​系统​的​主要​方法​之一。 本​教程​介绍​了​故障​植​入​的​操作​方式​以及​如何​将​故障​植​入​单元 (FIU)​集成​到​基于​PXI​平台​的​硬件​在​环​(HIL)​测试​系统。 若要​进一步​了解​故障​植​入​相关​的​NI​产品,​可​访问​FIU​选​型​页​面。 若​需​进一步​了解​NI HIL​平台,​可​访问​ni.com/​hil。

内容

为何​需要​硬件​故障​植​入?

在​许多​硬件​在​环​(HIL)​试​系统​中,​硬件​故障​植​入​用于​在​电子​控制​单元​(ECU)​与​系统​其他​部分​之间​添加​信号​故障,​进而​测试、​特性​描述​或​验证​ECU​在​特定​失效​条件下​的​性能。 故障​植​入​通常​用于​特定​ECU(如​汽车、​飞机、​航天​器​和​机械​的 ECU)​需要​对​故障​条件​产生​已知​且​可​接受​的​响应​的​情况。 这​一​操作​需要​将​故障​植​入​单元​(FIU)​安装​到​测试​系统​I/​O​接口​和​ECU​之间,​使​测试​系统​可在​正常​运行​与​故障​状态 (如​电池​短路、​接地​短路​或​开路)​之间​切换。

图​1​显示​了​FIU​如何​安装​到​HIL​测试​系统​中。 请​注意,​故障​植​入​可​做为​I/​O​与​ECU​之间​的​闸门。

图​1.​动态​测试​系统​中​FIU​的​典型​安装​位置。

FIU​的​架构

FIU​的​一个​常见​配置​是“故障​总​线​拓​扑”(Fault bus topology),​每​个​通道​可​对​一个​或​多个​故障​总​线​开路​或​短路。 在此​拓​扑​中,​每​个​FIU​通道​均​由​3​个​单​刀​单​掷​(SPST)​继电器​组成。 通道​的​第一​组​继电器​用​作为​通路 (Pass-​through),​在​默认​运行​模式​下,​此​继电器​处于​关闭​状态,​且​FIU​不受​ECU​与​测试​系统​的​影响。

图​2. 默认​运行​模式​下​的​FIU,​所有​信号​均可​通过

开路​故障

如果​要​仿真​开路​或​中断​故障,​测试​应用​与​待​测​设备​(DUT)​之间​的​信号​线​应​处于​开路​状态,​以​确定​信号​中断​之后​待​测​设备​的​响应。 用户​可​断开​此​继电器​来​模拟​意外​断电​或​开路​状态,​或者​在​规定​的​时间​间隔​内​闭合​继电器,​模拟​间歇​性​连接​或​接触​不良​的​情况。

Figure 3.  图​3. 使用​FIU​在​通道​1​上​模拟​开路​故障

接地​短路​或​电源​短路

若要​模拟​接地​或​电源​短路,​则​将​信号​线​从​外部​故障​线路​或​故障​总​线​连接​至​待​测​设备。 故障​总​线​可​配置​为​仿真​电源​线、​系统​接地​或​系统​的​其他​电源。 

图​4. 使用​FIU​在​通道​1​上​模拟​电源​短路​故障

引​脚​间​短路s

如果​要​模拟​引​脚​间​短路,​可​将​待​测​设备​的​信号​线路​连接​至​1​个​或​多个​额外​待​测​设备​信号​线。

图​5.​使用​FIU​在​通道​0​和​通道​1​之间​模拟​引​脚​间​短路​故障

基于​PXI​的​FIU​的​优势

 

PXI​具备​触发​与​同步​功能,​是​理想​的​FIU​环境。 由于​HIL​测试​系统​通常​使用​基于​PXI​的​I/​O,​因此​PXI​也​可​提供​仿真​度​极​高​的​开关​信号。 这些​系统​通常​通过​嵌入式​实​时​处理​软件​(如 NI VeriStand)​来​进行​控制,​因此​基于​PXI​的​FIU​可​让​工程​师​轻松​地​通过​编​程​来​选择​和​控制​运行​其​模型​与​测试​序列​的​接口​的​故障。 NI​最近​刚​发布​了​其​首​款​FIU -NI PXI-2510, 这​是​一​款​专​为​HIL​应用​所​设计​的​68​通道​150 V 2 A FIU。 NI PXI-2510​具有​68​个​馈​通​(Feedthrough)​通道,​对​一个​或​两​个​故障​总​线​开路​或​短路。 此外,​每​个​故障​总​线​包含​一个​4x1​输入​多​路​复​用​器,​因此​用户​可​通过​软件​控制​植​入​更多​类型​和​数量​的​故障,​因而​具有​更高​灵活性

图​6. NI PXI-2510 68​通道​2 A FIU

除了​可​轻松​集成​HIL​测试​系统​之外,​NI PXI FIU​还​具有​安全​性、​可靠性​和​连接​性​等​硬件​相关​的​优势。

安全性

由于​故障​植​入​往往​需要​高​电压​与​电流,​且​安全​性​是​HIL​应用​的​重​中之​重,​因此​NI​在​设计​FIU​时​尤其​注重​安全​性。 具体​来说,​所有​NI FIU​均​兼容​IEC 61010-1​国际​标准,​且​设计​均​通过​第三​方​机构​(如 UL)​的​检验。 最后,​每​个​FIU​在​发​货​之前​均​先​经过​测试,​以​确保​其​功能​性​与​安全​性。

可靠性

与​安全​性​一样, 可靠性​也是​长期​测试​一个​主要​考虑​因素。 虽然​机电​式​继电器​均​号称​可​运行​数百​万个​周期,​但在​正常​负载​条件下​其​使用​寿命​仍​非常​有限。 为了​提高​长期​可靠性,​PXI-2510​集成​了​板​载​继电器​计数​跟踪,​可​让​用户​了解​继电器​已​运行​的​周期​数。 这​也有​助​于​用户​决定​何时​进行​维护​与​更换。 PXI-2510​还​提供​用户​可​更换​的​继电器​套​件,​用户​可在​继电器​生命​周期​结束​出现​正常​继电器​故障​时​自行​进行​更换。 另外,​使用​过程​中,​不可​预见​的​情况​也​会​导致​继电器​由于​电压​或​电流​过​高​而​出现​意外​损坏,​在​这种​情况​下,​用户​可​更换​的​继电器​套​件​就​派​上​用​场​了。 最后,​为​确保​机械​可靠性,​每​个​FIU​的​设计​均​必须​通过​加速​寿命​测试 (Highly accelerated life test,​HALT),​以​确保​FIU​在​高​振动​环境​中的​机械​完好​性,​因而​可在​恶劣​环境​中​使用。

连接性

由于​故障​植​入​应用​往往​涉及​大量​通道,​且​必须​使用​高​电压/​电流,​因此​在​布线​和​连接​时​必须​非常​注意,​但​这​一点​往往​容易​被​忽视。 PXI-2510​提供​了三​种​连接​方式 – 螺丝​接​线​端、​裸线​以及​DIN​连接​器。 这​三​种​连接​方式​经过​专门​设计,​保证​了​安全​性、​可靠性​以及​信号​接​线​端​屏蔽​性能,​从而​提供​了​完整​的​连接​解决​方案。 这种​设计​可​降低​噪声​和​串​扰​现象,​同时​还​可​减少​系统​辐射。

如需​进一步​了解​PXI-2510​的​接​线​选项,​可​查看 “如何​连接​信号​至​PXI-2510”教程。.

除了​专​为​故障​植​入​设计​的​产品​之外,​NI​还​提供​各种​通用​的​开关​产品,​可​用于​自行​设计​故障​植​入​拓​扑​结构。 其中​一个​例子​是 NI PXI-258610​通道​12 A SPST​模​块,​该​模​块​可​用于​创建​多重​故障​植​入​拓​扑,​包括​3​通道​双​总​线​FIU​和​9​通道​单​总​线​FIU,​详情​可​参阅 本​教程。​如需​了解​可​用于​故障​植​入​应用​的​NI​开关​完整​列表,​可​参阅NI​开关​选​型​指南.

将​PXI FIU​集成​至​HIL​测试​系统

在​选择​FIU​时,​系统​集成 (包含​软件​在内)​是​最后​一个​要​考虑​的​重要​因素。 在​Windows​环境​中,​可​通过​专门​用于​开关​调​试​的​图形​化​工具​NI-​SWITCH​软件​前​面板​(SFP)​来​配置​和​测试​PXI FIU。 对于​自动​化​控制,​内含​的​NI-​DAQmx​硬件​驱动​结合​LabVIEW Real-​Time​和​Windows,​可​通过​编​程​访问​模​块​的​所有​功能。 

HIL​测试​系统​通常​通过​NI VeriStand​进行​控制,​NI VeriStand​是​一个​用于​配置​实​时​测试​应用​的​现成​软件​环境。 用户​也​可​通过​NI VeriStand​轻松​控制​NI PXI FIU,​这​意味​着​用户​可在​同​一个​环境​中​管理​FIU;​配置​Real-​Time I/​O、​激励​配置​文件、​数据​日志​和​警报;​开发​控制​算法/​系统​仿真;​创建​运行​时​可​编辑​的​用户​界面​等。 如需​进一步​了解​如何​使用​NI VeriStand​配置​PXI-2510,​可​参阅 “在​NI VeriStand​中​使用​NI PXI-2510”在​线​教程

 

 

图​7. 通过​NI VeriStand​控制​FIU

针对​更​高级​且​高​时效​性的​控制,​每​个​FIU​模​块​可​通过​PXI​背​板​传送/​接收​触发​信号。 输入​触发​信号​将​可​让​开关​提前​至​FIU​硬件​上​加​载​的​预​定义​列表​中的​下​一个​故障​位置。 输出​触发​信号​则​可​用于​启动​PXI​系统​中​其他​仪器​的​测量​作业。 对于​自动​化​测试​应用,​实​时​仿真​的​触发​信号​可​通过​故障​条件​发送​至​序列,​而​对于​需要​更​复杂​序列​和​动态​故障​控制​的​应用,​一个​或​多个​FIU​可​使用​PXI FPGA​模​块​经由​PXI​背​板​发送/​接收​触发​信号。

结论

如果​应用​对​ECU​可靠性​要求​非常​高,​则​应​考虑​使用​FIU。 NI​所​提供​的​软​硬件​架构​均可​将​FIU​集成​至​HIL​测试​系统​中​来​提升​设备​的​安全​性​与​可靠性

资源

硬件​在​环​测试

故障​植​入​单元​选​型​指南

NI​开关​选​型​指南

在​NI VeriStand​中​使用​NI PXI-2510