基于FMEA中故障影响数据的电路板测试设计与相关性矩阵建立方法

技术领域

本发明属于故障诊断领域，具体涉及一种基于FMEA中故障影响数据的电路板测试设计 与相关性矩阵建立方法。

背景技术

相关性矩阵是用矩阵的形式表达电路板组成单元故障模式与测试之间的相关性关系。根 据相关性矩阵，不仅可以评价电路板测试性设计的故障检测与故障隔离情况，还可以根据实 际测试结果进行故障诊断。目前，相关性矩阵是通过测试性建模分析工作获取的，测试性建 模的输入数据一般包括电路板的故障模式、规划的测试等。其中，故障模式主要是通过故障 模式影响分析（FMEA）获得，测试主要是根据经验进行设计规划的。FMEA是分析电路板 中所有可能产生的故障模式及其对电路板造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重 程度予以分类的一种归纳分析方法。在FMEA中，故障影响按约定层次划分为局部影响、上 层影响与最终影响。

通过测试性建模获取相关性矩阵，需要具备三个条件：具有明确的故障模式组成、具有 明确的已规划测试、具有专用的建模分析工具，因此在没有预先规划测试和专用建模分析工 具的情况下，无法使用该方法获取相关性矩阵。

FMEA数据中不仅提供了故障模式组成，还提供了故障影响数据，为测试集的确定和相 关性矩阵的建立奠定了数据基础。目前，尚未有利用FMEA数据直接建立电路板测试集与相 关性矩阵进行故障诊断的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于FMEA中故障影响数据的电路板测试 设计与相关性矩阵建立方法。本发明利用FMEA数据，直接建立初始测试集，形成初始相关 性矩阵，针对初始测试中的不可检测故障与模糊组故障进行增补测试，完成电路板的相关性 矩阵的建立，用于电路板故障诊断。

本发明提供的基于FMEA中故障影响数据的电路板测试设计与相关性矩阵建立方法，包 括如下步骤：

步骤一：根据电路板的FMEA数据，建立故障模式与影响关联表；故障模式与影响关联 表中包含故障模式、故障模式对电路板的局部影响和上层影响；

步骤二：根据上层影响建立初始测试集，并构建故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵； 故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵中，行为初始测试，列为故障模式，矩阵中元素ed_il表 示第i个故障模式f_i与第l个初始测试ct_l之间的关系，当在故障模式与影响关联表中，故障f_i对应的上层影响包含ct_l时，ed_il为1；当故障f_i对应的上层影响不包含ct_l时，ed_il为0；

步骤三：确定初始测试存在的不可检测故障和模糊组故障；从故障模式与初始测试的逻 辑关联矩阵中，选取全零行对应的故障模式作为不可检测故障，将值相同的行对应的故障模 式分组选取得到模糊组故障；

步骤四：从故障模式与影响关联表中，提取步骤三得到的不可检测故障的局部影响，根 据所提取的局部影响，建立对应的故障的检测增补测试，所有的检测增补测试形成检测增补 测试集，并构建不可检测故障与检测增补测试的逻辑关联矩阵；

不可检测故障与检测增补测试的逻辑关联矩阵中，行为检测增补测试，列为不可检测故 障；矩阵中元素ed′_mk表示第m个不可检测故障f′_m与第k个检测增补测试zt_k之间的关系，当 在故障模式与影响关联表中，故障f′_m对应的局部影响包含zt_k时，ed′_mk为1；当故障f′_m对应 的局部影响不包含zt_k时，ed′_mk为0；

步骤五：从故障模式与影响关联表中，提取步骤三得到的模糊组故障的局部影响，当同 一模糊组内的故障模式的局部影响不相同时，根据该模糊组故障局部影响建立隔离增补测试， 所有隔离增补测试形成隔离增补测试集，然后构建模糊组故障与隔离增补测试的逻辑关联矩 阵；

模糊组故障与隔离增补测试的逻辑关联矩阵中，行为隔离增补测试，列为模糊组故障， 矩阵中元素ed″_nr表示第n个模糊组故障f″_n与第r个隔离增补测试gt_r之间的关系，当在故障模 式与影响关联表中，故障f″_n对应的局部影响包含gt_r时，ed″_nr为1；故障f″_n对应的局部影响不 包含gt_r时，ed″_nr为0；

步骤六：将初始测试集、检测增补测试集与隔离增补测试集进行汇总，得到电路板完整 测试集；合并整理故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵、不可检测故障与检测增补测试的逻 辑关联矩阵、以及模糊组故障与隔离增补测试的逻辑关联矩阵，得到电路板的故障模式与测 试相关性矩阵，在电路板的故障模式与测试相关性矩阵中，空余位置逻辑值设为X；

步骤七：根据电路板的故障模式与测试相关性矩阵进行电路板测试与故障诊断。

本发明的优点和积极效果在于：

（1）本发明方法对于电路板的各故障模式，首先选取上层影响进行分析，确定初始测试 集，对于初始测试集的不可检测故障与模糊组故障，进一步选取局部影响进行分析确定增补 测试集，既保证了最高的故障检测率，又优先选取了易于测量的测试点；

（2）本发明通过故障模式与故障影响数据关系，直接分析建立电路板的相关性矩阵，避 免了复杂的测试性建模的分析过程以及专用工具的使用，利于方便、快捷地进行电路板故障 诊断。

附图说明

图1是本发明的电路板测试设计与相关性矩阵建立方法的原理图；

图2是本发明的电路板测试设计与相关性矩阵建立方法的整体流程图；

图3是本发明实施例中的模块功能框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于FMEA中故障影响数据的电路板测试设计与相关性矩阵建立方法的原理，如 图1所示。根据电路板FMEA报告，获取故障模式集，建立故障模式与影响关联表，形成上 层影响集合和局部影响集合。依据故障上层影响，建立初始测试集，并形成故障模式与初始 测试的相关性矩阵，从而找到初始测试中的不可检测故障与模糊组故障。对不可检测故障， 依据故障局部影响，建立检测增补测试集，形成故障模式与检测增补测试的相关性矩阵。对 局部影响不同的模糊组故障，建立隔离增补测试集，形成故障模式与隔离增补测试的相关性 矩阵。将三个相关性矩阵进行整理，得到最终的相关性矩阵，用于电路板的故障诊断。

本发明是一种基于FMEA中故障影响数据的测试设计与相关性矩阵建立方法，流程如图 2所示，包括以下几个步骤：

步骤一：根据电路板的FMEA数据，建立故障模式与影响关联表。

电路板的故障模式集如下：

F＝{f_i|i＝1,2,…I}       （1）

式中，F是电路板的故障模式集；f_i是第i个故障模式名称，I为电路板的故障数量。

电路板故障模式的影响如下：

E=(EI,EH)       （2）

式中：E为故障模式对电路板的影响；EI为故障模式的局部影响；EH为故障模式的上层 影响。

电路板故障模式局部影响EI如下：

EI=(EIU,EIX,EIV)        （3）

式中：EIU为局部影响发生的位置；EIX为局部影响的参数；EIV为局部影响的参数表现。

电路板故障模式上层影响EH如下：

EH=(EHU,EHX,EHV)      （4）

式中：EHU为上层影响发生的位置；EHX为上层影响的参数；EHV为上层影响的参数表 现。

可采用表1所示的表格对电路板的故障模式与影响关联进行描述。

表1故障模式与影响关联表

建立故障模式与影响关联表的步骤如下：

（1.1）根据电路板FMEA报告，获取FMEA数据；

（1.2）将FMEA数据中故障模式与影响提取出来，按照表1的格式，整理故障模式与影 响关联表。

步骤二：根据故障上层影响建立初始测试集，并构建故障模式与初始测试的逻辑关联矩 阵。

初始测试集如下：

SCT＝（CTN,CT,CTU,CTX）     （5）

其中，SCT表示初始测试集，CTN＝{ctn_l|l＝1,2,…，L}，ctn_l表示第l个初始测试的编号， L为初始测试的数量；CT＝{ct_l|l＝1,2,…，L}，ct_l是第l个初始测试的名称；

CTU＝{ctu_l|l＝1,2,…，L}，ctu_l是第l个初始测试所在位置；CTX＝{ctx_l|l＝1,2,…，L}，ctx_l是 第l个初始测试的测量参数。

可采用表2所示的表格对初始测试集进行描述。

表2故障模式上层影响与初始测试集

故障模式与初始测试之间的关系ED表示如下：

ED_I×L＝[ed_il]_I×L     （6）

式中，ed_il表示故障f_i与初始测试ct_l之间的关系，当在故障模式与影响关联表中，f_i故 障对应的上层影响包含ct_l对应的测试时，ed_il为1；f_i故障对应的上层影响不包含ct_l对应的 测试时，ed_il为0。

可采用表3所示的表格对故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵进行描述。

表3故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵

建立故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵的步骤如下：

（2.1）根据上层影响，分析确定相应的初始测试；

（2.2）整理全部初始测试，形成初始测试集，作为逻辑关联矩阵的行；故障模式与影响 关联表中的全部故障模式作为逻辑关联矩阵的列；

（2.3）根据式（6）确定ed_il的取值，并建立故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵。

步骤三：确定初始测试存在的不可检测故障和模糊组故障。

初始测试中不可检测故障如下：

F′＝{f′_m|m＝1,2,……,M}      （7）

式中：F′表示初始测试不可检测故障集合，f′是第m个不可检测故障，M为不可检测 故障数量。

初始测试中模糊组故障如下：

F′′＝{fn″_n|n＝1,2,……,N}      （8）

式中：F′′表示模糊组故障集合，f″_n是第n个模糊组故障，N为初始测试模糊组故障数 量。

可采用表4和表5所示的表格对初始测试不可检测故障与模糊组故障进行描述。

表4初始测试不可检测故障集

表5初始测试模糊组故障集

建立初始测试中不可检测故障集与模糊组故障集的具体步骤如下：

（3.1）分析故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵的取值；

（3.2）将故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵中的全零行对应的故障模式一一选取，即 为不可检测故障；

（3.3）将故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵中的值相同的行对应的故障模式分组选 取，即为模糊组故障。

步骤四：根据初始测试存在的不可检测故障的局部影响建立检测增补测试集，并构建不 可检测故障与检测增补测试的逻辑关联矩阵。

不可检测故障的局部影响集合如下：

EI′＝{ei′_k|k＝1,2,……,K′}      （9）

式中：EI′表示初始测试存在的不可检测故障局部影响集合，ei′_k是第k个不可检测故障 局部影响，K′为不可检测故障局部影响的数量。

增补测试集如下：

SZT＝（ZTN,ZT,ZTU,ZTX）      （10）

式中：SZT表示检测增补测试集，ZTN＝{ztn_k|k＝1,2,……,K}，ztn_k表示第k个检测增 补测试的编号，K为检测增补测试的数量；ZT＝{zt_k|k＝1,2,……,K}，ct_k是第k个检测增补 测试的名称；ZTU＝{ztu_k|k＝1,2,……,K}，ztu_k是第k个检测增补测试所在位置；

ZTX＝{ztx_k|k＝1,2,……,K}，ztx_k是第k个检测增补测试的测量参数。

采用表6所示的表格对初始测试中不可检测故障的局部影响与检测增补测试集进行描述。

表6不可检测故障的局部影响与检测增补测试集

不可检测故障与检测增补测试之间的关系表示如下：

ED′_M×K＝[ed′_mk]_M×K      （11）

式中，ed′_mk表示第m个不可检测故障f′_m与第k个检测增补测试zt_k之间的关系，M表示 不可检测故障数目。当在故障模式与影响关联表中，故障f′_m对应的局部影响包含zt_k对应的测 试时，ed′_mk为1；故障f′_m对应的局部影响不包含zt_k对应的测试时，ed′_mk为0。

可采用表7所示的表格对故障模式与检测增补测试的逻辑关联矩阵进行描述。

表7故障模式与检测增补测试的逻辑关联矩阵

建立故障模式与检测增补测试的逻辑关联矩阵的步骤如下：

（4.1）梳理故障模式与影响关联表，提取不可检测故障的局部影响信息；

（4.2）根据所提取的局部影响，建立其对应的电路板测试，作为检测增补测试；

（4.3）整理全部检测增补测试，形成检测增补测试集，作为逻辑关联矩阵的行；初始测 试不可检测的故障模式作为逻辑关联矩阵的列；

（4.4）根据式（11）确定ed′_mk的取值，并建立故障模式与检测增补测试的逻辑关联矩阵。

步骤五：根据模糊组故障的局部影响建立隔离增补测试集，并构建模糊组故障与隔离增 补测试的逻辑关联矩阵。

模糊组故障局部影响集合如下：

EI′′＝{ei″_r|r＝1,2,……,R′}      （12）

式中：EI′′表示初始测试存在的模糊组故障局部影响集合，ei″_r是第r个模糊组故障局部 影响，R′为初始测试存在的模糊组故障局部影响的数量。

隔离增补测试集如下：

SGT＝（GTN,GT,GTU,GTX）      （13）

式中：SGT表示增补测试集，GTN＝{gtn_r|r＝1,2,……,R}，gtnr表示第r个隔离增补测 试的编号，R为隔离增补测试的数量；GT＝{gt_r|r＝1,2,……,R}，gt_r是第r个隔离增补测试 的名称；GTU＝{gtu_r|r＝1,2，……,R}，gtu_r是第r个隔离增补测试所在位置；

GTX＝{gtx_r|r＝1,2,……,R}，gtx_r是第r个隔离增补测试的测量参数。

可采用表8所示的表格对初始测试中模糊组故障的局部影响与隔离增补测试集进行描述。

表8模糊组故障的局部影响与隔离增补测试集

模糊组故障与隔离增补测试之间的关系表示如下：

ED″_N×R＝[ed_″nr]_N×R      （14）

式中，ed″_nr表示第n个模糊组故障f″_n与第r个隔离增补测试gt_r之间的关系，N表示模糊 组故障数目。当在故障模式与影响关联表中，故障f″_n对应的局部影响包含gt_r对应的测试时，

ed″_nr为1；故障f″_n对应的局部影响不包含gt_r对应的测试时，ed″_nr为0。

可采用表9所示的表格对故障模式与隔离增补测试的逻辑关联矩阵进行描述。

表9故障模式与隔离增补测试的逻辑关联矩阵

建立模糊组故障模式与隔离增补测试的逻辑关联矩阵的步骤如下：

（5.1）梳理故障模式与影响关联表，提取初始测试模糊组故障的局部影响信息；

（5.2）对初始测试中同一模糊组内的故障模式，判别局部影响是否相同；若相同，则无 需进行隔离增补测试，判为模糊组；若不同，继续步骤（5.3）；

（5.3）根据局部影响，建立其对应的电路板测试，作为隔离增补测试；

（5.4）整理全部隔离增补测试，形成隔离增补测试集，作为表9所示逻辑关联矩阵的行； 初始测试模糊组的故障模式作为表9所示逻辑关联矩阵的列；

（5.5）根据式（14）确定ed″_nr的取值，并建立初始测试模糊组故障与隔离增补测试的逻 辑关联矩阵。

步骤（2.1）、（4.3）和（5.3）中根据故障所产生的上层或局部影响，建立对应的电路板 测试，使得测试点通过检测到故障所产生的影响，从而检测到故障发生。

步骤六：合成得到电路板完整测试集与最终的电路板故障模式与测试相关性矩阵。

可采用表10所示的表格对电路板所建立的完整测试集进行描述。

表10电路板全部测试集

可采用表11所示的表格对电路板故障模式与全部测试的逻辑关联矩阵进行描述。

表11电路板故障模式与全部测试的逻辑关联矩阵

建立电路板完整测试集和电路板的故障模式与测试相关性矩阵的步骤如下：

（6.1）将初始测试集、检测增补测试集与隔离增补测试集进行汇总，得到电路板完整测 试集；

（6.2）根据ED_I×L，整理故障模式与初始测试的逻辑关系；

（6.3）根据ED′_M×K，整理初始测试中不可检测故障模式与检测增补测试的逻辑关系；

（6.4）根据ED″_N×R，整理初始测试中模糊组故障与隔离增补测试的逻辑关系；

（6.5）空余位置逻辑值用X代替；

（6.6）汇总得到电路板的故障模式与全部测试的相关性矩阵。

步骤七：根据电路板的故障模式与测试相关性矩阵结果进行电路板测试与故障诊断。

电路板测试与故障诊断的步骤如下：

（7.1）依据电路板完整测试集进行电路测试，记录测试结果，当测试结果为正常时，测 试取值为0，否则为1；

（7.2）若全部测试结果均为0，诊断结论为电路板正常工作，诊断过程结束；否则电路 板有故障发生，继续步骤（7.3）；

（7.3）将测试结果取值与表11中的故障模式与全部测试的逻辑关联矩阵进行逐行比对，

每一行中“X”位无需比对；当测试结果与某一行（非“X”位）比对结果一致时，该行对应 的故障模式为发生的故障。

实施例

下面以某处理器电路板为例，对本发明方法进行说明。

本发明实施例的处理器主要电路功能框图如图3所示，功能子电路按照电路的结构与功 能划分为五个模块：处理器监控模块（编号01），包括硬件看门狗电路、TMS320F240等； CPU及逻辑综合模块（编号02），包括系统时钟、驱动电路、复位电路、可编程逻辑电路等； 串行通信模块（编号03），包括局部总线、RS422等；存储器模块（编号04），包括SRAM 扩展电路、NVM扩展电路等；外部接口模块（编号05），包括多功能接口电路等。

步骤一：根据电路板的FMEA数据，建立故障模式与影响关联表。

根据FMEA报告，获取FMEA数据。整理故障模式与影响关联表，如表12所示。

表12故障模式与影响关联表

步骤二：根据故障上层影响建立初始测试集，并构建故障模式与初始测试的逻辑关联矩 阵。

（2.1）根据故障模式上层影响，建立初始测试集，如表13所示。

表13故障模式上层影响与初始测试集

（2.2）建立故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵，如表14所示。

表14故障模式与初始测试的逻辑关联矩阵

步骤三：分析初始测试存在的不可检测故障和模糊组故障。

将故障模式与初始测试逻辑关联矩阵中的全零行一一选取，即为不可检测故障。如表15 所示。

表15初始测试不可检测故障集

将故障模式与初始测试逻辑关联矩阵中的相同行分组选取，即为模糊组故障。如表16所 示。

表16初始测试模糊组故障集

步骤四：根据初始测试不可检测故障的局部影响建立检测增补测试集，并构建不可检测 故障与检测增补测试的逻辑关系矩阵。

测试不可检测故障的FMEA数据，根据局部影响，分析确定相应故障模式的检测增补测 试。如表17所示。

表17不可检测故障的局部影响与检测增补测试集

建立的故障模式与检测增补测试的逻辑关联矩阵，如表18所示。

表18故障模式与检测增补测试的逻辑关联矩阵

步骤五：根据模糊组故障的局部影响建立隔离增补测试集，并构建模糊组故障与隔离增 补测试的逻辑关联矩阵。

梳理初始测试模糊组故障的FMEA数据，对初始测试中同一模糊组内的故障模式，判别 局部影响是否相同。在该电路板中，模糊组2故障：F0501与F0502局部影响相同，为模糊 组。模糊组1故障：F0303与F0304局部影响不同，进行隔离增补测试。

根据局部影响，分析确定相应故障模式的隔离增补测试，如表19所示。

表19模糊组故障的局部影响与隔离增补测试集

建立初始测试模糊组故障与隔离增补测试的逻辑关联矩阵。如表20所示。

表20故障模式与隔离增补测试的逻辑关联矩阵

步骤六：合成得到电路板的全部测试集，以及电路板最终的故障模式与测试相关性矩阵。 汇总得到电路板完整测试集如表21所示。

表21电路板全部测试集

建立故障模式与全部测试的逻辑关联矩阵如表22所示。

表22故障模式与全部测试的逻辑关联矩阵

步骤七：根据矩阵结果进行电路板测试与故障诊断。

（1）根据表21所示完整测试集进行电路板测试，得到测试结果如表23所示。

表23电路板初始测试结果

（2）诊断结果非全零。对照表22，该测试结果与F0306行所对应逻辑值相同，得到诊 断结论：电路板发生故障，故障模式为F0306定电阻器R9开路。