于敏芳 張明哲 裴楠

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

波音公司通過(guò)對(duì)許多重大故障和事故案例的研究發(fā)現(xiàn)，許多故障和事故并不是由于元器件失效引起的，而是由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中固有的狀態(tài)形成的，這些狀態(tài)是設(shè)計(jì)者為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖無(wú)意識(shí)帶到設(shè)計(jì)中的。多數(shù)潛通路僅在某種特定的條件下才會(huì)激發(fā)，難以通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)識(shí)別。潛通路分析技術(shù)是旨在預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在通路的一項(xiàng)工程技術(shù)。從20世紀(jì)六七十年代開(kāi)始，國(guó)外就有專門的公司從事潛通路分析技術(shù)的研究，我國(guó)從20 世紀(jì)80年代末、90年代初，也開(kāi)始進(jìn)行了潛通路分析技術(shù)的研究，并且建立了相應(yīng)的潛通路分析工具，潛通路分析技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用［1-5］。

星載綜合電子系統(tǒng)的集成度、復(fù)雜度越來(lái)越高，任務(wù)的自主控制能力越來(lái)越強(qiáng)。綜合電子系統(tǒng)的控制更加復(fù)雜，與其他系統(tǒng)之間的接口越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜，這些都將引起在綜合電子系統(tǒng)中可能有更多的潛通路存在。綜合電子系統(tǒng)中的潛通路，將對(duì)航天器的可靠性和安全性產(chǎn)生不同程度的影響。應(yīng)用潛通路分析技術(shù)可以讓綜合電子系統(tǒng)更優(yōu)化，可靠性更高。綜合電子系統(tǒng)中的潛通路包括硬件潛通路和軟件潛通路兩部分，本文重點(diǎn)關(guān)注硬件的潛通路分析技術(shù)，軟件的潛通路分析技術(shù)不在本文的論述范圍。

2 潛通路分析［6］

2．1 潛通路分析的概念及特點(diǎn)

潛通路分析（Sneak Circuit Analysis，SCA）是指在系統(tǒng)的各個(gè)組成部分均正常工作的條件下，在某種特定條件內(nèi)，分析確定能抑制正常功能或不誘發(fā)不正常功能的一種方法。

潛通路分析具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）在進(jìn)行SCA 時(shí)，要考慮人為差錯(cuò)，一般不考慮硬件故障、制造因素和環(huán)境的影響，因此，SCA技術(shù)可與其他的可靠性設(shè)計(jì)分析方法相互補(bǔ)充。

（2）SCA 只注重元部件之間的相互連接和相互影響，不關(guān)心元部件本身的可靠性。

（3）大多數(shù)潛通路并非在系統(tǒng)每次運(yùn)行時(shí)都會(huì)出現(xiàn)，而是在某種特定的條件下才會(huì)起作用，因此，通常難以通過(guò)常規(guī)試驗(yàn)的方式來(lái)發(fā)現(xiàn)。

（4）進(jìn)行SCA 時(shí)，必須保證用于分析的電路能代表系統(tǒng)的實(shí)際情況。在識(shí)別系統(tǒng)的潛通路時(shí)，使用實(shí)際的生產(chǎn)圖和安裝圖，要比使用系統(tǒng)級(jí)或功能級(jí)的圖紙更有效。

2．2 潛通路分析步驟

潛通路的分析步驟如下：

1）電路數(shù)據(jù)的收集和分析

SCA 是針對(duì)一個(gè)實(shí)際存在產(chǎn)品的各個(gè)連接點(diǎn)及各電路之間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題進(jìn)行分析的。電路的一般系統(tǒng)圖、原理圖、功能圖等由于較抽象，不能準(zhǔn)確地表示出產(chǎn)品的硬件連接，完整全面的SCA，必須與產(chǎn)品的實(shí)際安裝裝配圖及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行。

2）電路的簡(jiǎn)化

電路簡(jiǎn)化首先就是要列出電路中存在的一切通路，主要：①元器件的簡(jiǎn)化，保留開(kāi)關(guān)、負(fù)載、繼電器、晶體管、二極管等元器件，略去只起電路連接作用的終端板和連接點(diǎn)等元器件；②通路的簡(jiǎn)化，保留電源和接地線的通路，略去其他無(wú)關(guān)的路徑。

3）構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)樹(shù)

網(wǎng)絡(luò)樹(shù)規(guī)定在電路簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，把所有的電源置于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)樹(shù)的頂端，把接地置于底部，并使電路按自上而下的規(guī)則排列。

4）拓?fù)浞治?/p>

拓?fù)浞治鼍褪且罁?jù)拓?fù)鋱D形識(shí)別及應(yīng)用線索表來(lái)進(jìn)行潛在通路分析。任何電路的網(wǎng)絡(luò)樹(shù)都由5種基本的拓?fù)淠Ｊ浇M成，既直線型、電源拱型、接地拱型、組合拱型和H 型，如圖1所示。拓?fù)鋱D形識(shí)別的目的，就是把網(wǎng)絡(luò)樹(shù)中的每個(gè)相交結(jié)點(diǎn)與5種基本拓?fù)鋱D形進(jìn)行仔細(xì)的比較、辨識(shí)，然后按照各種基本拓?fù)鋱D形所提供的分析線索逐一進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)潛在通路的所有可能性。應(yīng)用線索表是在調(diào)查收集大量的實(shí)踐案例，并加以深入的分析提煉而產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)庫(kù)。這種知識(shí)越全面、越豐富，對(duì)于分析的提示、引導(dǎo)作用就越全面、越準(zhǔn)確，就越能徹底地發(fā)現(xiàn)所有潛在的問(wèn)題。

圖1 五種基本電路拓?fù)淠Ｊ紽ig．1 Five toplogy patterns of circuit

3 潛通路分析技術(shù)在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

3．1 不同設(shè)計(jì)階段的潛通路分析技術(shù)［7-9］

SCA 最初采用人工分析方法，分析過(guò)程包括SCA 全部基本的環(huán)節(jié)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的SCA 工作量巨大。SCA 技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已日臻完善，形成了一套自動(dòng)分析軟件，但是軟件分析的成本很高，分析周期長(zhǎng)，而且建立完善的分析程序和應(yīng)用線索表比較困難。

綜合電子系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)階段可以根據(jù)需要采取不同的潛通路分析手段，同時(shí)也可以根據(jù)需要選取系統(tǒng)的關(guān)鍵電路進(jìn)行SCA。

3．1．1 方案設(shè)計(jì)階段的SCA

綜合電子系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)階段可以結(jié)合故障模式影響分析（Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）和故障樹(shù)分析法（Failure Tree Analysis，F(xiàn)TA）進(jìn)行功能性的潛通路分析，SCA 和FMEA、FTA 同時(shí)進(jìn)行，共用同一系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。方案階段的SCA 只能進(jìn)行功能性的潛通路分析，分析具有局限性，分析不完全，不能取代詳細(xì)設(shè)計(jì)后的SCA。

3．1．2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的SCA

綜合電子系統(tǒng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，可以按以下步驟采用SCA：

（1）詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用避免潛通路設(shè)計(jì)的原則，可以避免常規(guī)的潛通路；

（2）電路原理設(shè)計(jì)完成后，可以采用人工分析的方法，對(duì)接口電路以及容易出現(xiàn)潛通路的電路部分進(jìn)行分析，可以避免軟件分析周期過(guò)長(zhǎng)，更改代價(jià)過(guò)大的問(wèn)題；

（3）電路原理設(shè)計(jì)完成后，也可采用專業(yè)的SCA 工具對(duì)電路進(jìn)行潛通路分析；

（4）由于SCA 工作強(qiáng)度較大，在綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可以選擇影響人員安全或任務(wù)成敗的關(guān)鍵電路，用SCA 工具進(jìn)行分析。

3．2 綜合電子系統(tǒng)潛通路分析技術(shù)的選取

綜合電子系統(tǒng)集成了除載荷外的大部分電子設(shè)備，如果等到原理設(shè)計(jì)完成后才開(kāi)始SCA，此后分析出的潛通路往往會(huì)造成設(shè)備的較大改動(dòng)，影響進(jìn)度和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此綜合電子系統(tǒng)的SCA 應(yīng)盡早進(jìn)行，在不同的階段采取適合的SCA 技術(shù)：

（1）在方案階段結(jié)合FMEA 和FTA 實(shí)施SCA技術(shù)；

（2）在原理圖設(shè)計(jì)階段和原理圖完成初期采用人工分析的方法實(shí)施SCA 技術(shù)，早期的分析比后期識(shí)別和更正潛通路要更經(jīng)濟(jì)和容易；

（3）在原理圖詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，可采用SCA 工具進(jìn)行分析，由于SCA 工具分析工作強(qiáng)度大，分析周期過(guò)長(zhǎng)，可以只對(duì)影響人員安全和任務(wù)成敗的關(guān)鍵電路實(shí)施分析。

3．3 人工分析方法在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用舉例

星載綜合電子系統(tǒng)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)：集成度和復(fù)雜度更高、功能更密集和復(fù)雜、任務(wù)的自主控制能力更強(qiáng)。目前星載綜合電子系統(tǒng)，除包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的遙測(cè)遙控功能外，還集成了衛(wèi)星的熱控管理功能、火工品起爆控制管理功能，有的系統(tǒng)還包括配電管理功能等。除了熱控自主管理、能源自主管理以及火工品起爆控制等傳統(tǒng)的自主控制外，還有和航天器任務(wù)相關(guān)的一些自主控制，例如自主導(dǎo)航、天線指向的自動(dòng)控制等。這些都導(dǎo)致綜合電子系統(tǒng)的控制更加復(fù)雜，和其他系統(tǒng)之間的接口越來(lái)越多。綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備有冷、熱備份模式，設(shè)備內(nèi)部有一些控制電路也存在冷熱備份混合的模式，與綜合電子系統(tǒng)接口的設(shè)備的備份模式也不完全一致。在綜合電子系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)階段，可以對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)之間的接口，或者雙機(jī)冷備份設(shè)備中，雙機(jī)有信號(hào)或電源耦合的地方，采用人工分析的方法進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)階段采用SCA 技術(shù)時(shí)，還需關(guān)注綜合電子系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，對(duì)關(guān)鍵功能電路還需關(guān)注在一次故障下的SCA。人工分析方法的步驟如圖2所示。

圖2 SCA 人工分析步驟Fig．2 Manual analysis steps of SCA

綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部加熱器回路的控制電路采用冷備份的方式，回線開(kāi)關(guān)為單份，每路加熱器對(duì)應(yīng)一個(gè)回線開(kāi)關(guān)，加熱器的備份由航天器系統(tǒng)考慮，對(duì)于該部分電路需要考慮一次故障下，是否存在單份控制電路失效導(dǎo)致雙份控制電路失效的情況，對(duì)于此類電路在綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也需要特別關(guān)注。下面以綜合電子系統(tǒng)內(nèi)加熱器回線開(kāi)關(guān)控制電路（考慮一次故障）的情況為例，說(shuō)明人工分析方法在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3．3．1 電路數(shù)據(jù)收集

加熱器回線開(kāi)關(guān)控制的電原理示意圖如圖3所示。

冷熱備份的加熱器回線開(kāi)關(guān)控制電路分別用A機(jī)和B機(jī)表示，圖3中的DA1（54AC273）為A 機(jī)控制電路中用于鎖存控制信號(hào)的器件，DB1（54AC273）為B機(jī)控制電路中用于鎖存控制信號(hào)的器件，A 機(jī)5V 供電和B 機(jī)5V 供電不同時(shí)加電，兩份控制電路為冷備份的方式，冷備份的控制信號(hào)通過(guò)二極管VA1和VA2相或后送給D2（40109，低高電壓電平轉(zhuǎn)換器），D2用于對(duì)加熱器回線開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）管開(kāi)關(guān)，把加熱器回線開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)從5V轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)控制需要的12V 信號(hào)，D2 為常加電器件?；鼐€開(kāi)關(guān)控制信號(hào)高電平有效，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，加熱器回線開(kāi)關(guān)閉合，加熱器回路中有電流流過(guò)，加熱器工作，當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，加熱器回線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，加熱器回路中無(wú)電流流過(guò)，加熱器不工作。由于在兩個(gè)控制電路匯合的前面，設(shè)置了隔離二極管，當(dāng)其中一份控制電路加電工作時(shí)，不會(huì)對(duì)另一份未加電單機(jī)造成影響。

圖3 加熱器回線開(kāi)關(guān)控制原理示意圖Fig．3 Switch-control principle of heater loop

集成電路的內(nèi)部等效電路如圖4所示，輸入輸出管腳和器件的電源和地端都有防靜電的二極管。這樣當(dāng)未加電控制電路的隔離二極管發(fā)生短路故障時(shí)，當(dāng)輸出回線開(kāi)關(guān)閉合指令時(shí)，就可能通過(guò)不加電單機(jī)54AC273的輸出管腳到電源之間的防靜電二極管，給不加電單機(jī)供電。

圖4 集成電路輸入輸出管腳相連二極管的示意圖Fig．4 Diodes in the inputs and outputs of integrated circuits

3．3．2 電路簡(jiǎn)化

假設(shè)圖3中的二極管VA2發(fā)生短路故障，當(dāng)前A 機(jī)加電，B機(jī)未加電，當(dāng)該通路輸出回線開(kāi)關(guān)通指令（高電平）時(shí)，A 機(jī)的5V 供電就會(huì)通過(guò)DB1輸出管腳Q1到電壓／電流轉(zhuǎn)換電路（VCC）之間的防靜電二極管給B 機(jī)的5V 供電，示意圖如圖5（a）所示。圖5（b）為（a）的拓?fù)鋱D，該網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)典型Y型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 主備控制電路的潛通路示意圖Fig．5 Sneak path between main and backup control circuit

3．3．3 潛在電路分析

加熱器回線控制電路部分為雙機(jī)冷備份工作，回路開(kāi)關(guān)為常加電，由于有VA1和VA2兩個(gè)隔離二極管的存在，當(dāng)發(fā)送回線開(kāi)關(guān)開(kāi)指令時(shí)，不會(huì)對(duì)不加電單機(jī)造成影響。如圖5所示，如果當(dāng)前VA2發(fā)生短路故障，控制電路A 機(jī)加電，控制電路B 機(jī)未加電，當(dāng)輸出加熱器回線開(kāi)關(guān)通指令時(shí)，就會(huì)通過(guò)DB1輸出管腳Q1到VCC之間的防靜電二極管，給未加電的加熱器回線開(kāi)關(guān)控制電路供電，同時(shí)將導(dǎo)致DA1輸出的高電平降低，不能滿足D2輸出電平的要求。在實(shí)際電路上模擬上述故障，DA1輸出高電平時(shí)，40109的輸入電壓被拉低至2．8V，和理論分析一致。

3．3．4 建議改進(jìn)措施

加熱器回線開(kāi)關(guān)控制電路雙機(jī)匯合部分的隔離二極管發(fā)生一次短路故障時(shí)會(huì)和未加電單機(jī)之間形成潛通路，該潛通路會(huì)影響整機(jī)的功能性能。為了避免單個(gè)二極管的一次短路故障造成的潛通路問(wèn)題，需要對(duì)雙機(jī)匯合的地方進(jìn)行更改，更改方式為：VA1和VA2分別串聯(lián)一個(gè)限流電阻后再相連，限流電阻大小選取的原則是：流入芯片的電流小于20mA。

3．4 SCA分析工具在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

借用SCA 工具分析潛通路只適合在系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)已完成，原理圖繪制完畢，有電路的詳細(xì)信息后。目前國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)的專用的SCA 分析工具，SCA 分析工具的好壞取決于線索表的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，使用SCA 分析工具需要專門的人員進(jìn)行。SCA 工具分析對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的分析需要的時(shí)間長(zhǎng)，代價(jià)大。綜合電子系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的遙測(cè)遙控的數(shù)據(jù)管理延伸到加熱器管理、火工品管理、配電管理以及衛(wèi)星自主管理業(yè)務(wù)等，潛通路的人工分析有一定的局限性，采用SCA 工具對(duì)綜合電子整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，需要的周期很長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)具體情況選取綜合電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

本文對(duì)綜合電子系統(tǒng)可以采用的潛通路分析方法進(jìn)行了研究，得出在系統(tǒng)研制的不同階段可以采用的潛通路分析方法，采用潛通路分析工具分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以，從綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中以及接口的確定過(guò)程中，就可以首先采用人工分析的方法進(jìn)行分析，可以減少系統(tǒng)后期的更改，節(jié)省人力物力，并且本文給出了根據(jù)這一原則在綜合電子系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)階段采用該方法進(jìn)行分析的具體實(shí)例。

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