基于测点必要度的模拟电路测点选择方法和装置

摘要

提供一种基于测点必要度的模拟电路测点选择方法，包括以下步骤：根据整数编码故障字典生成故障对集P

说明书

技术领域

本发明涉及模拟电路测点选择方法和装置，具体涉及基于测点必要 度的模拟电路测点选择方法和装置。

背景技术

由于模拟电路的输入激励和输出响应是连续量，元件参数存在容差， 电路中存在非线性现象和反馈回路，故障模型比较复杂等因素，模拟电 路的故障诊断技术发展较慢，可付诸实用的较少。故障字典法是最具有 使用价值的一种重要的模拟电路故障诊断方法。在故障字典法中，测点 的选择是一个非常重要的环节，其目的是在故障都可隔离的前提下，选 择测点数量最小的测点集。

由于模拟电路的元件存在容差，在同一状态，测点电压也不是一个 固定值，而是在某一变化范围之内。这一问题可通过划分模糊集，构建 整数编码故障字典来解决。整数编码故障字典的测点选择问题已被证明 是NP-hard问题(Starzyk J A，Liu D，Liu Z H，et al..Entropy-based  optimum test points selection for analog fault dictionary  techniques.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2004，53(3).)，全局最优算法不适用于较大规模的系统。

目前，国内外学者提出了多种局部最优算法。Prasad等(Prasad V  C，Badu N S C.Selection of test nodes for analog fault diagnosis  in dictionary approach.IEEE Transactions on Instrumentation and  Measurement，2000，49(6).)提出了三种包含法和一种排除法；Starzyk 等(Starzyk J A，Liu D，Liu Z H，et al..Entropy-based optimum test  points selection for analog fault dictionary techniques.IEEE  Transactions on Instrumentation and Measurement，2004，53(3).) 提出了一种基于熵的方法；汪鹏和杨士元(汪鹏，杨士元.模拟电路故障 诊断测试节点优选新算法.计算机学报，2006，29(10).)提出了基于故障 隔离度的测点选择方法(以下简称WP算法)。这些方法简单，运算快， 但结果不够好。

文献(Golonek T，Rutkowski J.Genetic-algorithm-based method  for optimal analog test points selection[J].IEEE Transactions  on Circuits and Systems-II：Express Briefs，2007，54(2).)(张超 杰，贺国，梁述海等.基于改进粒子群算法的模拟电路测试点选择.华中科 技大学学报(自然科学版)，2009，37(11).)使用现代优化算法选取模拟 电路的测试，但这些方法模型较复杂，计算时间较长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在模拟电路的可测试性设计和故障诊 断中，能够既省时又高效地选择测试点。

为解决上述问题，本发明提供两种基于测点必要度的模拟电路测点 选择方法，方法一包括以下步骤：

1)根据整数编码故障字典生成故障对集P_F，计算出与故障对相对应 的可隔离测点集的集合T_F，设定最小测点集T1为空集，最小测点集中的 元素个数Ka为1；

2)计算集合T_F中每个测点集中元素的个数Kt_Fi，若某个测点集中元 素的个数为0，则转到6)；

3)比较是否存在某个Kt_Fi＝Ka，若不存在，Ka＝Ka+1，转到3)；若 存在，如Kt_Fi＝Ka，再判断Ka是否为1。若为1，则测点t_i的必要度为1， 是必要测点，应将测点t_i放入T1；若不为1，则计算集合t_Fi中各测点相 对T1的条件隔离度，选择条件隔离度最大的测点放入T1，若有多个最 大的测点则选择序号最小的测点；

4)从可用测点集T中删除新选测点，从P_F中删除新选测点能隔离的 故障对，从T_F中删除对应的测点集；

5)判断P_F中元素的个数是否为0，若为0，计算结束；否则，判断 T中的元素个数是否为0，若为0，转到6)，不然，则转到2)；

6)故障对集不可隔离，计算结束。

方法二包括以下步骤：

1)根据整数编码故障字典生成故障对集P_F，计算出与故障对相对应 的可隔离测点集的集合T_F，设定最小测点集T1为空集，最小测点集中的 元素个数Ka为1，

2)计算集合T_F中每个测点集中元素的个数Kt_Fi，若某个测点集中元 素的个数为0，则转到6)，

3)比较是否存在某个Kt_Fi＝Ka，若不存在，Ka＝Ka+1，转到3)；若存 在，如Kt_Fi＝Ka，再判断Ka是否为1。若为1，则将测点t_i放入T1；若不 为1，则进行如下操作：

3.1)对集合t_Fi中每个测点，如t_k，假设将t_k放入T1，更新T，P_F和T_F(从可用测点集T中删除新选测点，从P_F中删除新选测点能隔离的 故障对，从T_F中删除对应的测点集)，用WP算法计算得出最小测点集；

3.2)选择集合t_Fi中优化测试集最小的测点放入T1，若有多个最小 的测点则选择序号最小的测点，

4)从可用测点集T中删除新选测点，从P_F中删除新选测点能隔离的 故障对，从T_F中删除对应的测点集；

5)判断P_F中元素的个数是否为0，若为0，计算结束；否则，判断 T中的元素个数是否为0，若为0，转到6)，不然，则转到2)；

6)故障对集不可隔离，计算结束。

本发明还提供了一种用于选取模拟电路最小测点集的装置，该装置 包括：

故障对集生成器，用于由整数编码故障字典生成故障对集；

可隔离测点集生成器，用于计算与每个故障对相对应的可隔离测点 集；

比较器，用于计算与故障对相对应的可隔离测点集中元素的个数， 若某个测点集中元素的个数为0，则该故障字典中的所有故障不能全部 被隔离；

测点选择器，用于选择测点；

判断器，用于判断是否测点已选择完毕。

其中，测点选择器可以包括条件测点必要度运算器和条件故障隔离 度运算器。

其中，测点选择器还可以包括条件测点必要度运算器和WP算法运算 器。

附图说明

图1是本发明方法一的流程图。

图2是本发明方法二的流程图。

图3是选取模拟电路测点的装置结构图。

图4示意性示出一种模拟电路最小测点集生成系统，用于实现本发 明提出的方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。首先介绍相关的 基础知识。

模糊集和整数编码故障字典：

由于模拟电路中的元件存在容差，电路在正常状态下和各种故障状 态下测点的电压不是一个确定的值，而是一个连续的小区间。这些小区 间可能重叠，而使该测点无法区分重叠的多个状态。为了解决这个问题， 可根据各个状态的测点电压区间，将电压分为若干个模糊域。测点电压 区间落入某个模糊域的所有故障状态(包括正常状态)组成一个模糊集， 并依次用整数对模糊集进行编码。

对所有测点的模糊集进行划分、编码后，根据故障状态，测点和模 糊集间的关系建立整数编码故障字典。用F＝{f₀，f₂，...，f_m}表示故 障状态集(包括正常状态)，T＝{t₁，t₂，...，t_n}表示可用测点集，d_ij表示模糊集的整数编码，其中i表示对应的故障状态的编号，j表示对 应的可用测点。本发明是在已建立的整数编码故障字典基础上进行处理。

故障隔离度：

从故障状态集F中任意选出两个故障状态f_i和f_j，构成一个故障对 (f_i，f_j)。设P_F为F中所有故障状态生成的故障对所构成的集合，则有 P_F＝{(f_i，f_j)|0≤i，j≤m且i≠j}。对可用测点集中的任意测点t_k，若 故障字典中的整数编码d_ik和d_jk不相等，则表明测点t_k可以区分故障对 (f_i，f_j)。

定义1设P_F＝{p_F1，p_F2，...，p_Fm1}为故障对集，T＝{t₁，t₂，...，t_n} 为可用测点集，可用测点在故障对集中可区分的故障对数称为该测点的 故障隔离度，用I表示。

假设可用测点t_j可区分的故障对集分别为D_j，则t_j的故障隔离度为 D_j中元素的个数，即

I_j＝|D_j|                                 (1)

定义2设T1＝{t₁，t₂，...，t_n1}为已选的优化测点集，P_F1＝{p_F1， p_F2，...，p_Fm2}为剩余未隔离的故障对集，则测点在故障对集 P_F1中可区分的故障对数称为t_k相对于T1的条件故障隔离度，记为I_k(T1)。

测点必要度：

从故障状态集F中任意选出两个故障状态f_i和f_j，构成一个故障对 (f_i，f_j)。将可用测点集中的所有能隔离这个故障对的测点组成一个集 合，称为故障对(f_i，f_j)的可隔离测点集。在P_F中，每个故障对都有自己 的可隔离测点集，若集合中只有一个测点，则这个测点一定会被选中， 否则故障状态将不能全部隔离。若可隔离测点集中有两个测点，则这两 个测点各有一半的概率被选中。所以可隔离测点集中元素的个数包含着 测点的必要性信息。

定义3设P_F＝{p_F1，p_F2，...，p_Fm1}为故障对集，T＝{t₁，t₂，...，t_n} 为可用测点集，T_F＝{t_F1，t_F2，...，t_Fm1}为与故障对对应的可隔离测点 集的集合。则某一可用测点的必要度为包含该测点的最小可隔离测点集 中元素个数的倒数，用B表示。

可用测点t_i的必要度可表示为

$B_i=\frac{1}{\underset{j}{\min }\left|t_{\mathrm{Fj}}\right||t_i\in t_{\mathrm{Fj}}}---\left(2\right)$

其中，|t_Fj|为集合中的元素的个数。

定义4设T1＝{t₁，t₂，...，t_n1}为已选的优化测点集，P_F1＝{p_F1， p_F2，...，p_Fm2}为剩余未隔离的故障对集，T_F1＝{t_F1，t_F2，...，t_Fm2} 为与故障对对应的可隔离测点集的集合，则测点在P_F1和T_F1条 件下的必要度称为t_k相对于T1的条件必要度，记为B_k(T1)。

图1是按照本发明的方法一选择模拟电路测点的流程图。该流程开 始于步骤S101。然后，在步骤S102，进行初始化工作，具体包括根据整 数编码故障字典生成故障对集P_F，计算出与故障对相对应的可隔离测点 集的集合T_F，设定最小测点集T1为空集，最小测点集中的元素个数Ka 为1。

在步骤S103，计算集合T_F中每个测点集中元素的个数Kt_Fi，若某个 测点集中元素的个数是为0，则转到步骤S112，否则转到步骤S104。这 个步骤主要是用来判断所给出故障字典是否可以隔离所有故障。

在步骤S104，计算集合T_F中每个测点集中元素的个数Kt_Fi，比较是 否存在某个Kt_Fi＝Ka，若存在，则转到步骤S106，否则转到步骤S105。

在步骤S105，Ka＝Ka+1，再转到步骤S104。

在步骤S106，判断Ka是否为1，若是，则转到步骤S108，否则转 到步骤S107。这里Ka的值越小，表示故障对相对应的测点集中，每个 测点的必要度越高。若Ka为1，则故障对相对应的测点集中只有一个测 点，也就是说要隔离故障对中的两个故障，必需用到这个测点。所以在 步骤S108，将测点t_i放入T1，然后转到S109。

在步骤S107，计算集合t_Fi中各测点相对T1的条件隔离度，选择条 件隔离度最大的测点放入T1，若有多个最大的测点则选择序号最小的测 点，然后转到S109。

在步骤S109，从可用测点集T中删除新选测点，从P_F中删除新选测 点能隔离的故障对，从T_F中删除对应的测点集，然后转到S110。

在步骤S110，判断P_F中元素的个数是否为0，若为0，转到S113， 否则，转到S111。

在步骤S111，T中的元素个数是否为0，若为0，转到S112，否则， 转到S103。

在步骤S112，给出故障对集不可隔离的结论，并转到S113。

流程结束于步骤S113。

图2是按照本发明的方法二选择模拟电路测点的流程图。该流程开 始于步骤S201。然后，在步骤S202，进行初始化工作，具体包括根据整 数编码故障字典生成故障对集P_F，计算出与故障对相对应的可隔离测点 集的集合T_F，设定最小测点集T1为空集，最小测点集中的元素个数Ka 为1。

在步骤S203，计算集合T_F中每个测点集中元素的个数Kt_Fi，若某个 测点集中元素的个数是为0，则转到步骤S212，否则转到步骤S204。这 个步骤主要是用来判断所给出故障字典是否可以隔离所有故障。

在步骤S204，计算集合T_F中每个测点集中元素的个数Kt_Fi，比较是 否存在某个Kt_Fi＝Ka，若存在，则转到步骤S206，否则转到步骤S205。

在步骤S205，Ka＝Ka+1，再转到步骤S204。

在步骤S206，判断Ka是否为1，若是，则转到步骤S208，否则转 到步骤S207。这里Ka的值越小，表示故障对相对应的测点集中，每个 测点的必要度越高。若Ka为1，则故障对相对应的测点集中只有一个测 点，也就是说要隔离故障对中的两个故障，必需用到这个测点。所以在 步骤S208，将测点t_i放入T1，然后转到S209。

在步骤S207，对集合t_Fi中每个测点，如t_k，假设将t_k放入T1，更 新T，P_F和T_F(从可用测点集T中删除新选测点，从P_F中删除新选测点 能隔离的故障对，从T_F中删除对应的测点集)，用WP算法计算得出最小 测点集。选择集合t_Fi中优化测试集最小的测点放入T1，若有多个最小的 测点则选择序号最小的测点。然后转到S209。

在步骤S209，从可用测点集T中删除新选测点，从P_F中删除新选测 点能隔离的故障对，从T_F中删除对应的测点集，然后转到S210。

在步骤S210，判断P_F中元素的个数是否为0，若为0，转到S213， 否则，转到S211。

在步骤S211，T中的元素个数是否为0，若为0，转到S212，否则， 转到S203。

在步骤S212，给出故障对集不可隔离的结论，并转到S213。

流程结束于步骤S213。

图3是选取模拟电路最小测点集的装置结构图。301表示故障对集 产生器，302表示可隔离测点集生成器，303表示比较器，304表示测点 选择器，测点选择器304又包括条件测点必要度运算器3041、条件故障 隔离运算器3042和WP算法运算器3043，305表示判断器。

故障对集生成器301，用于由整数编码故障字典生成故障对集；

可隔离测点集生成器302，用于计算与每个故障对相对应的可隔离 测点集；

比较器303，用于计算与故障对相对应的可隔离测点集中元素的个 数，若某个测点集中元素的个数为0，则该故障字典中的所有故障不能 被全部隔离；

测点选择器304，用于选择测点。若用方法一设计测点选择器304， 则图3成为使用方法一选取模拟电路最小测点集的装置结构图。同样的， 若用方法二设计测点选择器304，则图3成为使用方法二选取模拟电路 最小测点集的装置结构图。

判断器，用于判断是否测点已选择完毕。

图4示意性指出一种模拟电路最小测点集生成系统，本发明提出的 方法都可在该系统中实现。图4中所示的模拟电路最小测点集生成系统 包括电源模块401，存储器402，处理器403，输入装置404和输出装置 405。在这些部件中，电源模块401用于给其他各个部件供电，存储器 402用于存储指令和数据，在指令执行时随机存储数据等。处理器403 用于运算和处理数据，同时接收输入装置404输入的信息，并向输出装 置405发送输出信息。输入装置404用于输入信息，输出装置405可以 是显示屏，打印机等，用于输出系统的状态信息以及结果信息等。图4 的每个部件的功能在本技术领域内都是众知的，并且图4所示的结构也 是常规的。这种结构不仅用于个人计算机，而且可以用于各种嵌入式设 备。

在图1或者图2所示的流程图的基础上，本领域技术人员无需创造 性的工作即可开发出相关软件。开发出的软件可以执行图1或者图2所 示的选择模拟电路测点的方法。

在某种意义上，图4所示的模拟电路最小测点集生成系统如果得到 根据图1或者图2所示流程图开发出的软件的支持，则可以实现与图3 所示选取模拟电路测点的装置相同的功能。