基于SLPS的模擬電路故障樣本自動獲取技術

竺 瓊，胡志忠，浦建開

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016）

隨著電子技術的迅速發展，電子設備的性能得到了很大的提高。模擬電路是電子設備中最易發生故障的薄弱環節，所以對其進行故障診斷具有重要意義。模擬電路故障診斷中最基本的是故障樣本數據的獲取。最常用的是利用Matlab和PSpice聯合仿真提取故障樣本數據。PSpice是一款電路仿真軟件，可以得到精確的仿真結果；Matlab由主開發環境、工具箱、simulink仿真環境等內容組成，具有強大的數據處理功能。將PSpice和Matlab結合，利用各自優勢完成模擬電路故障樣本的獲取，為故障特征提取做準備。

PSpice軟件運行的數據結果以.out或.txt文本形式輸出，包括輸入文件，元件模型參數等內容。吳昊[1]用的方法是先用Str2num函數去掉.out文件中不相干內容，再通過textread函數讀取所需內容。滿高華[2]先用任選項設置（options）來簡化.out文件內容，再用feof等函數讀取有價值數據。楊博文[3]先將.txt文件中的第一行字段名刪除并保存為.dat格式，再用importdat函數提取有用數據。

上述方法都需要等PSpice仿真文件形成以后再進行數據操作，且后續操作的前提是電路文件不變。如若用故障字典法、神經網絡或遺傳算法等方法來進行模擬電路故障診斷，需要一次次的手動注入故障再進行仿真獲取故障樣本數據。尤其是利用遺傳算法時需要成千上萬次的樣本提取，會消耗大量時間，所以故障注入及故障樣本數據獲取的自動化顯得尤為重要。文中采用基于SLPS的模擬電路故障樣本獲取技術，實現了故障注入，樣本提取的自動化。

1 基于SLPS的模擬電路故障樣本獲取流程

1.1 SLPS功能簡介

SLPS是Cadence Design Systems公司針對PSpice模擬仿真器與Mathworks公司的Matlab建模工具推出的接口軟件。該接口可用于電路系統的仿真。SLPS主要是鏈接PSpice至Matlab中的simulink仿真器。對于完整的機電系統的電子仿真，用戶可通過一個原型來實現一個系統設計。

1.2 故障樣本獲取技術流程

故障樣本獲取技術流程圖如圖1所示。

1）在PSpice中建立正常電路

在PSpice內部繪制電路圖，設置參數選項。并運行一次仿真，產生.cir文件。

2）建立simulink子系統，加入SLPS模塊

在Matlab中新建model文檔，打開slpslib，加入 SLPS模塊，鏈接其輸入輸出，運行產生.mdl文件。并產生相應的SLPS_*.cir、SLPS_*.net文件。 在 Matlab的 Command Window窗口中輸入open_system（'*'）即可打開系統查看，并手動修改設置參數。simulink中simulation-configuration parameters選項可按電路設置slover、max step size，仿真時間等參數，確定仿真時間內的采樣點數。數據結果輸出的方式可在simulink下sink中選擇，選擇simout將仿真數據輸出到workspace工作區瀏覽器進行處理[4－5]。

3）建立電路故障表

按照電路元件編號有序列出所有可能存在的故障，建立電路故障表。

4）運行程序自動讀取故障表獲取故障樣本數據

編寫.m文件，運行程序自動讀取故障表，調用子系統生成故障電路樣本數據。

圖1 故障樣本獲取技術流程圖Fig.1 Flow chart of fault samples acquisition technology

2 程序設計實現流程

上述流程中1）～3）是自動獲取技術實現前的準備工作，而4）是自動獲取技術的關鍵步驟。具體的程序設計實現流程如圖2所示

1）讀取故障表并進行故障注入 讀取故障表，按照故障表逐個設置故障。研究發現.cir文件中又調用了.net文件，實驗證明，直接修改.net文件內容即可修改元器件名稱及參數形成故障電路。編寫.m文件，用fopen語句打開.net文檔并修改其元件參數，形成故障電路。

2）在Matlab中調用系統并運行 用load_system命令重新載入修改參數后的系統，sim命令運行系統。

3）輸出故障樣本數據 將輸出的故障樣本數據存儲在一個矩陣中，每一列為一個故障樣本，行數由周期內采樣點數和采樣時間決定。矩陣列數由故障表內故障個數決定，為故障樣本個數。

4）恢復正常電路 將故障表中的故障作為變量，調用子程序，將故障電路參數修改回正常電路參數。為下次的故障設置做好準備。

3 應用實例分析

文中采用實例驗證上述方法的可行性及樣本數據的精準性。實例采取元件級仿真電路，圖3電路為低通濾波電路。此電路是 International Test Conference（ITC’97）中發布的一個模擬電路基準測試電路[6]。

在PSpice中畫好此電路圖，并進行瞬態仿真。建立testmodel系統，加入SLPS模塊，雙擊SLPS模塊，打開SLPS setting，將sine wave代替PSpice中原本的輸入，選擇 simout方式輸出到Matlab中。Testmodel系統如圖4所示。

圖2 程序設計流程圖Fig.2 Flow chart of program design

圖3 低通濾波電路Fig.3 Low pass filter

圖4 testmodel系統Fig.4 System of testmodel

設置輸入 VAMPL為 1 V，FREQ為 1 k的信號源，max step size為1 μs，仿真時間設為2 ms，即仿真兩個周期。系統建立完成后根據電路圖建立故障表。文中以硬故障為例，每個元件有短路、開路、正常 3 種狀態，現考慮 R1、R2、R3、C44個元件，一共是34=81種狀態，其中80種故障，一種正常狀態。在PSpice中不得出現節點懸空，否則無法通過編譯，所以故障建模時開路狀態選用99 999 kΩ的電阻表示，短路則用0.005 5 μΩ的電阻表示。打開Matlab運行程序，每個狀態能在workspace中得到2002×1的樣本數據矩陣，即單個故障樣本。故障表為81種狀態，則最后得到2002×81的矩陣，即電路樣本數據集[7]。

畫圖對比驗證樣本數據獲取的準確性。舉例設置故障電路：R1開路，R2開路，R3短路，C4正常， 將此故障電路在PSpice中畫出，同樣設置最大步長為1 μs，仿真時長為2 ms，并進行瞬態仿真得出圖5。在matlab中運行系統，得到的樣本數據用plot（tout，testvout）命令畫出波形圖如圖6所示。由對比圖可見，文中采用的方法可以獲得正確的樣本數據。且程序運行結果表明本文采用的方法獲得的數據精準度高，且程序運行一次完成81種故障樣本數據的采集。從修改電路到完成仿真，獲取故障樣本僅需不到30 s的時間。

圖5 PSpice中故障電路波形圖Fig.5 Waveform of fault circuit in PSpice

圖6 自動獲取技術波形圖Fig.6 Waveform of automatic acquisition technology

4 結 論

經實例驗證，文中采用的方法操作簡便，收集到的樣本數據精準，自動化程度高。此方法大大提高了模擬電路故障樣本獲取的速度，為建立故障字典及模擬電路故障診斷提供了極大的方便。

[1]吳昊，寧元中，梁穎.Matlab與Pspice的數據接口技術[J].電氣電子教學學報，2005，27（1）:35-38.

WU Hao，NING Yuan-zhong，LIANG Ying.The data transfer from Pspice to Matlab[J].Journal of IEEE，2005，27（1）:35-38.

[2]滿高華，胡桂明，金浙良，等.MATLAB結合PSPICE用于模擬電路故障診斷的方法[J].裝備制造技術，2009（4）:88-90.

MAN Gao-hua， HU Gui-ming， JIN Zhe-liang， etal.Integrating MATLAB with PSPICE for the simulation of analog circuit fault diagnosis[J].Equipment Manufacturing Technology，2009（4）:88-90.

[3]楊博文，劉飛.PSpice與Matlab的數據通訊技術[J].四川兵工學報，2010，31（11）:79-80.

YANG Bo-wen，LIU Fei. Statistics communications technology based on PSpice and Matlab[J].Journal of sichuan Ordnance， 2010，31（11）:79-80.

[4]Moslehpour S，Kulcu E K，Alnajjar H.Model-based control design using SLPS Simulink PSpice Interface[J].Journal of Communication and Computer，2010，7（5）:68-77.

[5]王永龍，張兆忠，張桂紅.MATLAB語言基礎與應用[M].北京:電子工業出版社，2010.

[6]Kaminska B， Arabi K， Bell I，et al.Analog and mixed-signal benchmarkcircuits-firstrelease[C]//ProceedingsofInternational Test Conference，1997:183-190.

[7]戚新波，劉宏飛，鄭先鋒.電路的計算機輔助分析-MATLAB與PSpice應用技術[M].北京:電子工業出版社，2006.