基于CHS軟件的潛在通路分析方法

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

0 引言

潛在通路(sneak circuit analysis, SCA)是指在電氣電子系統中無意中引入的一種在特定情況下使得系統產生非期望功能或抑制期望功能的電路，它與硬件失效無關，而是設計者無意地設計并進入系統的一種潛在狀態[1]。由于潛在通路具有普遍性、突發性等特點，使得潛在通路激發條件和狀態經常不能被設計人員提前認知，導致對潛在通路缺乏防范性的措施，因此潛通路對復雜電路系統的危害是巨大的、災難性的，通過對潛在通路產生的原因進行分析，主要原因歸納為以下4種：

1)設計更改導致：對原始電路設計更改造成系統中產生潛在通路；

2)設計者疏忽：大型復雜電路中，由于設計者的疏忽，設計之初沒有意識潛在通路發生條件，將潛在通路風險引入到系統中；

3)不兼容設計導致：龐大的電路系統通常由不同部分組成，每個部分的部組件不盡相同，組裝成的系統中部組件不兼容可能會誘發潛在通路的風險；

4)人為原因：許多潛在通路發生的原因，是由于人未按照規程操作，誤動作導致的誤觸發而造成的。

在航天發射領域，由于大量采用以開關、繼電器電路為特征的供配電程序、時序系統，軟硬件狀態切換頻繁，人工操作與自動操作并存，多部門協作、多學科綜合的復雜狀態，很容易出現潛在通路。所以事先分析出潛通路并采取相應措施，對提高系統的安全性與可靠性是非常必要的[2]。

CHS是國際著名設計軟件廠商Mentor Graphics公司推出的一款專業線纜設計軟件工具，主要應用于航空航天、汽車電氣系統線束設計[3-5]，其特色在于強大的數據管理和流程管理能力，企業級應用整合能力，簡單易學的用戶交互界面，大量的自動化設計功能，和高度的用戶可配置性及可擴展性。CHS軟件包含的仿真模塊Capital Analysis具備建立元組件Symbol庫功能，支持繪制電路原理接線圖，但CHS軟件本身不自帶仿真分析功能[6]。

本文提出基于線束設計系統CHS的潛在通路分析方法，依托CHS仿真平臺Capital SimProve模塊，結合具體任務需求開展潛在通路分析，能夠大幅縮短分析時間，提高潛在通路分析效率，通過計算機仿真分析技術的應用，實現對部分電路自動化進行潛在通路分析，全面識別系統中存在的潛在通路，極大提升仿真分析結果的可靠性，為復雜電路潛在通路自動分析提供了一種新的思路和方法。

1 典型電氣元件建模

電氣元件模型庫在Mentor CHS軟件中建立。CHS模型庫中自帶的電氣元件非常有限[7]，元件模型中包含的參數也比較少，在進行潛在通路分析前需對常規電子元器件和電氣組件進行建模。

對于CHS電氣元件的模型而言，最重要的兩個部分是Structure(模型結構)和Behavior(模型行為)，模型結構是由節點和負載組成，負載表征模型特性，節點與Symbol的Pin進行Attach鏈接，而模型行為即通過CHS能夠識別的Saint語言對模型結構進行說明，即可表征出模型所實現的相應功能[8]，電氣元件建模流程如圖1所示。

圖1 電氣元件建模流程

以直流電壓源模型為例，具體建模流程如下：

1)構建Symbol圖標：啟動CHS仿真軟件，點擊進入Capital Symbol，完成圖標的形狀、節點和屬性設置，圖2為直流電壓源Symbol圖。

圖2 直流電壓源Symbol圖

2)建立模型結構：直流電壓源的模型結構設置兩個外部節點分別為VP、VM，中間是理想電壓源，和電源內阻POS_SUPPLY和NEG_SUPPLY，其中NEG_SUPPLY為0。將模型結構中外部節點VP、VM與圖2中V+、V-外部節點Attach鏈接，實現實現Symbol模塊和Structure模塊的統一。

圖3 模型結構圖

3)描述模型行為：根據元件的行為模型，CHS建立功能模型有表達式和狀態機兩種方式。

表達式建模的優點是簡單、直觀，利用Saint語言表達式即可表征模型的相應電氣屬性，如開關電阻等簡單元器件即是采用這種建模方式進行建模的。

狀態機建模方式唯一與表達式有區別的是模型的Behavior部分，每個狀態代表實現電氣元件相應的靜態功能，狀態之間由觸發條件進行切換，動態元件就是通過在靜態狀態之間切換等效其動態特性，每個靜態狀態功能也是通過Saint語言實現的。狀態機建模的優點是能對復雜電氣元件進行建模，利用Saint語言表達式編寫電氣元件相應的靜態狀態，通過觸發條件進行狀態之間的切換，可以實現對動態元件的建模。

直流電壓源模型采用狀態機建模的方式，模型行為如圖4所示。

圖4 模型行為

4)建立模型參數：在直流電壓源Model特性中設置模型參數，設置的參數通過參數名稱傳遞到圖4中State Machine建模中，直流電壓源模型參數如圖5所示。

圖5 模型參數

2 Capital SimProve仿真器

CHS軟件中的SCA仿真器Capital SimProve允許用戶進行潛在通路仿真驗證，具體流程如圖6所示。

圖6 潛在通路仿真驗證流程圖

2.1 建立原理接線圖

原理接線圖是指系統的所有組成部分、工作原理和互聯關系的圖樣，選擇CHS軟件的原理/接線設計模塊(Capital Logic)，進行電路原理接線圖設計，選擇新建邏輯設計的菜單。依次輸入設計的名字，修訂編號，按照邏輯和接線關系繪制出等效的系統原理接線圖。

以飛機起落架為例，按照電路邏輯圖的關系，在CHS中畫出電路如圖7所示，接線圖描述了原理圖中的信號線轉化成獨立導線的過程，表征了電路的功能與原理。

圖7 飛機起落架邏輯圖

從CHS仿真軟件符號(Symbol)庫中選擇相應的符號添加到邏輯圖中，依次設置各電氣元件的參數屬性值，按照電路邏輯關系采用Wire連接方式對各電氣元件連線，并按圖8所示的步驟設置CHS仿真范圍，至此完成了SCA仿真的所有仿真配置步驟。

圖8 設置原理接線圖仿真范圍

2.2 建立Function功能約束

Function又稱為SCA仿真分析的功能約束文件，它是整個SimProve仿真引擎的核心部分，表征了電路原理圖中開關組合和電氣元件的功能約束關系?；贑HS軟件的潛在通路分析采用的是遍歷的原則，篩選出不符合設計預期的潛在導通通路并在電路圖中高亮顯示，篩選的原則就是此處建立的Function文件。

圖9 建立Capital SimProject

依次選擇分析→工具→Capital SimProject，如圖9所示。按照飛機起落架電路圖的電路邏輯關系，只有當緊急開關(emergency switch)閉合，或者起落架開關(gear down switch)和艙門開關(normal door switch)同時閉合，飛機艙門才會觸發打開。建立其Function函數如圖10所示。

圖10 飛機起落架電路圖Function功能約束

為了實現設計的Function中的函數與電路邏輯圖中電氣元件進行鏈接，需要對電路圖的原理接線圖進行項目設置，配置步驟如下：

圖11 電路原理接線圖項目設置

配置完項目設置后，需要繼續對原理接線圖中電氣元件Attach其Function屬性，以emergency Switch開關的屬性為例，它表征的Function屬性為emergency Switch開關閉合時艙門被觸發打開，因此屬性(Property)設置勾選閉合(closed)狀態，如圖12所示。

圖12 鏈接Function功能約束屬性

2.3 Capital SimProve仿真

依次選擇分析→仿真→Capital SimProve進入SCA仿真界面，點選Simulation即可進行SCA仿真分析。仿真運行完成后，顯示潛在通路列表。電路圖中的潛在通路在圖中高亮顯示，界面上顯示此時的開關狀態和誤觸發導通狀態，供設計人員檢查與確認。

3 仿真驗證與分析

以某型號運載火箭箭上地面配電圖為例，基于CHS仿真軟件進行潛在通路仿真驗證與分析。箭上、地面所采用的繼電器均為165廠生產的6JRXM-2，接通電壓≥16 V，線包電阻為250Ω，1C32中消反峰電阻為27Ω，箭上+E供電單機正負端之間電阻可以忽略不計。+B1→-B1電壓：28 V；+E→-B1電壓：28 V。具體表示如圖13所示。

圖13 某型號運載火箭箭上地面配電圖

圖13表示的電路功能關系為：只有當開關5E71閉合時，繼電器KF5所對應的線圈才會被觸發帶電，其它任何形式的誤觸發使得繼電器KF5線圈帶電導通均視為潛在通路。

按照電路圖的邏輯連接關系，在CHS軟件的Capital Logic仿真工具中繪制其等效的電路原理圖，如圖14所示。

圖14 某型號運載火箭箭上地面配電原理接線圖

+B1與+E分別為箭上供電電源和地面供電電源，+B1_SW與+E_SW分別為電源選擇開關，默認為閉合狀態，當電源選擇開關打開時，表示該條支路的電源線轉為供電公用線。D1～D4為理想二極管，當電流反向流通時，二極管支路反向截止。KF1～KF5、K3～K4為繼電器線圈等效電阻，5E71為火箭發射分離等效開關。按照電路圖邏輯關系，建立Function功能約束如圖15所示。

圖15 箭上地面配電圖Function功能約束

按照CHS潛在通路仿真工具Capital SimProve仿真步驟，對電氣元件功能模塊分別Attach其對應的Function功能約束，具體步驟如圖16所示。

圖16 箭上地面配電圖鏈接功能約束

設置完成仿真范圍之后，即可進行Capital SimProve仿真功能，仿真顯示按照設置的功能約束，電路中存在一條潛在導通通路，其開關組合如圖17所示。

圖17 箭上地面配電圖潛在通路開關組合

在Capital Logic仿真模塊中高亮顯示如圖18所示。

圖18 箭上地面配電圖潛在通路高亮顯示

從仿真結果可以看出，當+B1_SW開關閉合，+E_SW開關打開，即使5E71開關處于打開狀態，繼電器KF5線圈仍會觸發帶電導通，證明系統中存在一條潛在通路，驗證了Capital SimProve仿真功能的正確性。

4 結束語

針對傳統潛在通路分析狀態復雜、耗時久等特點，本文提出了基于CHS仿真平臺包含的SimProve模塊開展潛在

通路分析的方法，只需按照仿真步驟依次建立電氣元件模型、構造功能約束，即可自動進行潛在通路遍歷分析，提高分析效率，保證了分析結果的可靠性，從根源上避免潛在通路的形成，在實際工程應用中具有借鑒和實用價值。