通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭棟梁，劉新妹，殷俊齡，陳　云

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭棟梁，劉新妹，殷俊齡，陳云

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

針對傳統(tǒng)電路板測試的局限性與單一性以及日趨靈活的電路板測試需求，基于矩陣開關(guān)技術(shù)、自動測試技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)一種通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PCI總線技術(shù)所構(gòu)建的通用硬件框架以及利用LabVIEW實現(xiàn)的上位機(jī)軟件，實現(xiàn)通用電路板的直流電平測試、靜態(tài)參數(shù)測試以及動態(tài)參數(shù)測試等，完成測量結(jié)果的對比分析、保存以及故障定位。實驗證明：該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地完成通用電路板的測試任務(wù)。系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行7次獨(dú)立重復(fù)試驗，測試結(jié)果顯示：該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的最大誤差為±0.3%，同時具有性價比高、通用性好、可靠性高等優(yōu)點，并且可以大大提高測試效率。

自動故障診斷系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；矩陣開關(guān)；通用電路板接口；LabVIEW

0　引　言

隨著電路板制作工藝的發(fā)展以及對電路功能要求的提升，對電路板的自動故障檢測提出了更高的要求。雖然現(xiàn)在的自動測試系統(tǒng)取得一定的進(jìn)展，但是從國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，自動測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用方面仍然存在不小的問題，進(jìn)而阻礙了自動測試系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展［1］。首先，國內(nèi)的自動測試系統(tǒng)特點是種類多、性能雜、專用性強(qiáng)，缺乏一定的通用性。為此，測試人員需要不斷學(xué)習(xí)各種自動測試系統(tǒng)，才能進(jìn)行完整、正確的測試工作。所以，國內(nèi)自動測試系統(tǒng)缺乏通用性，增加測試人員的學(xué)習(xí)和工作量，不利于自動測試系統(tǒng)的發(fā)展［2］。近年來，美國軍方研制出的可重用公共測試資源的通用自動測試系統(tǒng)，并逐步形成陸軍的IFTE、海軍的CASS、海軍陸戰(zhàn)隊的TETS和電子戰(zhàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)JSECST等4大標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)［3］。美國NI公司經(jīng)過多年的發(fā)展，也逐步形成了規(guī)模，提供高可靠性和高度自動化的自動測試平臺。但這些自動測試系統(tǒng)都存在著壽命周期內(nèi)使用、維護(hù)費(fèi)用較高，應(yīng)用范圍有限、適應(yīng)能力不足等缺點。因此本文提出了一種基于PCI總線的通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭建成本低、搭建速度快，設(shè)計了適用于大部分電路板的電路板接口模塊，具有多樣化可擴(kuò)展性和可復(fù)用性，實現(xiàn)了對通用電路板的高速自動故障診斷。

1　硬件系統(tǒng)的設(shè)計

通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)的硬件主要由工控機(jī)、以FPGA為主控芯片的高速數(shù)據(jù)采集卡、以FPGA為主控芯片的高速矩陣開關(guān)以及電路板硬件接口模塊組成。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1　通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)硬件框圖

工控機(jī)通過PCI總線與高速數(shù)據(jù)采集卡、矩陣開關(guān)卡相連，向板卡發(fā)送命令以及接收數(shù)據(jù)并處理。本系統(tǒng)的電路板接口模塊中，設(shè)計了移動針+固定針床的電路板硬件接口，設(shè)計并采用以FPGA為主控芯片的矩陣開關(guān)高速切換測試通道，并且通過自主設(shè)計的以FPGA為主控芯片的高速數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集、存儲，最后上位機(jī)軟件完成對數(shù)據(jù)的分析、處理以及故障定位，從而實現(xiàn)了通用電路板的高速自動故障診斷。

1.1數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計

為了完成對通用電路板的全面故障診斷，直流電平參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)以及動態(tài)參數(shù)就成為了判斷電路板上元器件好壞的必要參考值。這些待測信號主要有3類：電源信號、脈沖數(shù)字信號、電平變換信號。此外還有一些頻率較高的模擬信號，如音視頻信號，此類信號一般不作為關(guān)鍵測試信號，若需測試時可按高頻信號進(jìn)行采集。其中電源信號和電平變換信號均可視為直流信號來采集［4］。

為了采集上述信號，該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計采用了性價比較高的中規(guī)模 FPGA：Cyclone EP1C3T144C8N為主控芯片，高速AD采集芯片MAX100、電平轉(zhuǎn)換芯片74HC245、數(shù)據(jù)存儲芯片IDT7205及PCI通信芯片PCI9054為外圍芯片來完成模擬信號的采集。這樣，它就可以在數(shù)據(jù)采集的同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，大大加快了信息的處理速率［5-6］。數(shù)據(jù)采集卡硬件框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集卡硬件框圖

數(shù)據(jù)采集卡開始工作時，首先對FPGA初始化，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯對SDRAM賦初值，然后將從高速AD芯片MAX100采樣的數(shù)據(jù)輸入到FPGA當(dāng)中，經(jīng)過其內(nèi)部FIFO緩沖后，再將數(shù)據(jù)存儲到SDRAM中。數(shù)據(jù)傳輸過程中，工控機(jī)通過橋接芯片PCI9054向FPGA發(fā)出控制命令，F(xiàn)PGA邏輯控制模塊響應(yīng)PC端發(fā)出的命令，通過FPGA邏輯控制模塊將SDRAM中的數(shù)據(jù)存儲讀入到PCI_FIFO中緩存；將PCI_FIFO中的數(shù)據(jù)通過PCI9054傳送到計算機(jī)中［7-8］。在FIFO中的數(shù)據(jù)讀取完之后，F(xiàn)PGA再次發(fā)出讀取命令，直至將SDRAM中的數(shù)據(jù)全部讀取到上位機(jī)。

該設(shè)計中為了降低采集信號的誤碼率，得到平滑的原始采集波形，添加了電平轉(zhuǎn)換芯片74HC245來增加IO驅(qū)動能力，添加了采樣時間控制模塊，實現(xiàn)包括1M、2M、4M、8M、16M、32M的采樣深度，從而實現(xiàn)了信號的單次采樣和連續(xù)采樣而不失真。

1.2矩陣開關(guān)電路的設(shè)計

矩陣開關(guān)電路是整個自動測試系統(tǒng)信息交換的中樞，它可通過控制開關(guān)系統(tǒng)將電源、信號源等激勵信號自動切換到被測對象的任意輸入端口，同時將被測對象輸出端口的信號自動切換到相應(yīng)的測試儀器、儀表，并且輸入、輸出回波損耗較少，具有極低的信號穿透、串?dāng)_的特點［9-11］。

矩陣開關(guān)電路的響應(yīng)時間直接關(guān)系到自動故障診斷系統(tǒng)的工作效率。而繼電器又是矩陣開關(guān)電路中的核心機(jī)械動作部件，因此在選取繼電器時，綜合考慮了承載電壓、切換時間、機(jī)械壽命和通用性等性能之后，最終選取松下公司的TX2-5 V信號繼電器。TX2-5V是一款性能優(yōu)秀的信號繼電器，它的觸點負(fù)載為2A30 V，線路阻抗僅為50 mΩ，額定電壓為5V，機(jī)械壽命長達(dá)109回，大大方便了矩陣開關(guān)的電路設(shè)計。

在一般矩陣開關(guān)的電路設(shè)計中，由于需要對繼電器進(jìn)行輸出控制的同時，還需要對繼電器進(jìn)行驅(qū)動，這增加了電路的復(fù)雜程度。在該矩陣開關(guān)的電路設(shè)計中選用了功率邏輯器件——TPIC6B595。該器件為一種功率輸出并且具有地址鎖存和輸出控制功能的移位寄存器，與一般移位寄存器不同的是，它的負(fù)載電壓為50V，在漏極與源極間設(shè)置了續(xù)流二極管，因此可實現(xiàn)對信號繼電器的直接驅(qū)動。

矩陣開關(guān)電路的主控芯片采用高性價比的中規(guī)模FPGA：Cyclone EP1C3T144C8N。該芯片共144個引腳，最大可用I/O引腳為104個。FPGA的主要功能是完成矩陣開關(guān)電路的接口初始化設(shè)定、實現(xiàn)地址譯碼和鎖存。矩陣開關(guān)電路硬件框圖如圖3所示。

圖3　矩陣開關(guān)硬件框圖

圖中工控機(jī)通過橋接芯片PCI9054與FPGA進(jìn)行通信，F(xiàn)PGA芯片上電后首先完成接口初始化設(shè)定，打開所有繼電器。然后主程序進(jìn)入等待狀態(tài)，按照上位機(jī)的指令進(jìn)行工作。FPGA的I/O端口所接收的信號只有在時鐘信號的驅(qū)動下才會改變輸出信號，在每次時鐘信號的上升沿到來時改變I/O狀態(tài)，I/O端口輸出的高低電平經(jīng)TPIC6B595譯碼、鎖存后，驅(qū)動信號繼電器，執(zhí)行通、斷動作。

1.3電路板接口模塊的設(shè)計

在過去傳統(tǒng)的電路板檢測中，往往只用到兩個手持探針進(jìn)行肉眼觀察來進(jìn)行故障檢測。隨著電子技術(shù)，自動化等技術(shù)的飛速提高，自動測試系統(tǒng)逐漸具有了模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點，并且能夠快速完成測試數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確度傳輸［12］，在這些自動測試系統(tǒng)中為了達(dá)到自動測試并盡可能減少人工干預(yù)的目的，往往使用針床夾具，然而針床夾具由于其不通用的限制性，盡管經(jīng)過各種不同的改進(jìn)，仍不能在通用電路板的檢測過程中實現(xiàn)較大的測試覆蓋率，因此，為了提高系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性，在該系統(tǒng)中設(shè)計了通用電路板接口模塊，其示意圖如圖4所示。

圖4　通用電路板接口模塊示意圖

該通用電路板接口系統(tǒng)中，有3個模塊：1）前端信號調(diào)理模塊；2）可移動探針模塊；3）含有30個固定探針的針床模塊。每個探針的末端均與矩陣開關(guān)相連，通過上位機(jī)自動控制通道的選通。與傳統(tǒng)針床模塊不同的是：當(dāng)有一些原件信息固定針床提取不到時，可由可移動探針進(jìn)行測試，大大提高了自動故障診斷系統(tǒng)測試覆蓋率、通用性以及可擴(kuò)展性。

2　軟件系統(tǒng)的設(shè)計

軟件系統(tǒng)是自動故障診斷系統(tǒng)的核心，用戶登錄、板卡初始化參數(shù)配置、測試文件的讀取、測量類型自動選擇、矩陣開關(guān)通道的自動選擇、激勵類型自動選擇、報表生成均在軟件控制下完成。上位機(jī)軟件設(shè)計是采用NI公司的LabVIEW2014作為測試軟件開發(fā)平臺。

軟件運(yùn)行時首先是用戶登錄系統(tǒng)并進(jìn)入測試平臺，上位機(jī)會自動對板卡參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后軟件讀取測量文件，通過測量文件的讀出值自動判斷待測原件（信號）類型，并自動選擇激勵類型，矩陣開關(guān)通道號，然后執(zhí)行測試流程。如果測試結(jié)果不正常，則定位故障。最后生成測試報表并結(jié)束測試。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件流程

為了使軟件測試系統(tǒng)維護(hù)更加簡單、升級更加方便，設(shè)計出的軟件就必須具有良好的可擴(kuò)展性和通用性。為此，根據(jù)功能需求，采用了模塊化設(shè)計的方式［13］，將整個軟件系統(tǒng)分為6個功能模塊，分別是初始化模塊、測試文件讀寫模塊、測量類型自動選擇模塊、激勵類型自動選擇模塊、矩陣開關(guān)通道選擇模塊和用戶管理模塊。這樣的模塊化設(shè)計既方便升級維護(hù)，又能最大限度的保證采集信號的實時性。測試軟件模塊組成如圖6所示。

進(jìn)入測試平臺后，有兩個測試模式可供選擇：高速測試模式和深度測試模式。在第1次測試開始時選擇高速測試模式，系統(tǒng)會在讀取測試文件后對待測原件（信號）進(jìn)行測試。由于采用了高速采集芯片MAX100，采樣速度很快，在此測試模式下，系統(tǒng)會快速分別對各個被測原件（信號）采集50次并取均值，完成初次測量并生成測試報表。如果對生成報告有疑問，可選擇深度測試模式。在這個模式下，系統(tǒng)會讀取之前生成的測試報表，并執(zhí)行多次數(shù)據(jù)采集模塊，確定原件是否有故障。這樣就能最大限度保證數(shù)據(jù)采集的實時性，及時響應(yīng)用戶的其他操作［14］。系統(tǒng)測試界面如圖7所示。

圖6　測試軟件模塊組成

圖7　系統(tǒng)測試界面

3　測試結(jié)果及性能分析

為了驗證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性等整體性能，分別采用了傳統(tǒng)電路板測試方法、該系統(tǒng)的高速測試方法以及深度測試方法來測量某電阻兩端電壓值［15］。其中，高速測試和深度測試所得結(jié)果如圖8所示。

在傳統(tǒng)測試方法中采用數(shù)字萬用表直接測量被測電阻兩端電壓U實；高速測試方法是連續(xù)50次取被測電阻兩端電壓，最后求均值U1；深度測試方法則是連續(xù)500次取被測電阻兩端電壓，最后求均值U2。如此反復(fù)進(jìn)行7次重復(fù)性獨(dú)立實驗，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。其中，Δ1=U實-U1，Δ2=U實-U2，測量誤差

實驗數(shù)據(jù)表明，該自動故障診斷系統(tǒng)中，高速測試模式和深度測試模式的測量誤差均小于0.3%，證明該系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)確性、可靠性以及穩(wěn)定性。

圖8　高速測試/深度測試結(jié)果

表1　測量值與實際值比較

4　結(jié)束語

本文基于矩陣開關(guān)技術(shù)、自動測試技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種通用電路板自動故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PCI總線技術(shù)所構(gòu)建的通用硬件框架以及利用LabVIEW實現(xiàn)的上位機(jī)軟件，實現(xiàn)了通用電路板的直流電平測試、靜態(tài)參數(shù)測試以及動態(tài)參數(shù)測試等，完成了測量結(jié)果的對比分析與保存以及故障定位。實驗證明，該系統(tǒng)對通用電路板的測試覆蓋率較高，很好的覆蓋了模擬電路板，數(shù)字電路板以及數(shù)?；旌想娐钒?，達(dá)到較高的測量準(zhǔn)確度，并且具有較高的穩(wěn)定性，大大提高了測試覆蓋率及測試效率。

［1］賈娜，王紅萍，戴軍.自動測試系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景［J］.科技與企業(yè)，2015（9）：85.

［2］王和明，王菊.淺談自動測試系統(tǒng)的發(fā)展與不足［J］.飛航導(dǎo)彈，2014，6（1）：59-61.

［3］屈建兵.軍用自動測試系統(tǒng)的發(fā)展綜述［J］.直升機(jī)技術(shù)，2014（1）：59-64.

［4］賈國龍，陳思平，趙文龍.一種通用的電路板自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009（5）：150-153.

［5］ZHENG W，LIU R，ZHANG M，et al.Design of fpga based high-speed data acquisition and real-time data processingsystemonJ-texttokamak［J］.Fusion Engineering and Design，2014，66（23）：586-589.

［6］PATEL J J，REDDY N，KUMARI P et al.Embedded Linux Platform for Data Acquisition Systems［J］.Fusion Engineering and Design，2014，89（5）：684-688.

［7］常高嘉，馮全源.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2012（5）：615-618.

［8］于雪蓮.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［D］.保定：河北大學(xué)，2014.

［9］姜偉，劉新妹，殷俊齡，等.用于自動測試系統(tǒng)繼電器矩陣開關(guān)的設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2012（12）：3368-3369.

［10］HUMBLA S，KALEEM S，MULLER J，et al.On-orbit Verificationofa4×4SwitchMatrixforSpace Applications Based on the Low Temperature Co-fired Ceramics Technology［J］.Frequenz，2012，66（11）：355-362.

［11］HASHEMI S，AZGHADI M R，ZAKEROLHOSSEINI A，etal.ANovelFpga-programmableSwitchMatrix InterconnectionElementinQuantum-dotCellular Automata［J］.InternationalJournalofElectronics，2015，102（4）：703-724.

［12］劉偉.印刷電路板的智能檢測系統(tǒng)研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

［13］郭甲陣，謝華，蘭京川.基于虛擬儀器的雷達(dá)電路板自動測試系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（2）：26-28.

［14］王琪.基于Virtools技術(shù)的自動變速器虛擬仿真故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)［D］.長春：吉林大學(xué)，2013.

［15］葉小杰.PCI數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計及測試方法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

（編輯：徐柳）

Design and implementation of common circuit board automatic fault diagnosis system

GUO Dongliang，LIU Xinmei，YIN Junling，CHEN Yun
（National Key Laboratory for Electronic Measurment Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

This is an automatic fault diagnosis system for common circuit board based on matrix switch，automatic test and virtual instrument technologies，designed according to the limitations and unity of traditional circuit board test and an increasingly flexible test tendency.The system realizes DC level test，static and dynamic parameter tests of common circuit board，and performs comparative analysis and preservation of measurement results and fault location by the help of common hardware testing framework built by PCI bus technology and upper computer software achieved by LabVIEW.Experiment results have proven that the system is able to perform common circuit board test fast and accurately.There were seven independent repeated trials after the system was established.Results show that the maximum error of test data is±0.3%.Together with advantages such as high cost performance，universality and reliability，the test efficiency is greatly raised.

automatic fault diagnosis system；data acquisition；matrix switch；common interface of circuit board；LabVIEW

A

1674-5124（2016）07-0112-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.023

2015-11-17；

2015-12-28

郭棟梁（1987-），男，江蘇徐州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為測控技術(shù)。