數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在故障檢測(cè)和定位中的應(yīng)用

李紅虎 王曉楠

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 江蘇省揚(yáng)州市 225127）

隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的故障檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)的具體要求，建立在對(duì)采樣電流的基礎(chǔ)之上，或者是使用較為先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法,可以對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)做出創(chuàng)新和變革，彌補(bǔ)故障定位技術(shù)的不足。通過(guò)研究在故障定位中數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用，進(jìn)一步探討數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用潛力。

1 數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)涵以及重要性

1.1 數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)涵

數(shù)字信號(hào)處理是一種新型的技術(shù)手段，主要是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上將有價(jià)值的信息全部提取出來(lái)在某一個(gè)特定的環(huán)境中，采用一定的技術(shù)手段對(duì)信息進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，為使用者提供方便。在傳統(tǒng)的數(shù)字信息提取中，模擬提取方法較為常見，模擬技術(shù)在參數(shù)設(shè)計(jì)方面要求較為嚴(yán)格，并且參數(shù)設(shè)置完畢后是不可以隨意更改的，還有一點(diǎn)就是使用的模擬器對(duì)于運(yùn)行環(huán)境的要求也比較苛刻，如果環(huán)境比較嘈雜，那么就無(wú)法將有用信息全部分離出來(lái)，很容易造成信息的缺失，提取信息的完整性與可靠性一時(shí)無(wú)法保障[1]。那么提取的信息就會(huì)失去應(yīng)有的作用，在這樣的情況下很容易被使用者丟棄。就目前的情況來(lái)看，二值邏輯處理方法是應(yīng)用范圍比較廣的信息處理手段，二值邏輯處理和傳統(tǒng)的數(shù)字信息提取存在本質(zhì)上的差別，即使在較為嘈雜的環(huán)境中，也可以對(duì)想要提取的信息進(jìn)行準(zhǔn)確分辨，快速將其提取出來(lái)，倘若此時(shí)外界環(huán)境溫度突然升高也不會(huì)對(duì)內(nèi)部線路造成太大的影響，具有一定的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，二值邏輯處理還可以在一定程度上克服了在實(shí)際模擬階段設(shè)置參數(shù)不易更改的情況，通過(guò)這樣的手段，數(shù)字信息提取會(huì)變得更加方便和高效。針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理，在實(shí)際應(yīng)用中可以借助相關(guān)的軟件來(lái)完成調(diào)整參數(shù)的任務(wù)，這種技術(shù)的靈活性較強(qiáng)，在芯片技術(shù)快速發(fā)展的背景下，給數(shù)字信號(hào)處理指明了新的發(fā)展方向，為其推廣和普及注入了新的生命力。同時(shí)數(shù)字信息處理還具備高速處理能力，并且集成度比較理想，結(jié)構(gòu)相對(duì)優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，可以極大限度提升信息提取的響應(yīng)速度與故障的處理能力。這一點(diǎn)也是故障檢測(cè)與故障快速定位可以和數(shù)字信號(hào)處理相互融合的根本原因，數(shù)字信號(hào)處理采用了數(shù)字法，可以有效緩解各種信號(hào)干擾問(wèn)題，從而保證信息提取的質(zhì)量與效率。另外，在此基礎(chǔ)上還可以將分離信息合理整合起來(lái)，通過(guò)信息的有效整合，可以進(jìn)一步強(qiáng)化信息分析效果與識(shí)別速度。

1.2 推廣數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)實(shí)意義

在現(xiàn)階段，數(shù)字化技術(shù)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，隨著科技進(jìn)步，數(shù)字化相關(guān)技術(shù)得到了較好的發(fā)展，更新?lián)Q代較快，在這樣的背景下，數(shù)字化時(shí)代的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，特別是數(shù)字信號(hào)處理的普及和推廣，取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。由此可見，數(shù)字信號(hào)技術(shù)顯然已經(jīng)成為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的主力軍。目前，數(shù)字信號(hào)已經(jīng)逐漸滲透到了各個(gè)領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是在通訊、網(wǎng)絡(luò)，還是在機(jī)械設(shè)備等方向都發(fā)揮著重要作用，給科學(xué)技術(shù)革新帶來(lái)了新的契機(jī)。數(shù)字信號(hào)處理主要是指將生活中常見到的視頻素材以及圖片素材等轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行接收和傳輸工作，數(shù)字信號(hào)處理想要實(shí)現(xiàn)信息的傳輸功能需要借助計(jì)算機(jī)或者是處理芯片來(lái)完成，數(shù)字信號(hào)處理具有超強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)其的研發(fā)與推廣具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2 在故障檢測(cè)與故障快速定位中數(shù)字信號(hào)處理方法的具體應(yīng)用

本文研究的主要目的就是為了有效縮短市場(chǎng)投放的時(shí)間，因?yàn)楣收蠙z測(cè)和故障的快速定位對(duì)集成電路來(lái)說(shuō)是尤為重要的，只有確保檢測(cè)的準(zhǔn)確和高效，才能進(jìn)一步提高集成電路的使用性能，提高電路的穩(wěn)定性。因?yàn)楣收蠙z測(cè)顯然已經(jīng)成為主要任務(wù)之一，為了很好實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須要在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上制定出科學(xué)的測(cè)試策略。就目前的情況來(lái)看，針對(duì)測(cè)試方法的研究已經(jīng)有很多了，這些測(cè)試的手段多數(shù)都是為了盡快實(shí)現(xiàn)故障檢修而進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，換句話說(shuō)，測(cè)試的目的是為了判斷是否存在可測(cè)電路，同時(shí)還要找到故障定位失敗的原因。故障檢測(cè)的合理性是目前生產(chǎn)測(cè)試中應(yīng)該放在首位的問(wèn)題，與此同時(shí)，找到定位到故障的原因也是工作的主要內(nèi)容之一，因?yàn)檫@也是縮短市場(chǎng)投放所需要時(shí)間的重要途徑。本文提出的是一種可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)和定位故障的測(cè)試手段，該方法是建立在對(duì)采樣電流的基礎(chǔ)上，借助數(shù)字信號(hào)處理（電壓）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障的快速、準(zhǔn)確定位。

2.1 該方法理論基礎(chǔ)

（1）參考敏感傳遞路徑，確保刺激傳遞至少包括一次真正意義上的躍遷，可以是0-1，也可以是1-0。

（2）做好定期取樣工作，無(wú)論是輸出信號(hào)還是輸出電流，最好以小時(shí)作為單位，完成取樣。

（3）利用信號(hào)處理手段完成數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，需要在此基礎(chǔ)上對(duì)樣品進(jìn)行科學(xué)合理的分析。

上述方法主要是為了讓給定的路徑提高敏感度，以此來(lái)達(dá)到刺激缺陷的目的，并以此作為前提，使其停止傳遞。值得注意的是，在停止傳遞階段，會(huì)出現(xiàn)明顯的功耗缺陷，這種缺陷會(huì)使供電電流波形發(fā)生改變，對(duì)實(shí)際的電壓輸出造成影響。在實(shí)際的操作中，為了可以有效檢測(cè)出故障以及缺陷，并且進(jìn)行故障的快速定位，可以利用輸出信號(hào)中的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換有可能是存在的，也有可能是不存在的，例如：波形變化等。根據(jù)相關(guān)研究表明，該方法在過(guò)度刺激方面的潛力巨大，已經(jīng)得到了認(rèn)可（在電壓輸出檢測(cè)中）[2]。另外，即使輸出信號(hào)的采樣過(guò)度，也可以從現(xiàn)有的信號(hào)波形中進(jìn)行有效提取，從而獲得更多的信息。這種信息提取方法是借助輸出信號(hào)頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)一些信號(hào)處理效果進(jìn)行科學(xué)估計(jì)。在此次項(xiàng)目的研究中，應(yīng)用的是傅里葉轉(zhuǎn)換法，簡(jiǎn)稱 FFT。借助該方法完成頻譜的估計(jì)，可以從源頭檢測(cè)到缺陷或者是故障導(dǎo)致的明顯波形變化，這種方法具有一定的優(yōu)越性，即使僅僅是小部分頻譜，也可以通過(guò)這一小部分完成檢測(cè)，并且確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。截止到目前，該分析法和其他方法相比，在信息提取方面更加簡(jiǎn)單和高效。

2.2 檢測(cè)

檢測(cè)需要包括文中的全部結(jié)果，并且FFTs 也要涵蓋在內(nèi)，并借助HSPICE 仿真模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)繼電器觸點(diǎn)產(chǎn)生的寄生電容，完成模型的搭建。

2.3 橋接

橋連是一種形成的導(dǎo)電通路（主要和焊盤接觸）。在進(jìn)行組裝時(shí)，在不同工藝階段都會(huì)出現(xiàn)連接問(wèn)題，因而產(chǎn)生橋連現(xiàn)象。在信號(hào)和GND 之間極易引發(fā)橋接，當(dāng)出現(xiàn)固定0 故障時(shí)，通常情況下，需要將電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成電流電壓。事實(shí)上，出現(xiàn)在信號(hào)和接地端中間的橋接，會(huì)檢測(cè)到大量的值,這些值通常不會(huì)導(dǎo)致0 故障，基于此，完成故障檢測(cè)是存在一定困難的。另外，出現(xiàn)在信號(hào)和VDD（數(shù)字電源）之間的橋接,參照電流分量振幅的最終結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)和上一組的橋接數(shù)據(jù)相似。和其他模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以從中看出非VDD 或者是GND 信號(hào)之間存在電阻橋接點(diǎn)，并且可以在一定范圍內(nèi)檢測(cè)到。例如：接點(diǎn)15-19 或者是接點(diǎn)10-14。只要滿足邏輯值接點(diǎn)長(zhǎng)度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且是兩個(gè)相反的邏輯值就可以完成檢測(cè)。不僅電流消耗可以被清晰檢測(cè)到，采用這種橋接還不會(huì)產(chǎn)生較弱的邏輯值。

2.4 定位和診斷

定位和診斷是數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中,需要對(duì)如何定位電位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，從而找到具體的優(yōu)化方案，在此基礎(chǔ)上將其故障原因診斷出來(lái)[3]。在實(shí)際操作中，設(shè)計(jì)定位程序可以從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

（1）通過(guò)激發(fā)寄生接觸轉(zhuǎn)換會(huì)直接影響電流的諧波振幅，使第一諧波振幅產(chǎn)生波動(dòng)。

（2）激發(fā)寄生接觸非轉(zhuǎn)換只會(huì)單純導(dǎo)致DC 消耗，并不會(huì)產(chǎn)生其他影響，對(duì)第一諧波振幅是不會(huì)造成威脅的。

（3）對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響的只有改變第一諧波振幅，綜上可以看出，第一諧波振幅是關(guān)鍵因素。

通過(guò)逐步探索網(wǎng)絡(luò)組合模式（從輸入再到輸出）可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)換傳遞過(guò)程中每額外增加1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，都有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位。通過(guò)對(duì)電流變化情況的觀察，掌握諧波振幅變化的趨勢(shì)，從而達(dá)到定位節(jié)點(diǎn)的目的?；谶@樣的前提，任何一個(gè)定位程序想要實(shí)現(xiàn)快速定位的功能，都必須要從輸入節(jié)點(diǎn)入手，開始轉(zhuǎn)換，并且每一步轉(zhuǎn)換都要按照指定的傳遞步驟,確保轉(zhuǎn)換的流程符合相關(guān)要求，保證轉(zhuǎn)換的正確率?？梢酝ㄟ^(guò)FFT 算法完成檢測(cè)，觀察諧波振幅是否存在明顯變化。當(dāng)傳遞途中遇到缺陷節(jié)點(diǎn)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的變化，為了確保傳遞的效果，可以在每個(gè)電路中只完成一次傳遞轉(zhuǎn)換。

總而言之，本文采用的故障檢測(cè)方法是通過(guò)傳播過(guò)渡刺激來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)電流（電源）以及電壓（輸出）的采樣，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行頻譜估計(jì)，得出的結(jié)果可以表明轉(zhuǎn)換刺激方法在電流測(cè)試領(lǐng)域中具有一定的可行性。寄生電容觸電能被精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)到，即使在很大范圍內(nèi)也不會(huì)影響檢測(cè)的實(shí)際效果。另外，這些觸點(diǎn)不會(huì)導(dǎo)致壞的邏輯行為產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)供應(yīng)電流頻譜的有效分析，允許檢測(cè)開路和傳播延遲的情況發(fā)生。從而提出一種較為明確的電阻接觸點(diǎn)方法，這種方法主要是建立在第一諧波振幅可以被檢測(cè)到的基礎(chǔ)上，基于此，可以參照變化的性質(zhì)，對(duì)故障原因進(jìn)行科學(xué)診斷。

3 展望

隨著數(shù)字信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中滲透的加深，其應(yīng)用前景將會(huì)廣闊，在故障定位中的優(yōu)勢(shì)也會(huì)更加突顯。就目前的情況來(lái)看，數(shù)字信號(hào)處理還不夠成熟，與西方國(guó)家相比存在較大的上升空間，另外相關(guān)技術(shù)人員在這方面的研究還不夠深入，在故障檢測(cè)領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)處理還有很多優(yōu)勢(shì)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷革新，數(shù)字信號(hào)處理在未來(lái)將向著尺寸更小，并且功耗更低的方向發(fā)展，在此基礎(chǔ)上還要確保超強(qiáng)的運(yùn)算速度，以滿足不同領(lǐng)域的功能需求。相關(guān)研究人員需要在現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理理論的基礎(chǔ)上持續(xù)提升技術(shù)開發(fā)水平，找到數(shù)字信號(hào)處理在應(yīng)用中存在的缺陷，不斷優(yōu)化信號(hào)處理技術(shù)，使其適用性變得更強(qiáng)，針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題找到原因，并進(jìn)行科學(xué)分析最終得出解決方案。在未來(lái)數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展歷程中，還需要攻克許多的難關(guān)，經(jīng)過(guò)不懈的努力數(shù)字信號(hào)處理勢(shì)必會(huì)成為數(shù)據(jù)信息處理的主流方式。除此之外，SFMD 技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理中也將會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并且應(yīng)用范圍更廣，隨著數(shù)字信號(hào)處理的日漸改善，代碼兼容性將會(huì)變得十分重要，在數(shù)字信號(hào)處理中發(fā)揮重要的作用。根據(jù)目前數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用現(xiàn)狀可以知道，數(shù)字信號(hào)處理不僅被廣泛應(yīng)用在故障檢測(cè)與快速定位中，在其他領(lǐng)域，像機(jī)器人控制、生物醫(yī)藥、電力系統(tǒng)以及噪聲檢測(cè)等領(lǐng)域中都扮演著重要角色。

4 結(jié)論

綜上所述，本項(xiàng)研究主要包括以下幾個(gè)部分的內(nèi)容：

（1）對(duì)測(cè)試方法的理論基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

（2）對(duì)該技術(shù)的檢測(cè)能力進(jìn)行闡述。

（3）對(duì)診斷和定位故障的潛力深入探索。

（4）對(duì)該技術(shù)的可行性完成論證。

通過(guò)一系列論證可以發(fā)現(xiàn)，將數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用到故障檢測(cè)和快速定位中具有一定的可行性，其應(yīng)用空間巨大，值得大范圍推廣。