郭棟梁，劉新妹，殷俊齡，陳　云

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

通用電路板自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭棟梁，劉新妹，殷俊齡，陳云

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

針對(duì)傳統(tǒng)電路板測(cè)試的局限性與單一性以及日趨靈活的電路板測(cè)試需求，基于矩陣開(kāi)關(guān)技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種通用電路板自動(dòng)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(shí)現(xiàn)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)通用電路板的直流電平測(cè)試、靜態(tài)參數(shù)測(cè)試以及動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試等，完成測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析、保存以及故障定位。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地完成通用電路板的測(cè)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(yàn)，測(cè)試結(jié)果顯示：該系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的最大誤差為±0.3%，同時(shí)具有性?xún)r(jià)比高、通用性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以大大提高測(cè)試效率。

自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；矩陣開(kāi)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(duì)電路功能要求的提升，對(duì)電路板的自動(dòng)故障檢測(cè)提出了更高的要求。雖然現(xiàn)在的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)取得一定的進(jìn)展，但是從國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用方面仍然存在不小的問(wèn)題，進(jìn)而阻礙了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展［1］。首先，國(guó)內(nèi)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)是種類(lèi)多、性能雜、專(zhuān)用性強(qiáng)，缺乏一定的通用性。為此，測(cè)試人員需要不斷學(xué)習(xí)各種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，才能進(jìn)行完整、正確的測(cè)試工作。所以，國(guó)內(nèi)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)缺乏通用性，增加測(cè)試人員的學(xué)習(xí)和工作量，不利于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展［2］。近年來(lái)，美國(guó)軍方研制出的可重用公共測(cè)試資源的通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并逐步形成陸軍的IFTE、海軍的CASS、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的TETS和電子戰(zhàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)JSECST等4大標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)［3］。美國(guó)NI公司經(jīng)過(guò)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(dòng)化的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。但這些自動(dòng)測(cè)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(diǎn)。因此本文提出了一種基于PCI總線的通用電路板自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭建成本低、搭建速度快，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)通用電路板的高速自動(dòng)故障診斷。

1　硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通用電路板自動(dòng)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(kāi)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(dòng)故障診斷系統(tǒng)硬件框圖

工控機(jī)通過(guò)PCI總線與高速數(shù)據(jù)采集卡、矩陣開(kāi)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(jì)了移動(dòng)針+固定針床的電路板硬件接口，設(shè)計(jì)并采用以FPGA為主控芯片的矩陣開(kāi)關(guān)高速切換測(cè)試通道，并且通過(guò)自主設(shè)計(jì)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(chǔ)，最后上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理以及故障定位，從而實(shí)現(xiàn)了通用電路板的高速自動(dòng)故障診斷。

1.1數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

為了完成對(duì)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(dòng)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(cè)信號(hào)主要有3類(lèi)：電源信號(hào)、脈沖數(shù)字信號(hào)、電平變換信號(hào)。此外還有一些頻率較高的模擬信號(hào)，如音視頻信號(hào)，此類(lèi)信號(hào)一般不作為關(guān)鍵測(cè)試信號(hào)，若需測(cè)試時(shí)可按高頻信號(hào)進(jìn)行采集。其中電源信號(hào)和電平變換信號(hào)均可視為直流信號(hào)來(lái)采集［4］。

為了采集上述信號(hào)，該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)采用了性?xún)r(jià)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(chǔ)芯片IDT7205及PCI通信芯片PCI9054為外圍芯片來(lái)完成模擬信號(hào)的采集。這樣，它就可以在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)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(kāi)始工作時(shí)，首先對(duì)FPGA初始化，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯對(duì)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(guò)其內(nèi)部FIFO緩沖后，再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，工控機(jī)通過(guò)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(guò)FPGA邏輯控制模塊將SDRAM中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀入到PCI_FIFO中緩存；將PCI_FIFO中的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI9054傳送到計(jì)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(jì)中為了降低采集信號(hào)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(lái)增加IO驅(qū)動(dòng)能力，添加了采樣時(shí)間控制模塊，實(shí)現(xiàn)包括1M、2M、4M、8M、16M、32M的采樣深度，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的單次采樣和連續(xù)采樣而不失真。

1.2矩陣開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)

矩陣開(kāi)關(guān)電路是整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)信息交換的中樞，它可通過(guò)控制開(kāi)關(guān)系統(tǒng)將電源、信號(hào)源等激勵(lì)信號(hào)自動(dòng)切換到被測(cè)對(duì)象的任意輸入端口，同時(shí)將被測(cè)對(duì)象輸出端口的信號(hào)自動(dòng)切換到相應(yīng)的測(cè)試儀器、儀表，并且輸入、輸出回波損耗較少，具有極低的信號(hào)穿透、串?dāng)_的特點(diǎn)［9-11］。

矩陣開(kāi)關(guān)電路的響應(yīng)時(shí)間直接關(guān)系到自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的工作效率。而繼電器又是矩陣開(kāi)關(guān)電路中的核心機(jī)械動(dòng)作部件，因此在選取繼電器時(shí)，綜合考慮了承載電壓、切換時(shí)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(hào)繼電器。TX2-5V是一款性能優(yōu)秀的信號(hào)繼電器，它的觸點(diǎn)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(zhǎng)達(dá)109回，大大方便了矩陣開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)。

在一般矩陣開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)中，由于需要對(duì)繼電器進(jìn)行輸出控制的同時(shí)，還需要對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這增加了電路的復(fù)雜程度。在該矩陣開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)繼電器的直接驅(qū)動(dòng)。

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

圖3　矩陣開(kāi)關(guān)硬件框圖

圖中工控機(jī)通過(guò)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(kāi)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(hào)只有在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下才會(huì)改變輸出信號(hào)，在每次時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)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(dòng)信號(hào)繼電器，執(zhí)行通、斷動(dòng)作。

1.3電路板接口模塊的設(shè)計(jì)

在過(guò)去傳統(tǒng)的電路板檢測(cè)中，往往只用到兩個(gè)手持探針進(jìn)行肉眼觀察來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)。隨著電子技術(shù)，自動(dòng)化等技術(shù)的飛速提高，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)逐漸具有了模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，并且能夠快速完成測(cè)試數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確度傳輸［12］，在這些自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中為了達(dá)到自動(dòng)測(cè)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(guò)各種不同的改進(jìn)，仍不能在通用電路板的檢測(cè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)較大的測(cè)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(jì)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(gè)模塊：1）前端信號(hào)調(diào)理模塊；2）可移動(dòng)探針模塊；3）含有30個(gè)固定探針的針床模塊。每個(gè)探針的末端均與矩陣開(kāi)關(guān)相連，通過(guò)上位機(jī)自動(dòng)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(shí)，可由可移動(dòng)探針進(jìn)行測(cè)試，大大提高了自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)測(cè)試覆蓋率、通用性以及可擴(kuò)展性。

2　軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的核心，用戶(hù)登錄、板卡初始化參數(shù)配置、測(cè)試文件的讀取、測(cè)量類(lèi)型自動(dòng)選擇、矩陣開(kāi)關(guān)通道的自動(dòng)選擇、激勵(lì)類(lèi)型自動(dòng)選擇、報(bào)表生成均在軟件控制下完成。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是采用NI公司的LabVIEW2014作為測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

軟件運(yùn)行時(shí)首先是用戶(hù)登錄系統(tǒng)并進(jìn)入測(cè)試平臺(tái)，上位機(jī)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后軟件讀取測(cè)量文件，通過(guò)測(cè)量文件的讀出值自動(dòng)判斷待測(cè)原件（信號(hào)）類(lèi)型，并自動(dòng)選擇激勵(lì)類(lèi)型，矩陣開(kāi)關(guān)通道號(hào)，然后執(zhí)行測(cè)試流程。如果測(cè)試結(jié)果不正常，則定位故障。最后生成測(cè)試報(bào)表并結(jié)束測(cè)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(cè)試系統(tǒng)維護(hù)更加簡(jiǎn)單、升級(jí)更加方便，設(shè)計(jì)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(jì)的方式［13］，將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為6個(gè)功能模塊，分別是初始化模塊、測(cè)試文件讀寫(xiě)模塊、測(cè)量類(lèi)型自動(dòng)選擇模塊、激勵(lì)類(lèi)型自動(dòng)選擇模塊、矩陣開(kāi)關(guān)通道選擇模塊和用戶(hù)管理模塊。這樣的模塊化設(shè)計(jì)既方便升級(jí)維護(hù)，又能最大限度的保證采集信號(hào)的實(shí)時(shí)性。測(cè)試軟件模塊組成如圖6所示。

進(jìn)入測(cè)試平臺(tái)后，有兩個(gè)測(cè)試模式可供選擇：高速測(cè)試模式和深度測(cè)試模式。在第1次測(cè)試開(kāi)始時(shí)選擇高速測(cè)試模式，系統(tǒng)會(huì)在讀取測(cè)試文件后對(duì)待測(cè)原件（信號(hào)）進(jìn)行測(cè)試。由于采用了高速采集芯片MAX100，采樣速度很快，在此測(cè)試模式下，系統(tǒng)會(huì)快速分別對(duì)各個(gè)被測(cè)原件（信號(hào)）采集50次并取均值，完成初次測(cè)量并生成測(cè)試報(bào)表。如果對(duì)生成報(bào)告有疑問(wèn)，可選擇深度測(cè)試模式。在這個(gè)模式下，系統(tǒng)會(huì)讀取之前生成的測(cè)試報(bào)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(shí)時(shí)性，及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的其他操作［14］。系統(tǒng)測(cè)試界面如圖7所示。

圖6　測(cè)試軟件模塊組成

圖7　系統(tǒng)測(cè)試界面

3　測(cè)試結(jié)果及性能分析

為了驗(yàn)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(cè)試方法、該系統(tǒng)的高速測(cè)試方法以及深度測(cè)試方法來(lái)測(cè)量某電阻兩端電壓值［15］。其中，高速測(cè)試和深度測(cè)試所得結(jié)果如圖8所示。

在傳統(tǒng)測(cè)試方法中采用數(shù)字萬(wàn)用表直接測(cè)量被測(cè)電阻兩端電壓U實(shí)；高速測(cè)試方法是連續(xù)50次取被測(cè)電阻兩端電壓，最后求均值U1；深度測(cè)試方法則是連續(xù)500次取被測(cè)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(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。其中，Δ1=U實(shí)-U1，Δ2=U實(shí)-U2，測(cè)量誤差

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)中，高速測(cè)試模式和深度測(cè)試模式的測(cè)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(cè)試/深度測(cè)試結(jié)果

表1　測(cè)量值與實(shí)際值比較

4　結(jié)束語(yǔ)

本文基于矩陣開(kāi)關(guān)技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通用電路板自動(dòng)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(shí)現(xiàn)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了通用電路板的直流電平測(cè)試、靜態(tài)參數(shù)測(cè)試以及動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試等，完成了測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析與保存以及故障定位。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)對(duì)通用電路板的測(cè)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)?；旌想娐钒澹_(dá)到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，并且具有較高的穩(wěn)定性，大大提高了測(cè)試覆蓋率及測(cè)試效率。

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（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(zhuān)業(yè)方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)。