基于VXI儀器的電路板故障診斷系統(tǒng)分析

某機(jī)電控制系統(tǒng)采用了集中分布式計(jì)算機(jī)，其功能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，但配置龐大、復(fù)雜，所包含的幾百塊印刷電路板是易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)，維修測(cè)試技術(shù)要求高。為了縮短排除電路板故障的時(shí)間，提高維修質(zhì)量，我們研制了基于VXI總線儀器的電路板故障診斷系統(tǒng)，對(duì)上述電路板進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷，且將故障定位到元器件級(jí)。

1. 故障診斷系統(tǒng)的硬件

　　VXI(VME bus extension for instrumentation)總線是當(dāng)前性能最先進(jìn)的測(cè)控系統(tǒng)機(jī)箱底板總線之一，具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、模塊可重復(fù)使用、眾多儀器廠家支持等優(yōu)點(diǎn)。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)及其產(chǎn)品的問(wèn)世，在國(guó)內(nèi)外自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)新的革命，對(duì)國(guó)際自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。成為當(dāng)今測(cè)量與控制技術(shù)的發(fā)展方向口電路板故障診斷系統(tǒng)以系統(tǒng)控制器、VXI總線主機(jī)箱及其測(cè)試儀器模塊為核心，輔以部分IEEE488程控儀器，而待測(cè)電路板通過(guò)轉(zhuǎn)接器和適配器與系統(tǒng)連接。系統(tǒng)硬件組成方框圖見(jiàn)圖1。

　　(1)系統(tǒng)控制器。選擇外掛式主控計(jì)算機(jī)，它內(nèi)配GPIB通信接口卡，通過(guò)GPIB-VXI翻譯器與VXI總線主機(jī)箱相連。內(nèi)嵌式計(jì)算機(jī)具有速度快、體積小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但其成本太高且不易升級(jí)，因此仍選用外掛式。

　　(2)VXI總線主機(jī)箱及其測(cè)試儀器模塊。考慮到VXI總線所具有的優(yōu)點(diǎn)，研制的電路板故障診斷系統(tǒng)選用了C尺寸13槽HPE8403A高性能VXI總線主機(jī)箱，其測(cè)試儀器模塊可利用槽數(shù)為12個(gè)。雖然目前采購(gòu)的測(cè)試儀器模塊只有4個(gè)，但空余的槽為系統(tǒng)的擴(kuò)充和功能完善提供了可能。

　　在VXI總線主機(jī)箱中采用HPE1406A命令模塊為零槽模塊，它通過(guò)GPIB.VXI翻譯器與外接控制器相連接，具有翻譯器和接口功能，提供公共系統(tǒng)資源和進(jìn)行資源管理;采用HPE1418A(8通道D/A轉(zhuǎn)換)模塊為待測(cè)電路板提供所需的模擬信號(hào);采用HPE1458A(96通道數(shù)字V0)模塊與待測(cè)電路板的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接，完成對(duì)電路板的控制和讀寫(xiě)操作;采用HPE1411B(5位半數(shù)字萬(wàn)用表)作為信號(hào)參數(shù)測(cè)試模塊。

　　(3)IEEE488程控儀器。為了給待測(cè)電路板提供穩(wěn)定的電壓源同時(shí)又便于程序控制，選擇臺(tái)式儀器HPE3631A和HPE3632A作為系統(tǒng)的程控激勵(lì)源。

　　(4)轉(zhuǎn)接器和通用適配器。該部分主要為激勵(lì)源和測(cè)量?jī)x器設(shè)備與測(cè)試對(duì)象之間建立一個(gè)基本統(tǒng)一的連接與通信方式。由于待測(cè)電路板類(lèi)型很多，僅僅采用單一適配器是無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)試要求的，所以在每一通用適配器與盡可能多的待測(cè)電路板相連接的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)接器。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接器是為了避免在更換通用適配器時(shí)電線和電纜的反復(fù)插拔和連接。所有激勵(lì)源、VXI測(cè)量?jī)x器模塊的引出線都集中連接到轉(zhuǎn)接器上，再通過(guò)一個(gè)96針接插口和通用適配器相連。由于待測(cè)電路板是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，大部分都具有96針陽(yáng)極接插口，因此通用適配器又可以與多種待測(cè)電路板連接，最終將故障診斷系統(tǒng)和待測(cè)電路板連接成完整的一體。

　　另外，為給待測(cè)電路板提供所需的時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)還包括DF1631功率函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)，它通過(guò)電纜與轉(zhuǎn)接器連接。以上前3個(gè)部分通過(guò)GPIB總線連接在一起，構(gòu)成測(cè)試診斷系統(tǒng)的主框架。GPIB(general p11Epose inteRFace bus)是HP公司在70年代發(fā)明的一種8位并行接口，它能使上架式和臺(tái)式儀器相互間，以及與宿主計(jì)算機(jī)間進(jìn)行通信。由于它簡(jiǎn)單靈活，幾乎所有的儀器制造商都使用這種接口[口，直到今天，它仍是由獨(dú)立儀器構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的首選接口。雖然GPIB總線數(shù)據(jù)傳輸率較低，但能夠滿(mǎn)足研制的測(cè)試診斷系統(tǒng)的技術(shù)要求。又出于性能價(jià)格比的考慮，所以電路板故障診斷系統(tǒng)以臺(tái)式儀器為主，組成了GPIB和VXI總線混合的集成測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的VXI卡式測(cè)量?jī)x器設(shè)備和GPIB程控儀器設(shè)備符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化程度較高，兼容性強(qiáng)，易進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展和更新?lián)Q代，為以后系統(tǒng)的完善和發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　2. 故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇了HPVEE，基本操作環(huán)境為Windows 98。Windows 98支持32位程序開(kāi)發(fā)，由于它是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境，因此各任務(wù)間既易于轉(zhuǎn)換又可方便地交換信息，為用戶(hù)提供方便、良好的操作界面，是一個(gè)較理想的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件平臺(tái)選用了圖形化編程語(yǔ)言HPVEE，它是目前用于測(cè)試與測(cè)量中最富有成效的編程語(yǔ)言。VEE(visual engineering mviroment)是一種面向儀器控制的模塊化編程語(yǔ)言，也是目前面向VXI總線測(cè)試系統(tǒng)主要的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，它能處理日常性的任務(wù)，如儀器控制、測(cè)量處理和測(cè)試報(bào)告，簡(jiǎn)化在測(cè)試開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的任務(wù)：系統(tǒng)集成、調(diào)試、結(jié)構(gòu)化編程設(shè)計(jì)和文檔處理。同時(shí)，用其他語(yǔ)言，如C/C++、VC、VB、FORTRAN等編寫(xiě)的程序可以很容易地與HPVEE程序結(jié)合在一起，這對(duì)今天的測(cè)試開(kāi)發(fā)尤其重要?？傊?，VEE可以大大縮短測(cè)試軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　從系統(tǒng)軟件通用性要求出發(fā)，軟件設(shè)計(jì)采用面向測(cè)試的智能化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)決策平臺(tái)，其總體結(jié)構(gòu)方框圖見(jiàn)圖2。以下就軟件的各主要組成部分作簡(jiǎn)要說(shuō)明：

　　(1)系統(tǒng)和電路板信息顯示。在進(jìn)入系統(tǒng)軟件主控模塊后，通過(guò)人機(jī)界面可調(diào)用系統(tǒng)信息或待測(cè)電路板信息顯示子程序，用來(lái)向操作員顯示整個(gè)系統(tǒng)的組成及狀態(tài)和待測(cè)電路板的有關(guān)信息。如果要求輸入的電路板類(lèi)型沒(méi)有包含在系統(tǒng)診斷范圍內(nèi)，則自動(dòng)加以提示。

　　(2)系統(tǒng)設(shè)備自檢。該子程序?qū)ο到y(tǒng)設(shè)備進(jìn)行自檢，通過(guò)后可進(jìn)入測(cè)試診斷程序，否則中止程序進(jìn)一步執(zhí)行，退回到軟件主控模塊并報(bào)告出錯(cuò)。

　　(3)電路板功能測(cè)試程序。該子程序?qū)Υ郎y(cè)電路板進(jìn)行故障檢測(cè)。故障檢測(cè)時(shí)首先根據(jù)測(cè)試診斷數(shù)據(jù)庫(kù)提供的信息對(duì)所需要的程控電源和測(cè)量?jī)x器設(shè)備進(jìn)行初始化并啟動(dòng)共工作，接著對(duì)待測(cè)電路板進(jìn)行初始化（如需要），然后依據(jù)測(cè)試診斷數(shù)據(jù)庫(kù)中的要求進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)量結(jié)果和測(cè)試診斷數(shù)據(jù)中的有關(guān)數(shù)據(jù)相比較，比確定故障檢測(cè)是否完成。若沒(méi)有檢測(cè)出故障，則報(bào)告并回到軟件主控模塊；若檢測(cè)出電路存在故障，則報(bào)告并進(jìn)入電路板診斷程序。

　　(4)電路板診斷程序。同樣儀據(jù)測(cè)試診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，按照基本與功能測(cè)試程序相同的方法完成故障隔離和故障定位。

　　(5)電路板測(cè)試診斷數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是和待測(cè)電路板一一對(duì)應(yīng)的，在對(duì)某類(lèi)型電路板進(jìn)行測(cè)試診斷之前，必須建立與它對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。也就是說(shuō)，系統(tǒng)軟件中有多少數(shù)據(jù)庫(kù)就可以診斷多少類(lèi)型的電路板。數(shù)據(jù)庫(kù)源程序由Delphi軟件編寫(xiě)，其內(nèi)容主要包括診斷步驟、模擬激勵(lì)、數(shù)字激勵(lì)、信號(hào)類(lèi)型、測(cè)試節(jié)點(diǎn)、測(cè)試位置、特征范圍、正確情況、錯(cuò)誤情況和提示信息等。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)測(cè)試診斷程序讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的某一數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含上面提到的診斷步驟、模擬激勵(lì)、提示信息各項(xiàng)內(nèi)容，然后依照數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)待測(cè)電路板施加激勵(lì)并讀取響應(yīng)，將結(jié)果和預(yù)期值比較以決定下一步驟?？梢?jiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)的正確建立是相當(dāng)重要的，它是整個(gè)軟件部分的核心。

　　(6)測(cè)試診斷結(jié)果報(bào)告。顯示并打印待測(cè)電路板的測(cè)試診斷結(jié)果。

　　前面提到的測(cè)試診斷數(shù)據(jù)庫(kù)的編寫(xiě)需要對(duì)待測(cè)電路的故障診斷機(jī)理有深入的了解。待測(cè)的電路板很多類(lèi)型屬于數(shù)?；旌?，而數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷是個(gè)難點(diǎn)。離散事件系統(tǒng)(discrete event systems，以下簡(jiǎn)寫(xiě)為DES)理論可提供一種統(tǒng)一的對(duì)數(shù)字和模擬電路測(cè)試都有效的途徑。DES理論用于數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷，其主要作用有以下幾個(gè)方面:

　?、贆z查電路的可測(cè)性。DES理論用離散數(shù)學(xué)中集合的和與積運(yùn)算定義電路的可測(cè)，性，也即驗(yàn)證通過(guò)可觀測(cè)的事件能否達(dá)到預(yù)期的故障隔離度。具體步驟是首先人為確定狀態(tài)集合T，T中的每一個(gè)元素是由若干個(gè)狀態(tài)組成的集合，而每一個(gè)狀態(tài)即對(duì)應(yīng)電路一個(gè)元件的故障或正常狀態(tài);再找到若干可觀測(cè)事件，根據(jù)每一個(gè)事件發(fā)生時(shí)電路可能和不可能所處的狀態(tài)建立對(duì)應(yīng)該事件的分區(qū)(一個(gè)集合)，分區(qū)由兩個(gè)子集合組成，其中一個(gè)包含事件發(fā)生后電路可能所處的所有狀態(tài)，另一個(gè)包含事件發(fā)生后電路不可能所處的所有狀態(tài);接下去對(duì)可觀測(cè)事件對(duì)應(yīng)的分區(qū)依次逐一進(jìn)行集合的積運(yùn)算，最后得到的結(jié)果Tout(還是一個(gè)分區(qū))如果比預(yù)期的T更精細(xì)，那未電路才是可測(cè)的。如電路不可測(cè)，則必須增加可觀測(cè)的事件，否則診斷結(jié)果達(dá)不到預(yù)期效果。電路可測(cè)性的內(nèi)在含義是:只有任何兩個(gè)不能被所觀測(cè)的事件區(qū)分開(kāi)的狀態(tài)都在T中的同一元素內(nèi)時(shí)，則電路才可測(cè)。顯然，電路的可測(cè)，性決定于T和所有可觀測(cè)事件。

　?、谟?jì)算最小測(cè)試集minOES(T)。為了以較快的速度和較低的成本完成電路的故障診斷，需要找到最小測(cè)試集。若待診斷電路可測(cè)，則可考慮在不影響故障隔離度的前提下，去掉所有可觀測(cè)事件中的部分事件，剩余事件的集合即為EElinoES(T)?？梢宰C明minOES(T)不是唯一的，但對(duì)于每一個(gè)minOES(T)，從中移走任一元素都將使得待診斷電路不可測(cè)。至于哪一個(gè)minOES(T)是最理想的，主要從測(cè)試成本上考慮，成本越小的minOES(T)越理想。

　?、壅业焦收细綦x率。在選擇適當(dāng)?shù)目捎^測(cè)事件后，前述Tout中的所有狀態(tài)對(duì)應(yīng)的故障都可以檢測(cè)，并且Tout中僅包含一個(gè)狀態(tài)的元素對(duì)應(yīng)的故障是可以定位的。所以故障隔離率P.=m/n很容易算出，m即是Tout中可以實(shí)現(xiàn)故障定位的狀態(tài)數(shù)，n是Tout中包含的所有狀態(tài)數(shù)。

　　從整體上看，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)面向測(cè)試過(guò)程，屬開(kāi)放式軟件平臺(tái)，通用化程度較高，程序易于開(kāi)發(fā)且操作使用方便。但新的針對(duì)數(shù)模混合電路的故障診斷方法需要實(shí)踐加以驗(yàn)證。

　　3. 結(jié)束語(yǔ)

　　基于VXI總線的電路板故障診斷系統(tǒng)具有任何傳統(tǒng)儀器和手段不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，繼承性好，適應(yīng)性強(qiáng)，將具有廣闊的應(yīng)用前景。