基于VXI儀器的電路板故障診斷系統(tǒng)分析

   某機電控制系統(tǒng)采用了集中分布式計算機，其功能強，操作簡便，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)，維修測試技術(shù)要求高。為了縮短排除電路板故障的時間，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)，對上述電路板進行故障檢測和診斷，且將故障定位到元器件級。

1. 故障診斷系統(tǒng)的硬件

　　VXI(VME bus extension for instrumentation)總線是當(dāng)前性能最先進的測控系統(tǒng)機箱底板總線之一，具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、模塊可重復(fù)使用、眾多儀器廠家支持等優(yōu)點。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)及其產(chǎn)品的問世，在國內(nèi)外自動測試領(lǐng)域掀起了一場新的革命，對國際自動化測試技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。成為當(dāng)今測量與控制技術(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總線主機箱及其測試儀器模塊為核心，輔以部分IEEE488程控儀器，而待測電路板通過轉(zhuǎn)接器和適配器與系統(tǒng)連接。系統(tǒng)硬件組成方框圖見圖1。

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

　　(2)VXI總線主機箱及其測試儀器模塊?？紤]到VXI總線所具有的優(yōu)點，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總線主機箱，其測試儀器模塊可利用槽數(shù)為12個。雖然目前采購的測試儀器模塊只有4個，但空余的槽為系統(tǒng)的擴充和功能完善提供了可能。

　　在VXI總線主機箱中采用HPE1406A命令模塊為零槽模塊，它通過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)資源和進行資源管理;采用HPE1418A(8通道D/A轉(zhuǎn)換)模塊為待測電路板提供所需的模擬信號;采用HPE1458A(96通道數(shù)字V0)模塊與待測電路板的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接，完成對電路板的控制和讀寫操作;采用HPE1411B(5位半數(shù)字萬用表)作為信號參數(shù)測試模塊。

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

　　(4)轉(zhuǎn)接器和通用適配器。該部分主要為激勵源和測量儀器設(shè)備與測試對象之間建立一個基本統(tǒng)一的連接與通信方式。由于待測電路板類型很多，僅僅采用單一適配器是無法滿足測試要求的，所以在每一通用適配器與盡可能多的待測電路板相連接的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個轉(zhuǎn)接器。設(shè)計轉(zhuǎn)接器是為了避免在更換通用適配器時電線和電纜的反復(fù)插拔和連接。所有激勵源、VXI測量儀器模塊的引出線都集中連接到轉(zhuǎn)接器上，再通過一個96針接插口和通用適配器相連。由于待測電路板是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，大部分都具有96針陽極接插口，因此通用適配器又可以與多種待測電路板連接，最終將故障診斷系統(tǒng)和待測電路板連接成完整的一體。

　　另外，為給待測電路板提供所需的時鐘信號，系統(tǒng)還包括DF1631功率函數(shù)信號發(fā)生器1臺，它通過電纜與轉(zhuǎn)接器連接。以上前3個部分通過GPIB總線連接在一起，構(gòu)成測試診斷系統(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，它能使上架式和臺式儀器相互間，以及與宿主計算機間進行通信。由于它簡單靈活，幾乎所有的儀器制造商都使用這種接口[口，直到今天，它仍是由獨立儀器構(gòu)成的自動測試系統(tǒng)的首選接口。雖然GPIB總線數(shù)據(jù)傳輸率較低，但能夠滿足研制的測試診斷系統(tǒng)的技術(shù)要求。又出于性能價格比的考慮，所以電路板故障診斷系統(tǒng)以臺式儀器為主，組成了GPIB和VXI總線混合的集成測試系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的VXI卡式測量儀器設(shè)備和GPIB程控儀器設(shè)備符合國際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化程度較高，兼容性強，易進行系統(tǒng)擴展和更新?lián)Q代，為以后系統(tǒng)的完善和發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

　　2. 故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計平臺選擇了HPVEE，基本操作環(huán)境為Windows 98。Windows 98支持32位程序開發(fā)，由于它是一個多任務(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，為用戶提供方便、良好的操作界面，是一個較理想的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件平臺選用了圖形化編程語言HPVEE，它是目前用于測試與測量中最富有成效的編程語言。VEE(visual engineering mviroment)是一種面向儀器控制的模塊化編程語言，也是目前面向VXI總線測試系統(tǒng)主要的軟件開發(fā)環(huán)境之一，它能處理日常性的任務(wù)，如儀器控制、測量處理和測試報告，簡化在測試開發(fā)過程中所遇到的任務(wù)：系統(tǒng)集成、調(diào)試、結(jié)構(gòu)化編程設(shè)計和文檔處理。同時，用其他語言，如C/C++、VC、VB、FORTRAN等編寫的程序可以很容易地與HPVEE程序結(jié)合在一起，這對今天的測試開發(fā)尤其重要?？傊?，VEE可以大大縮短測試軟件的開發(fā)時間。

　　從系統(tǒng)軟件通用性要求出發(fā)，軟件設(shè)計采用面向測試的智能化自動測試系統(tǒng)決策平臺，其總體結(jié)構(gòu)方框圖見圖2。以下就軟件的各主要組成部分作簡要說明：

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

　　(2)系統(tǒng)設(shè)備自檢。該子程序?qū)ο到y(tǒng)設(shè)備進行自檢，通過后可進入測試診斷程序，否則中止程序進一步執(zhí)行，退回到軟件主控模塊并報告出錯。

　　(3)電路板功能測試程序。該子程序?qū)Υ郎y電路板進行故障檢測。故障檢測時首先根據(jù)測試診斷數(shù)據(jù)庫提供的信息對所需要的程控電源和測量儀器設(shè)備進行初始化并啟動共工作，接著對待測電路板進行初始化（如需要），然后依據(jù)測試診斷數(shù)據(jù)庫中的要求進行測試。將測量結(jié)果和測試診斷數(shù)據(jù)中的有關(guān)數(shù)據(jù)相比較，比確定故障檢測是否完成。若沒有檢測出故障，則報告并回到軟件主控模塊；若檢測出電路存在故障，則報告并進入電路板診斷程序。

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

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

　　(6)測試診斷結(jié)果報告。顯示并打印待測電路板的測試診斷結(jié)果。

　　前面提到的測試診斷數(shù)據(jù)庫的編寫需要對待測電路的故障診斷機理有深入的了解。待測的電路板很多類型屬于數(shù)模混合，而數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷是個難點。離散事件系統(tǒng)(discrete event systems，以下簡寫為DES)理論可提供一種統(tǒng)一的對數(shù)字和模擬電路測試都有效的途徑。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方面:

　?、贆z查電路的可測性。DES理論用離散數(shù)學(xué)中集合的和與積運算定義電路的可測，性，也即驗證通過可觀測的事件能否達到預(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中的每一個元素是由若干個狀態(tài)組成的集合，而每一個狀態(tài)即對應(yīng)電路一個元件的故障或正常狀態(tài);再找到若干可觀測事件，根據(jù)每一個事件發(fā)生時電路可能和不可能所處的狀態(tài)建立對應(yīng)該事件的分區(qū)(一個集合)，分區(qū)由兩個子集合組成，其中一個包含事件發(fā)生后電路可能所處的所有狀態(tài)，另一個包含事件發(fā)生后電路不可能所處的所有狀態(tài);接下去對可觀測事件對應(yīng)的分區(qū)依次逐一進行集合的積運算，最后得到的結(jié)果Tout(還是一個分區(qū))如果比預(yù)期的T"更精細"，那未電路才是可測的。如電路不可測，則必須增加可觀測的事件，否則診斷結(jié)果達不到預(yù)期效果。電路可測性的內(nèi)在含義是:只有任何兩個不能被所觀測的事件區(qū)分開的狀態(tài)都在T中的同一元素內(nèi)時，則電路才可測。顯然，電路的可測，性決定于T和所有可觀測事件。

　　②計算最小測試集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，需要找到最小測試集。若待診斷電路可測，則可考慮在不影響故障隔離度的前提下，去掉所有可觀測事件中的部分事件，剩余事件的集合即為EElinoES(T)?？梢宰C明minOES(T)不是唯一的，但對于每一個minOES(T)，從中移走任一元素都將使得待診斷電路不可測。至于哪一個minOES(T)是最理想的，主要從測試成本上考慮，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^測事件后，前述Tout中的所有狀態(tài)對應(yīng)的故障都可以檢測，并且Tout中僅包含一個狀態(tài)的元素對應(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)計面向測試過程，屬開放式軟件平臺，通用化程度較高，程序易于開發(fā)且操作使用方便。但新的針對數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷方法需要實踐加以驗證。

　　3. 結(jié)束語

　　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，繼承性好，適應(yīng)性強，將具有廣闊的應(yīng)用前景。