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(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),對上述電路板進(jìn)行故障檢測和診斷,且將故障定位到元器件級。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199829.htm1. 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)的測控系統(tǒng)機(jī)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(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)品的問世,在國內(nèi)外自動(dòng)測試領(lǐng)域掀起了一場新的革命,對國際自動(dòng)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(jī)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(jì)算機(jī),它內(nèi)配GPIB通信接口卡,通過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,因此仍選用外掛式。
(2)VXI總線主機(jī)箱及其測試儀器模塊。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,其測試儀器模塊可利用槽數(shù)為12個(gè)。雖然目前采購的測試儀器模塊只有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(hào)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(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)源和測量儀器設(shè)備與測試對象之間建立一個(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(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(gè)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(jì),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(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),它通過電纜與轉(zhuǎn)接器連接。以上前3個(gè)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(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(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(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(bào)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(jì)和文檔處理。同時(shí),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(shí)間。
從系統(tǒng)軟件通用性要求出發(fā),軟件設(shè)計(jì)采用面向測試的智能化自動(dòng)測試系統(tǒng)決策平臺(tái),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(jìn)入系統(tǒng)軟件主控模塊后,通過人機(jī)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(gè)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(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,通過后可進(jìn)入測試診斷程序,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)電路板功能測試程序。該子程序?qū)Υ郎y電路板進(jìn)行故障檢測。故障檢測時(shí)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(jìn)行初始化并啟動(dòng)共工作,接著對待測電路板進(jìn)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(jìn)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(bào)告并回到軟件主控模塊;若檢測出電路存在故障,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(jìn)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(lì)、數(shù)字激勵(lì)、信號(hào)類型、測試節(jié)點(diǎn)、測試位置、特征范圍、正確情況、錯(cuò)誤情況和提示信息等。在進(jìn)行測試時(shí),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(lì)、提示信息各項(xiàng)內(nèi)容,然后依照數(shù)據(jù)內(nèi)容對待測電路板施加激勵(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。可見,數(shù)據(jù)庫的正確建立是相當(dāng)重要的,它是整個(gè)軟件部分的核心。
(6)測試診斷結(jié)果報(bào)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(jī)理有深入的了解。待測的電路板很多類型屬于數(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)模混合電路的故障診斷,其主要作用有以下幾個(gè)方面:
①檢查電路的可測性。DES理論用離散數(shù)學(xué)中集合的和與積運(yùn)算定義電路的可測,性,也即驗(yàn)證通過可觀測的事件能否達(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);接下去對可觀測事件對應(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(dá)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(gè)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(shí),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。
?、谟?jì)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(gè)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(gè)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(gè)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(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)面向測試過程,屬開放式軟件平臺(tái),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(shí)踐加以驗(yàn)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(diǎn),繼承性好,適應(yīng)性強(qiáng),將具有廣闊的應(yīng)用前景。
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