某導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板智能檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對某型導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板故障缺乏行之有效檢測方法的現(xiàn)狀，設(shè)計了某導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板智能檢測系統(tǒng)。首先簡單介紹了電路板檢測原理，結(jié)合該設(shè)備電路板的結(jié)構(gòu)和工作特點，建立了某型導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板故障檢測的模型，闡述了該系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計方案和系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方法;以典型的光電轉(zhuǎn)換電路的測試為例，對電路板智能檢測系統(tǒng)的進行了試驗;試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能解決導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板檢測困難、測試效率較低的問題，提高了檢測的效率和故障定位的能力，其性能穩(wěn)定可靠，操作使用方便，結(jié)果顯示直觀;結(jié)合試驗積累的經(jīng)驗，從兩個方面對下一步繼續(xù)研究進行了展望。

引言

　　在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，尤其是在以集成電路為核心的電子電路中，由于系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，性能和構(gòu)造也更加完善和復(fù)雜，對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性和可維護性的要求也越來越高。目前，某型號導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面測試設(shè)備電路板的故障檢測定位主要依賴生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員，部隊缺乏有效的檢測方法和手段，致使測試設(shè)備電路板出現(xiàn)問題后影響后續(xù)的作戰(zhàn)與訓(xùn)練。

　　目前，國內(nèi)在電路板通用維修測試設(shè)備的研制和開發(fā)方面開發(fā)出了基于VXI、PXI、GPIB、ISA等多種總線結(jié)構(gòu)的自動測試診斷設(shè)備(ATE)產(chǎn)品和相應(yīng)的測試軟件，能完成電子設(shè)備的系統(tǒng)級、電路板級測試診斷，其測試方法是通過判斷電路板上的器件是否正常，及連線是否正確來檢測整塊電路板是否正常，對電路板有一定的學(xué)習能力，具有一定的通用性，但由于缺少對整板性能進行測試，測試結(jié)果不完全。國際上開展了無接觸檢測技術(shù)的研究，該技術(shù)充分利用被測電路板的各種物理場的特征參數(shù)，以此作為故障診斷的依據(jù)，具有測試速度快、適用范圍廣等特點，但由于該檢測技術(shù)十分復(fù)雜，而且檢測費用也非常高，可靠性難以保證，并沒有得到較好的推廣。

　　本文在對當前電路測試理論及技術(shù)進行分析后，針對某型導(dǎo)彈地面測試設(shè)備使用的電路板的特點及測試要求，構(gòu)建了一個基于功能測試的電路板自動測試系統(tǒng)，可提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的測試效率，并降低導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的測試成本。

1 電路板檢測原理與故障模型

1.1 電路板檢測原理

　　電路板系統(tǒng)測試的基本原理是暗箱原理，如圖1所示，被測對象電路板是一個“暗箱”，在不允許打開“暗箱”的情況下又要檢測電路板的功能好壞，只能通過對它施加激勵信號后判斷輸出響應(yīng)來完成對系統(tǒng)的分析。

　　對于數(shù)字電路，測試其輸出端的響應(yīng)代碼，與數(shù)據(jù)庫中的正確代碼比較，來判斷被測電路的邏輯功能是否正常，從而確定電路的好壞;對于模擬電路，測試其輸出端的電壓、電流、與輸入端之間的函數(shù)關(guān)系等其它參數(shù)，與相應(yīng)的標準進行比較，根據(jù)它們是否一致來判斷模擬電路的功能是否正常。

1.2 電路板故障檢測模型

　　構(gòu)成導(dǎo)彈地面測試設(shè)備電路板的最小單元是無非就是集成芯片和電容、電阻等元器件，這些元器件組合在一起就構(gòu)成某個功能電路，完成特定功能;而功能模塊則由幾個功能電路組合而成，就能完成較為復(fù)雜的功能;一個電路板由若干個功能模塊組成，完成相應(yīng)的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)用戶的需求。因此，可將電路板分為以下四個層級：第一級是電路板級，第二級是功能模塊級，第三級是功能電路級，第四級是元器件級。根據(jù)四個之間的功能和相互關(guān)系，構(gòu)成樹狀層次結(jié)構(gòu)的電路板故障檢測模型，如圖2所示。

　　對導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板的檢測過程是根據(jù)這個電路板故障檢測模型進行檢測的，對導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板的檢測可在第一級也就是電路板級來實現(xiàn)，只要電路板級的檢測是正常的，便可認為導(dǎo)彈測試設(shè)備所有的電路板是無故障的。而對導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板的檢測與診斷，可以按照導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板故障檢測模型，采用從上至下的順序進行檢測與診斷，首先對導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板級進行測試，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈測試設(shè)備某個電路板級存在故障，則順序檢查各個相關(guān)的功能模塊，直到查到某個功能模塊存在故障，然后再對該功能模塊所包含的每個功能電路逐一進行檢測與診斷，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈測試設(shè)備某個功能電路存在故障，再按照從上至下的順序檢測功能電路所包含的各個元器件，直至發(fā)現(xiàn)某個元器件有故障為止。倘若不能檢測到元器件故障，就檢測到功能電路級別，對功能電路進行整體更換。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　檢測系統(tǒng)采用基于PC-DAQ的虛擬儀器構(gòu)建模式，輔以靈活的測試接口電路。系統(tǒng)的硬件部分主要是對導(dǎo)彈地面測試設(shè)備電路板的模擬量測試信號、數(shù)字量測試信號和時序量測試信號進行采集和檢測，系統(tǒng)硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　圖3中，被測試信號進入信號調(diào)理板后，分別通過模擬量通道、數(shù)字量通道、時序量通道進入檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡;數(shù)據(jù)采集卡能夠產(chǎn)生控制信號，控制模擬量切換電路對模擬量的通道進行控制，使得需要檢測的模擬量進入檢測系統(tǒng)，而無關(guān)的模擬量則被隔離，此外，計算機作為系統(tǒng)的激勵源能產(chǎn)生相應(yīng)的激勵信號通過ISA總線和數(shù)據(jù)采集卡送到信號調(diào)理板，用作電路板的檢測信號，這也是測試系統(tǒng)硬件的主要功能。

　　測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，根據(jù)導(dǎo)彈測試設(shè)備電路板檢測系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、開關(guān)切換模塊、輸入模塊和輸出模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。電路板智能檢測系統(tǒng)硬件功能模塊組成圖如圖4所示。

　　為了實現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的接口電路來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的控制和通道切換，完成數(shù)據(jù)采集和檢測的功能。由于數(shù)據(jù)采集卡本身具備電壓測試功能，所以可以直接用來測試電壓，不需要設(shè)計電壓接口電路，其他電流、電阻、電容、電感等接口電路及測試方法如下。

2.1 電流的測試方法

　　在電路板檢測的過程中，及時準確地掌握電流的大小非常重要，而數(shù)據(jù)采集卡不具備直接對電流信號進行采集量化的能力，系統(tǒng)采用了間接方法進行測量。在本測試系統(tǒng)中，讓測試電流直接流過標準電阻實現(xiàn)I-U轉(zhuǎn)換從而間接對電流進行測量，電流測量的原理圖如圖5所示。

　　在測試電路的設(shè)計中，通過并聯(lián)電壓負反饋放大電路，編程控制四個繼電器的切換，讓電流依次流過不同數(shù)量的電阻來實現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換。圖5中的放大器采用LM324來實現(xiàn)，由于放大器的輸入電阻很高，可以認為被測電流全部流過標準電阻。由電路的基本原理可以知道，放大器的輸入電壓為，輸出電壓，輸出電壓與輸入電流成正比。通過編程控制繼電器切換不同的電阻，就能夠得到不同的量程。通過本測試方法，較好地滿足了電路板上小電流的測量。

2.2 電阻的測試方法

　　電阻的在線測試一般根據(jù)電路等效三角形結(jié)構(gòu)采用電隔離技術(shù)來實現(xiàn)，其測試原理圖如圖6所示。

　　圖6中與被測試電阻并聯(lián)的兩個等效電阻被運放隔離，在運放的一端加入一個標準的測量信號，通過轉(zhuǎn)換電路后就可以得到一個標準的信號輸出，根據(jù)計算，可得：。

2.3 電容的測試方法

　　電容的測量采用理想運算放大器來消除電容兩端旁路等效阻抗的影響，實現(xiàn)電容的在線隔離從而進行測量，其測試電路圖如圖7所示。

　　由數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口產(chǎn)生一個固定頻率的交流信號，它激勵轉(zhuǎn)換電路，得到一個與被測試電容成正比的交流電壓信號V_o，V_o通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機以后，通過軟件實現(xiàn)信號的二階帶通濾波，濾除固定頻率以外的雜波，再經(jīng)AC/DC VI函數(shù)轉(zhuǎn)換后得到與被測試電容成正比的電壓V。通過多組數(shù)據(jù)求得比例值K后，就可以根據(jù)比例值計算出被測試電容容值大小，可見轉(zhuǎn)換電路的實質(zhì)是反相微分和積分電路。

　　由電路圖計算可得：， ?？梢钥闯?，被測電容與輸入電壓V_o成正比，從而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換。通過改變R₁和R₂的比值和電容C₁的大小，就可以擴大電容的測量范圍。