基于VXI儀器的電路板故障診斷系統分析

某機電控制系統采用了集中分布式計算機，其功能強，操作簡(jiǎn)便，但配置龐大、復雜，所包含的幾百塊印刷電路板是易發(fā)生故障的環(huán)節，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(xiàn)儀器的電路板故障診斷系統，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。

1. 故障診斷系統的硬件

　　VXI(VME bus extension for instrumentation)總線(xiàn)是當前性能最先進(jìn)的測控系統機箱底板總線(xiàn)之一，具有標準開(kāi)放、結構緊湊、數據吞吐能力強、模塊可重復使用、眾多儀器廠(chǎng)家支持等優(yōu)點(diǎn)。VXI總線(xiàn)標準及其產(chǎn)品的問(wèn)世，在國內外自動(dòng)測試領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)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以系統控制器、VXI總線(xiàn)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(guò)轉接器和適配器與系統連接。系統硬件組成方框圖見(jiàn)圖1。

　　(1)系統控制器。選擇外掛式主控計算機，它內配GPIB通信接口卡，通過(guò)GPIB-VXI翻譯器與VXI總線(xiàn)主機箱相連。內嵌式計算機具有速度快、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(xiàn)主機箱及其測試儀器模塊?？紤]到VXI總線(xiàn)所具有的優(yōu)點(diǎn)，研制的電路板故障診斷系統選用了C尺寸13槽HPE8403A高性能VXI總線(xiàn)主機箱，其測試儀器模塊可利用槽數為12個(gè)。雖然目前采購的測試儀器模塊只有4個(gè)，但空余的槽為系統的擴充和功能完善提供了可能。

　　在VXI總線(xiàn)主機箱中采用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，提供公共系統資源和進(jìn)行資源管理;采用HPE1418A(8通道D/A轉換)模塊為待測電路板提供所需的模擬信號;采用HPE1458A(96通道數字V0)模塊與待測電路板的數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)連接，完成對電路板的控制和讀寫(xiě)操作;采用HPE1411B(5位半數字萬(wàn)用表)作為信號參數測試模塊。

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

　　(4)轉接器和通用適配器。該部分主要為激勵源和測量?jì)x器設備與測試對象之間建立一個(gè)基本統一的連接與通信方式。由于待測電路板類(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上，設計了一個(gè)轉接器。設計轉接器是為了避免在更換通用適配器時(shí)電線(xiàn)和電纜的反復插拔和連接。所有激勵源、VXI測量?jì)x器模塊的引出線(xiàn)都集中連接到轉接器上，再通過(guò)一個(gè)96針接插口和通用適配器相連。由于待測電路板是標準設計，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電路板連接，最終將故障診斷系統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，系統還包括DF1631功率函數信號發(fā)生器1臺，它通過(guò)電纜與轉接器連接。以上前3個(gè)部分通過(guò)GPIB總線(xiàn)連接在一起，構成測試診斷系統的主框架。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(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，它仍是由獨立儀器構成的自動(dòng)測試系統的首選接口。雖然GPIB總線(xiàn)數據傳輸率較低，但能夠滿(mǎn)足研制的測試診斷系統的技術(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以臺式儀器為主，組成了GPIB和VXI總線(xiàn)混合的集成測試系統。系統使用的VXI卡式測量?jì)x器設備和GPIB程控儀器設備符合國際標準，標準化、通用化、模塊化程度較高，兼容性強，易進(jìn)行系統擴展和更新?lián)Q代，為以后系統的完善和發(fā)展打下堅實(shí)的基礎。

　　2. 故障診斷系統的軟件設計

　　故障診斷系統的軟件設計平臺選擇了HPVEE，基本操作環(huán)境為Windows 98。Windows 98支持32位程序開(kāi)發(fā)，由于它是一個(gè)多任務(wù)操作系統環(huán)境，因此各任務(wù)間既易于轉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。系統軟件平臺選用了圖形化編程語(yǔ)言HPVEE，它是目前用于測試與測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(xiàn)測試系統主要的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，它能處理日常性的任務(wù)，如儀器控制、測量處理和測試報告，簡(jiǎn)化在測試開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的任務(wù)：系統集成、調試、結構化編程設計和文檔處理。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程序結合在一起，這對今天的測試開(kāi)發(fā)尤其重要?？傊?，VEE可以大大縮短測試軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　從系統軟件通用性要求出發(fā)，軟件設計采用面向測試的智能化自動(dòng)測試系統決策平臺，其總體結構方框圖見(jiàn)圖2。以下就軟件的各主要組成部分作簡(jiǎn)要說(shuō)明：

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

　　(2)系統設備自檢。該子程序對系統設備進(jìn)行自檢，通過(guò)后可進(jìn)入測試診斷程序，否則中止程序進(jìn)一步執行，退回到軟件主控模塊并報告出錯。

　　(3)電路板功能測試程序。該子程序對待測電路板進(jìn)行故障檢測。故障檢測時(shí)首先根據測試診斷數據庫提供的信息對所需要的程控電源和測量?jì)x器設備進(jìn)行初始化并啟動(dòng)共工作，接著(zhù)對待測電路板進(jìn)行初始化（如需要），然后依據測試診斷數據庫中的要求進(jìn)行測試。將測量結果和測試診斷數據中的有關(guān)數據相比較，比確定故障檢測是否完成。若沒(méi)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(jìn)入電路板診斷程序。

　　(4)電路板診斷程序。同樣儀據測試診斷數據庫，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)電路板測試診斷數據庫。該數據庫是和待測電路板一一對應的，在對某類(lèi)型電路板進(jìn)行測試診斷之前，必須建立與它對應的數據庫。也就是說(shuō)，系統軟件中有多少數據庫就可以診斷多少類(lèi)型的電路板。數據庫源程序由Delphi軟件編寫(xiě)，其內容主要包括診斷步驟、模擬激勵、數字激勵、信號類(lèi)型、測試節點(diǎn)、測試位置、特征范圍、正確情況、錯誤情況和提示信息等。在進(jìn)行測試時(shí)，系統測試診斷程序讀取數據庫的某一數據，該數據包含上面提到的診斷步驟、模擬激勵、提示信息各項內容，然后依照數據內容對待測電路板施加激勵并讀取響應，將結果和預期值比較以決定下一步驟?？梢?jiàn)，數據庫的正確建立是相當重要的，它是整個(gè)軟件部分的核心。

　　(6)測試診斷結果報告。顯示并打印待測電路板的測試診斷結果。

　　前面提到的測試診斷數據庫的編寫(xiě)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(lèi)型屬于數?；旌?，而數?；旌想娐返墓收显\斷是個(gè)難點(diǎn)。離散事件系統(discrete event systems，以下簡(jiǎn)寫(xiě)為DES)理論可提供一種統一的對數字和模擬電路測試都有效的途徑。DES理論用于數?；旌想娐返墓收显\斷，其主要作用有以下幾個(gè)方面:

　?、贆z查電路的可測性。DES理論用離散數學(xué)中集合的和與積運算定義電路的可測，性，也即驗證通過(guò)可觀(guān)測的事件能否達到預期的故障隔離度。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)即對應電路一個(gè)元件的故障或正常狀態(tài);再找到若干可觀(guān)測事件，根據每一個(gè)事件發(fā)生時(shí)電路可能和不可能所處的狀態(tài)建立對應該事件的分區(一個(gè)集合)，分區由兩個(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(guān)測事件對應的分區依次逐一進(jìn)行集合的積運算，最后得到的結果Tout(還是一個(gè)分區)如果比預期的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(guān)測的事件，否則診斷結果達不到預期效果。電路可測性的內在含義是:只有任何兩個(gè)不能被所觀(guān)測的事件區分開(kāi)的狀態(tài)都在T中的同一元素內時(shí)，則電路才可測。顯然，電路的可測，性決定于T和所有可觀(guān)測事件。

　?、谟嬎阕钚y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(guān)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。在選擇適當的可觀(guān)測事件后，前述Tout中的所有狀態(tài)對應的故障都可以檢測，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)現故障定位的狀態(tài)數，n是Tout中包含的所有狀態(tài)數。

　　從整體上看，系統軟件設計面向測試過(guò)程，屬開(kāi)放式軟件平臺，通用化程度較高，程序易于開(kāi)發(fā)且操作使用方便。但新的針對數?；旌想娐返墓收显\斷方法需要實(shí)踐加以驗證。

　　3. 結束語(yǔ)

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