[摘要]論述了電子設(shè)備電路板故障診斷技術(shù)的概況和發(fā)展前景,結(jié)合航天測(cè)控公司“華佗電子診所”系列產(chǎn)品HTEDS8000電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷系統(tǒng),介紹了電路板故障診斷技術(shù)及應(yīng)用。該系統(tǒng)綜合了先進(jìn)的測(cè)試與故障診斷技術(shù),適用于電子設(shè)備尤其是軍用電子裝備的板級(jí)維修及綜合測(cè)試。
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,特別是數(shù)字技術(shù)及各種超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用,電子裝備尤其是軍用電子裝備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,功能越來越完善,自動(dòng)化程度也越來越高。雖然電子系統(tǒng)的性能得到提高,但是對(duì)測(cè)試和維修保障也產(chǎn)生了測(cè)試流程復(fù)雜、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、維修保障困難、維修費(fèi)用高等諸多問題,這些問題嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的完好性和壽命周期。
電路板故障診斷技術(shù),可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)電子系統(tǒng)是否異常進(jìn)行判斷,對(duì)于出現(xiàn)的故障進(jìn)行快速定位,并將故障隔離到最小可更換單元。在電子設(shè)備維護(hù)保障中應(yīng)用現(xiàn)代故障診斷技術(shù),可以提高系統(tǒng)的可靠性、有效性,保障設(shè)備發(fā)揮最大設(shè)計(jì)能力,延長(zhǎng)使用壽命,降低壽命周期費(fèi)用;通過檢測(cè)監(jiān)視、故障統(tǒng)計(jì)分析及性能評(píng)估等,為設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和信息,因此研究電子設(shè)備尤其是電路板故障診斷技術(shù),將研究成果產(chǎn)品化推廣應(yīng)用,具有廣闊的應(yīng)用前景。
故障診斷技術(shù)的概況及發(fā)展前景
故障診斷是根據(jù)對(duì)被診斷對(duì)象測(cè)試所取得的有用信息進(jìn)行分析處理,判斷被診斷對(duì)象的狀態(tài)是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài),確定故障的方位,預(yù)示故障的發(fā)生。早期的故障診斷是依據(jù)人對(duì)被診斷對(duì)象的感覺、聽覺、觸覺等感官和以往積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),對(duì)其狀態(tài)特征進(jìn)行分析,判斷某些故障的存在,或預(yù)測(cè)故障發(fā)生的時(shí)間。維修是為使設(shè)備保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動(dòng),即不僅包括設(shè)備在使用過程中發(fā)生故障(損壞)時(shí)進(jìn)行修復(fù),以恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的修復(fù)性維修,而且還包括在故障(損壞)前,預(yù)防故障以保持規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的預(yù)防性維修活動(dòng)。近年來,數(shù)字技術(shù)和超大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于功能電路板的設(shè)計(jì)中,電子設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,因此對(duì)其的測(cè)試工作量大,對(duì)檢測(cè)的質(zhì)量要求高,一般情況下很難依靠人的感官和經(jīng)驗(yàn)把故障因素檢查出來?,F(xiàn)代故障診斷技術(shù)是近年來隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新技術(shù),是指應(yīng)用現(xiàn)代化儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等高新技術(shù)設(shè)備,通過測(cè)試來檢查和識(shí)別設(shè)備及零部件的實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài),對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的診斷。應(yīng)用故障診斷技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和診斷,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障和預(yù)防惡性事故的發(fā)生,從而避免出現(xiàn)重大損失。
美國(guó)是對(duì)故障診斷技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究最早的國(guó)家之一,1961年美國(guó)開始執(zhí)行阿波羅計(jì)劃后,出現(xiàn)了一系列設(shè)備故障,促使1967年在美國(guó)航天局(NASA)倡導(dǎo)下,由美國(guó)海軍研究室(ONR)主持美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組(MFPG),積極從事故障診斷技術(shù)的研究和開發(fā)。美國(guó)作為世界頭號(hào)軍事強(qiáng)國(guó),非常重視軍事武器裝備的后勤補(bǔ)給和維護(hù)保障,由于武器系統(tǒng)越來越復(fù)雜,裝備設(shè)計(jì)越來越多地考慮保障問題,以確保維修工作能簡(jiǎn)單有效地進(jìn)行,使裝備能時(shí)刻保持可用狀態(tài),因此各種類型的故障診斷和維修專家系統(tǒng)已用于美國(guó)F-15戰(zhàn)斗機(jī)、B-1B轟炸機(jī)、海軍艦艇、陸軍軍械裝置等現(xiàn)役武器裝備的故障診斷和維修中。目前美國(guó)在航空、航天、核工業(yè)以及軍事部門中診斷技術(shù)占有領(lǐng)先地位。歐洲一些國(guó)家在設(shè)備診斷技術(shù)方面也有很大進(jìn)展,如英國(guó)從60年代末70年代初開始診斷技術(shù)的開發(fā)研究,在工業(yè)、核發(fā)電等方面占有某種優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)雖然對(duì)故障診斷技術(shù)的研究起步較晚,但近年來得到迅速發(fā)展。在重要系統(tǒng)和裝備的研制中提出了明確的測(cè)試性要求,制定了《裝備測(cè)試性大綱》(GJB-2547-95)、《測(cè)試與診斷術(shù)語》(GJB-3385-98)等國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)軍用測(cè)試系統(tǒng),也隨著軍用設(shè)備對(duì)測(cè)試診斷技術(shù)的要求逐步開展研究。目前國(guó)內(nèi)對(duì)裝備的故障診斷技術(shù),尤其是電路板級(jí)故障診斷技術(shù)的研究有了較大的進(jìn)展。
北京航天測(cè)控技術(shù)開發(fā)公司在自動(dòng)測(cè)試、故障診斷技術(shù)研究和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)方面取得了較大的成績(jī),開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“華佗電子診所”系列產(chǎn)品,包括HTEDS8000電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷系統(tǒng)、Fault Doctor故障診斷軟件平臺(tái)等產(chǎn)品,該產(chǎn)品綜合應(yīng)用了先進(jìn)的測(cè)試與故障診斷技術(shù),適于電子設(shè)備尤其是軍用武器電子裝備的板級(jí)維修測(cè)試及綜合保障,在海軍、空軍、二炮等軍兵種進(jìn)行了推廣應(yīng)用。
電路板故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)電路板測(cè)試與診斷,故障診斷系統(tǒng)一般應(yīng)具有電路板功能檢測(cè)、激勵(lì)信號(hào)生成、信號(hào)測(cè)試與采集、信息管理和數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)功能,可對(duì)各類型電路板進(jìn)行測(cè)試診斷,將故障隔離定位到發(fā)生故障的最小可更換單元(如元器件)。
北京航天測(cè)控技術(shù)開發(fā)公司自主開發(fā)的HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷系統(tǒng)基于VXI總線構(gòu)架,具有開放式、模塊化、易擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。系統(tǒng)主要任務(wù)是通過建立的系統(tǒng)硬件平臺(tái),達(dá)到模擬電路板實(shí)際工作環(huán)境,完成被測(cè)板診斷信息獲取,經(jīng)過診斷程序的分析、判斷確定故障位置,完成故障診斷的目的。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)軟件通過標(biāo)準(zhǔn)接口軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)VXI總線儀器和IEEE488接口儀器的控制,產(chǎn)生仿真測(cè)試所需的激勵(lì),通過通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱和專用適配器加載至被測(cè)板邊緣連接器的相應(yīng)端子,同時(shí)獲取相應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù),通過診斷軟件的分析、判斷,完成故障定位。
HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、VXI總線儀器、IEEE488接口儀器以及專用設(shè)備組成。硬件部分可擴(kuò)展性強(qiáng),可根據(jù)用戶的需求做相應(yīng)的增減。
VXI總線具有結(jié)構(gòu)緊湊、標(biāo)準(zhǔn)開放、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、模塊重復(fù)使用等特點(diǎn),并且虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)(VISA)解決了計(jì)算機(jī)與儀器之間的接口及應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的兼容性問題,GPIB總線作為一種成熟的標(biāo)準(zhǔn)儀器總線具有廣泛的應(yīng)用范圍,兩種總線接口在系統(tǒng)中結(jié)合應(yīng)用,使系統(tǒng)的通用性、測(cè)試功能及測(cè)量帶寬的擴(kuò)充性和電磁兼容能力進(jìn)一步提高。
對(duì)于多種類型電路板的測(cè)試診斷,系統(tǒng)通過被測(cè)電路板專用適配器與被測(cè)電路板相連,激勵(lì)信號(hào)通過通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱發(fā)送至專用適配器,加載到被測(cè)電路板相應(yīng)端子,同時(shí)將被測(cè)信號(hào)送入通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱的信號(hào)測(cè)量通道,經(jīng)調(diào)理、轉(zhuǎn)接后由VXI測(cè)控組合中的測(cè)量模塊、功能模塊或GPIB測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量、控制和采集。主控計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集及激勵(lì)設(shè)備的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制,測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理,提供給診斷專家系統(tǒng)。每個(gè)電路板通過配置專用適配器和測(cè)試診斷程序(TPS),就可實(shí)現(xiàn)電路板的測(cè)試與故障診斷。
Fault Doctor 故障診斷軟件平臺(tái)
HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷系統(tǒng)配置了測(cè)控公司自主開發(fā)的應(yīng)用軟件Fault Doctor Ver1.0故障診斷軟件平臺(tái),該軟件根據(jù)故障分析理論融合了先進(jìn)的虛擬儀器測(cè)試技術(shù)、人工智能分析方法、專家知識(shí)庫,可對(duì)各類型數(shù)字、模擬及數(shù)?;旌想娐钒暹M(jìn)行測(cè)試、分析和診斷。
該軟件平臺(tái)采用OLE、COM等先進(jìn)的技術(shù),通過COM接口搭建功能框架,然后在框架內(nèi)根據(jù)需求添加各種功能模塊,包括各種信號(hào)處理模塊、測(cè)試處理模塊、儀器配置操作模塊、診斷算法處理模塊、數(shù)據(jù)信息管理模塊等;各模塊的添加具有相對(duì)的獨(dú)立性,通過主框架程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;并且可進(jìn)一步改進(jìn)或者添加新的功能模塊。軟件提供二次開發(fā)的接口,采用COM接口的軟件設(shè)計(jì)思想,解決了程序編寫和升級(jí)的難題,提高了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。
軟件體系包括測(cè)試診斷執(zhí)行平臺(tái)、測(cè)試診斷開發(fā)平臺(tái)、用戶界面編輯平臺(tái)、數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)及在線幫助等功能模塊。測(cè)試診斷開發(fā)平臺(tái)完成對(duì)被測(cè)電路板進(jìn)行故障診斷和定位,提供自動(dòng)監(jiān)測(cè)和信息提示功能;測(cè)試診斷開發(fā)平臺(tái)提供可視化圖形界面環(huán)境引導(dǎo)開發(fā)人員輸入診斷步驟、模擬激勵(lì)、數(shù)據(jù)激勵(lì)、信號(hào)類型、測(cè)試節(jié)電、儀器操作等,以完成測(cè)試診斷程序開發(fā)任務(wù);用戶界面編輯平臺(tái)生成診斷執(zhí)行界面的顯示內(nèi)容,完成人機(jī)界面的交互設(shè)置;數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)完成故障電路板型號(hào)統(tǒng)計(jì)和原器件統(tǒng)計(jì)分析、故障趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)試功能,實(shí)現(xiàn)故障診斷測(cè)試、信息分析反饋的融合。
軟件具有可視化引導(dǎo)功能,開發(fā)人員不需掌握復(fù)雜的程序編碼、專業(yè)性極強(qiáng)的智能診斷算法和專家系統(tǒng)原理,只需通過各種流程模塊和相應(yīng)的功能組件,輸入專家知識(shí)及必要的測(cè)試信息,即可建立一個(gè)具體的診斷軟件,提高了測(cè)試診斷開發(fā)效率。
電路板故障診斷專家系統(tǒng)及診斷方法
HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測(cè)試與診斷專家系統(tǒng)分知識(shí)庫和推理機(jī)兩部分。對(duì)于診斷知識(shí)庫,包括電路板的故障知識(shí)、正常知識(shí),知識(shí)庫的知識(shí)可以增加、修改、刪除及優(yōu)化。推理機(jī)采用基于普通推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯相結(jié)合的綜合智能推理機(jī),既可提高診斷推理速度,同時(shí)也可以提高故障隔離的精度。專家系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)逐步成熟的過程,隨著診斷知識(shí)的累積、優(yōu)化,故障診斷專家系統(tǒng)功能就會(huì)越來越強(qiáng)。該系統(tǒng)集成了規(guī)則推理、多重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、遺傳等多種診斷知識(shí)表示方式,提供了了基于淺層/深層知識(shí)的推理機(jī)制,基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)遺傳算法的智能診斷推理方式,具有完整的電路原理與網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的知識(shí)表示模型。
在診斷領(lǐng)域,模糊邏輯理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在知識(shí)表示、知識(shí)存貯、推理速度及克服知識(shí)窄臺(tái)階效應(yīng)等方面起到了很大的作用。模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既能表示定性的知識(shí)又能具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力和數(shù)據(jù)處理能力,從而大大拓寬了處理診斷信息的能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于涉及模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論這兩個(gè)較前沿的領(lǐng)域,應(yīng)用起來較復(fù)雜。主要用于故障模式比較復(fù)雜的電路板的診斷。診斷專家了解測(cè)試數(shù)據(jù)范圍,而且能夠較合理選擇模糊子集和模糊隸屬度的場(chǎng)合。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是確定模糊子集和模糊隸屬度后,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練需要的診斷知識(shí)很少,就能達(dá)到很高的診斷定位精度。
系統(tǒng)采用診斷樹的方式向用戶解釋診斷推理過程,提供對(duì)診斷過程中涉及到的測(cè)試流程、初始數(shù)據(jù)、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、交換數(shù)據(jù)、所用儀器和資源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、診斷執(zhí)行、推理方式等內(nèi)容的記錄和查詢;具有單步、斷點(diǎn)等多種調(diào)試方式;對(duì)于缺乏技術(shù)資料的UUT,提供了對(duì)比測(cè)試功能,支持整板功能對(duì)比測(cè)試、實(shí)板仿真測(cè)試、元器件在線測(cè)試等方式。
電路板測(cè)試方法通常為:首先確認(rèn)其資料是否齊全,原理是否清楚,若是,則將被測(cè)板分類,對(duì)不同類型的電路板根據(jù)電路板的具體情況采用相應(yīng)的診斷方法;若對(duì)被測(cè)板不熟悉,一般按照資料不全、原理不清楚的電路板診斷思路進(jìn)行測(cè)試診斷。
電路板故障診斷技術(shù)為電子設(shè)備提供有力保障
隨著高新技術(shù)發(fā)展,電子設(shè)備的維護(hù)保障提出了更高的要求,基于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)、人工智能技術(shù)的電子設(shè)備故障診斷系統(tǒng)是測(cè)試維修的重要手段之一,電路板故障診斷技術(shù)提高了板級(jí)產(chǎn)品維護(hù)保障能力,加快了現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修進(jìn)程,增強(qiáng)了電子設(shè)備使用壽命,在軍用武器電子裝備和民用電子設(shè)備的維護(hù)保障中都具有重要的意義,具有廣泛的應(yīng)用前景。(本文由“第五屆國(guó)際電子測(cè)試與測(cè)量專業(yè)研討會(huì)”組委會(huì)提供)
本文引自:南京變流器廠(中國(guó)人民解放軍第九七五四工廠)http://www.njblq.com/nanbian/NewsInfo.asp?