關于仿真的軍用電路板故障診斷系統(tǒng)研究

由于傳統(tǒng)的軍用電子裝備故障診斷所需故障信息獲取困難，且系統(tǒng)建立周期較長，因而提出建立一種基于仿真的電路板故障診斷系統(tǒng)來解決這些問題。該系統(tǒng)以智能測試和故障診斷技術作為研究對象，分析了在智能故障診斷系統(tǒng)中周到的故障模式分析、電路仿真、特征提取和故障定位等技

隨著軍用電子裝備性能的日益提高，其復雜程度也相應提高，電子設備的電路板功能越來越強大，但結構越來越復雜，種類也越來越繁多，這就對電路板的故障診斷技術提出了更高的要求，對電路的故障診斷也就成了電子設備維修保障的難點。

況且由于軍用新裝備列裝時間短，生產數量較少，使用地區(qū)分布廣，同時牽涉到保密等問題，相對的故障統(tǒng)計信息和維修經驗相對較少，如果完全通過實裝進行實驗或運行來積累裝備故障診斷所需的維修經驗，會對裝備造成較大的損耗，且周期較長，不利于裝備在使用壽命期內發(fā)揮其最大的效能，極大地限制了電子設備智能故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展，而基于電路故障仿真正是解決該問題的最佳選擇。

電路故障仿真技術的發(fā)展使得人們可以借助電路仿真軟件實現對電路板故障模擬的相關測試診斷。通過電路仿真分析工具能在計算機上提供軍用電子裝備電路實際的工作過程，可滿足用戶在計算機上完成電路的原理圖輸入、功能仿真、特性測試、故障設置和響應分析等。

1總體設計方案

本系統(tǒng)的總體設計思路如下：首先利用電路故障仿真技術建立裝備電路的仿真系統(tǒng)，然后通過電路仿真系統(tǒng)的故障復現和模擬，將專家知識與仿真結果有效融合，構建故障模型數據庫，研究適合裝備電路的故障診斷方法，建立電路的故障診斷系統(tǒng)，最終形成通用性、擴展性較強的電路板故障診斷系統(tǒng)。

從故障建模、故障注入，到電路仿真、數據分析，最終建立故障診斷系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設計主要分為分析部分、輸入部分、仿真部分和輸出部分四部分組成。電路板仿真故障診斷系統(tǒng)總體設計流程如圖1所示。

1.1 分析邵分

FMEA（Failure Mode and Effects Ahalysis，故障模式和影響分析）分析指對系統(tǒng)中每一故障模式的嚴重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度進行分類，將發(fā)生概率高、危害度大的故障選作故障集，而不必對所有元件的硬故障都予以考慮，有針對性地建立模型進行仿真，使大規(guī)模電路仿真得到了簡單化、實用化。通用元器件故障模式的確定，可參考引用權威的故障模式統(tǒng)計報告，如國產電子元器件可引用GJB299-C，國外電子元器件可引用MIL-HDBK-217F。

1.2輸入部分

根據FMEA分析，設置元器件故障參數。畫電路圖，標注各元件名稱及參數值，標注各元件節(jié)點及節(jié)點編號等；建立電路的輸入文件，輸入文件有兩種形式：一種是網表形式；另一種是原理圖形式。

1.3電路仿真部分

通過FMEA分析知道了系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的元件或子電路，并建立其故障模型，利用仿真軟件PSpice對電路進行仿真，采用靈敏度分析找出對電路測試點輸出影響最大的元件，并設置故障模式，再用蒙特卡羅分析法獲取電路在各個狀態(tài)模式下的信號波形。

1.4輸出部分

利用小波分析的“數學顯微鏡”等功能對電路輸出信號的故障特征進行提取，并進行歸一化處理，而后輸入BP神經網絡完成故障診斷。這樣既可以減少BP神經網絡輸入數目，簡化神經網絡結構，縮短訓練時間，又提高了辨識故障類別的能力。

2關鍵技術

2.1故障診斷系統(tǒng)搭建

在實際設計中，該系統(tǒng)設計是基于LabVIEW平臺開發(fā)的，內嵌數據庫軟件ACCESS，仿真工具PSpice，各種算法的開發(fā)工具Matlab，VC++6.0作為主程序的開發(fā)工具，主要負責各個軟件之間的調度協(xié)調。整個系統(tǒng)由四個功能模塊、一個主控模塊和人機界面組成。系統(tǒng)結構組成框圖如圖2所示。

2.2 Matlab讀取PSpice的仿真數據

利用PSpice的電路仿真功能，使用PSpice提供的元器件及故障模型，對電路進行直流分析、交流分析等，然后將所得到的輸出文件，尤其是波形文件導入Matlab中進行數據分析，例如可以進行頻譜分析、去噪等處理進行小波分析，提取某一區(qū)間的波形特征，可以進一步使用神經網絡進行特征的模式識別。

PSpice的輸出文件有．out格式和．dat格式兩種，再將這些文件導入Matlab中進行處理，對故障進行定位。PSpice波形文件可以使用．PLOT語句在．out文件中顯示?，F在將PSpiee的波形文件導入Matlab中進行處理。

在PSpice窗口中選擇File／Export／Text，在Export Text Data對話框中輸入保存路徑和保存的文件名，為了使Matlab讀取數據方便，一般將該文件的保存路徑設置為Matlab安裝目錄中的work文件夾。此時，Matlab對該文件的讀取有兩種方法：

（1）啟動Matlab，單擊File／Import Data，在Import窗口中選擇先前保存的．txt文件，在Import Wizard對話框中選擇Column separator為Space（空格），在Matlab的引導下將．txt文件的數據導人．dat矩陣中，就可以使用Matlab對PSpice的波形數據進行處理了。

（2）直接通過Matlab提供的函數編寫M文件，打開．txt文件，選擇import data函數：

第一種方法將PSpice輸出的文本格式的波形文件保存在ans矩陣中，在Matlab工作空間（WorkspaceBrowser）中雙擊ans矩陣就可以看到波形文件包含的內容了。第二種方法是將波形文件的內容存放在用戶自己定義的矩陣y中，此時就可以通過對矩陣y的操作來實現對PSpice輸出波形文件的進一步處理。

2.3 VC++6.0與Matlab混合編程

Matlab引擎是一組函數，通過這組函數，用戶可以．在自己的應用程序中實現對Matlab的控制，來完成復雜的計算和圖像繪制等任務，這就相當于把Matlab當作一個計算引擎。VC++與Matlab混合編程部分程序如下：

以上就完成了Matlab引擎的啟動，需要注意的是在運行完畢后應使用engClose（ep）函數關閉引擎。

在確定輸入參數符合要求后，使用Switch語句和if語句進行判斷使用的小波變換類型，運行相應的程序，使用engEvalString（）函數可以執(zhí)行Matlab命令，從而實現對PSpice輸出波形文件進行繪圖或者小波變換。

3 結 語

以某新型導彈二次電源為研究對象，運用電路故障仿真技術在計算機上完成了電路的功能仿真和故障模擬，建立了裝備電路的仿真系統(tǒng)和診斷維修系統(tǒng)，實現了主要電路元件級的故障診斷。實際應用結果顯示，該故障診斷系統(tǒng)具有通用性、擴展性較強等特點，能支持維修人員在計算機上對電路的任意元件設置故障，進行故障模擬和維修教育訓練，有效地提高了該新型裝備電路的維修效率和質量，用戶根據不同的需求擴展為其他裝備的電路板故障診斷系統(tǒng)，為裝備電路板的維修保障提供了有效手段。

編輯：jq