采用VXI總線儀器實現(xiàn)對電路板進行故障檢測和診斷

某機電控制系統(tǒng)采用了集中分布式計算機，其功能強，操作簡便，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(jié)，維修測試技術(shù)要求高。為了縮短排除電路板故障的時間，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(tǒng)的硬件

VXI(VME bus extension for instrumentation)總線是當前性能最先進的測控系統(tǒng)機箱底板總線之一，具有標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、模塊可重復使用、眾多儀器廠家支持等優(yōu)點。VXI總線標準及其產(chǎn)品的問世，在國內(nèi)外自動測試領域掀起了一場新的革命，對國際自動化測試技術(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(tǒng)以系統(tǒng)控制器、VXI總線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。選擇外掛式主控計算機，它內(nèi)配GPIB通信接口卡，通過GPIB-VXI翻譯器與VXI總線主機箱相連。內(nèi)嵌式計算機具有速度快、體積小和使用方便等優(yōu)點，但其成本太高且不易升級，因此仍選用外掛式。

(2)VXI總線主機箱及其測試儀器模塊?？紤]到VXI總線所具有的優(yōu)點，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總線主機箱，其測試儀器模塊可利用槽數(shù)為12個。雖然目前采購的測試儀器模塊只有4個，但空余的槽為系統(tǒng)的擴充和功能完善提供了可能。

在VXI總線主機箱中采用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;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)定的電壓源同時又便于程序控制，選擇臺式儀器HPE3631A和HPE3632A作為系統(tǒng)的程控激勵源。

(4)轉(zhuǎn)接器和通用適配器。該部分主要為激勵源和測量儀器設備與測試對象之間建立一個基本統(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上，設計了一個轉(zhuǎn)接器。設計轉(zhuǎn)接器是為了避免在更換通用適配器時電線和電纜的反復插拔和連接。所有激勵源、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鐘信號，系統(tǒng)還包括DF1631功率函數(shù)信號發(fā)生器1臺，它通過電纜與轉(zhuǎn)接器連接。以上前3個部分通過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，它能使上架式和臺式儀器相互間，以及與宿主計算機間進行通信。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，它仍是由獨立儀器構(gòu)成的自動測試系統(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。又出于性能價格比的考慮，所以電路板故障診斷系統(tǒng)以臺式儀器為主，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，易進行系統(tǒng)擴展和更新?lián)Q代，為以后系統(tǒng)的完善和發(fā)展打下堅實的基礎。

2. 故障診斷系統(tǒng)的軟件設計

故障診斷系統(tǒng)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位程序開發(fā)，由于它是一個多任務操作系統(tǒng)環(huán)境，因此各任務間既易于轉(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，是一個較理想的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件平臺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，如儀器控制、測量處理和測試報告，簡化在測試開發(fā)過程中所遇到的任務：系統(tǒng)集成、調(diào)試、結(jié)構(gòu)化編程設計和文檔處理。同時，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)時間。

從系統(tǒng)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測試系統(tǒng)決策平臺，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。在進入系統(tǒng)軟件主控模塊后，通過人機界面可調(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系統(tǒng)的組成及狀態(tài)和待測電路板的有關信息。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)，則自動加以提示。

(2)系統(tǒng)設備自檢。該子程序?qū)ο到y(tǒng)設備進行自檢，通過后可進入測試診斷程序，否則中止程序進一步執(zhí)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?qū)Υ郎y電路板進行故障檢測。故障檢測時首先根據(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備進行初始化并啟動共工作，接著對待測電路板進行初始化（如需要），然后依據(jù)測試診斷數(shù)據(jù)庫中的要求進行測試。將測量結(jié)果和測試診斷數(shù)據(jù)中的有關數(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的，在對某類型電路板進行測試診斷之前，必須建立與它對應的數(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、數(shù)字激勵、信號類型、測試節(jié)點、測試位置、特征范圍、正確情況、錯誤情況和提示信息等。在進行測試時，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、提示信息各項內(nèi)容，然后依照數(shù)據(jù)內(nèi)容對待測電路板施加激勵并讀取響應，將結(jié)果和預期值比較以決定下一步驟?？梢?，數(shù)據(jù)庫的正確建立是相當重要的，它是整個軟件部分的核心。

(6)測試診斷結(jié)果報告。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\斷是個難點。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)?；旌想娐返墓收显\斷，其主要作用有以下幾個方面:

①檢查電路的可測性。DES理論用離散數(shù)學中集合的和與積運算定義電路的可測，性，也即驗證通過可觀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中的每一個元素是由若干個狀態(tài)組成的集合，而每一個狀態(tài)即對應電路一個元件的故障或正常狀態(tài);再找到若干可觀測事件，根據(jù)每一個事件發(fā)生時電路可能和不可能所處的狀態(tài)建立對應該事件的分區(qū)(一個集合)，分區(qū)由兩個子集合組成，其中一個包含事件發(fā)生后電路可能所處的所有狀態(tài)，另一個包含事件發(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的分區(qū)依次逐一進行集合的積運算，最后得到的結(jié)果Tout(還是一個分區(qū))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，則必須增加可觀測的事件，否則診斷結(jié)果達不到預期效果。電路可測性的內(nèi)在含義是:只有任何兩個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，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。

②計算最小測試集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。

③找到故障隔離率。在選擇適當?shù)目捎^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)軟件設計面向測試過程，屬開放式軟件平臺，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)模混合電路的故障診斷方法需要實踐加以驗證。

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，繼承性好，適應性強，將具有廣闊的應用前景。