基于GPIB/VXI/IEEE1394總線的板級(jí)電路功能測(cè)試和故障診斷自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng) - 全文

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)對(duì)電子裝備發(fā)展的支撐作用越來(lái)越突出，測(cè)試保障裝備建設(shè)已受到前所未有的重視。為保證實(shí)際應(yīng)用時(shí)集成度越來(lái)越高的電子設(shè)備能有效、可靠的工作，得出較精確的數(shù)據(jù)，就需要一種高效率的測(cè)試設(shè)備來(lái)滿足不同電子設(shè)備的性能測(cè)試和故障診斷。因此，構(gòu)建了由GPIB、VXI、IEEE1394三總線構(gòu)成的用于飯極電路的功能測(cè)試和故障診斷的多總線自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通用性、易操作等優(yōu)點(diǎn)，降低了測(cè)試成本，在提高故障診斷效率的同時(shí)使電路的自動(dòng)測(cè)試更加簡(jiǎn)便。并采用基于遺傳算法的支持向量機(jī)做分類器，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行診斷，提高了故障診斷的正確性。

1 多總線自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

該多總線自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)主要有測(cè)試機(jī)箱、主控計(jì)算機(jī)及數(shù)?；旌辖涌谶m配器三大部分組成，其中測(cè)試機(jī)箱包括了程控電源與VXI總線機(jī)箱兩部分，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測(cè)試機(jī)箱的核心部分——VXI總線機(jī)箱。VXI總線技術(shù)經(jīng)多年的發(fā)展已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化，具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、數(shù)據(jù)喬吐能力強(qiáng)、可靠性高、定時(shí)和同步準(zhǔn)確以及模塊可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。VXI總線機(jī)箱由雙通道50 MHz任意波形發(fā)生器、6．5位數(shù)字多用表、2通道示波器、64通道時(shí)序數(shù)字I／O、4通道A／D、4通道D／A、32通道繼電器開(kāi)關(guān)、8×32矩陣開(kāi)關(guān)等模塊化儀器構(gòu)成。VXI模塊化儀器體積小，節(jié)約空間，方便運(yùn)輸。VXI的這些性能優(yōu)點(diǎn)有力的保障了測(cè)試與診斷過(guò)程的高正確率與高運(yùn)行速率。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)具有高速傳輸優(yōu)勢(shì)的1394總線與VXI總線機(jī)箱內(nèi)的零槽控制器進(jìn)行通信、用于整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的全局監(jiān)控。

測(cè)試人員通過(guò)主控計(jì)算機(jī)，可有效的控制測(cè)試機(jī)箱，進(jìn)而完成測(cè)試。主控計(jì)算機(jī)的主要構(gòu)成部分有人機(jī)接口用戶界面、數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊、測(cè)試儀器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障字典數(shù)據(jù)庫(kù)、功能檢測(cè)流程、故障診斷流程及其他控制模塊。各功能模塊的有機(jī)結(jié)合可幫組測(cè)試人員有效的完成測(cè)試工作。

主控計(jì)算機(jī)經(jīng)GPIB總線與程控電源相連，程控電源包含了雙路直流程控源和一路交流程控源。GPIB總線技術(shù)的應(yīng)用已比較成熟，大量的測(cè)試儀器都帶有GPIB接口。通過(guò)GPIB接口，可以將若干臺(tái)基本儀器和計(jì)算機(jī)儀器搭成積木式的測(cè)試系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)的控制下完成復(fù)雜的測(cè)量。該測(cè)試系統(tǒng)采用的是并行的連接方式，使計(jì)算機(jī)可同時(shí)控制3路程控電源，滿足電路測(cè)試中的各種電壓需求。
數(shù)?；旌辖涌谶m配器與測(cè)試機(jī)箱相連，測(cè)試機(jī)箱給適配器提供相應(yīng)的電源信號(hào)與測(cè)試激勵(lì)信號(hào)。適配器通過(guò)適配板與被測(cè)板相互通信，并將測(cè)試所得的數(shù)據(jù)反饋給測(cè)試機(jī)箱，由測(cè)試機(jī)箱將數(shù)據(jù)上傳至主控計(jì)算機(jī)。在測(cè)試進(jìn)行過(guò)程中可用數(shù)?；旌辖涌谶m配器配套的數(shù)字探筆和模擬探筆對(duì)被測(cè)板的重要中間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)構(gòu)如圖2所示。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更方便測(cè)試的執(zhí)行。

適配器與被測(cè)板中間加入的適配板能有效的保護(hù)被測(cè)板，防止測(cè)試過(guò)程中由于人為操作的失誤或是測(cè)試程序錯(cuò)誤及測(cè)試儀器故障引起的瞬時(shí)電壓或電流過(guò)大，而導(dǎo)致的被測(cè)板損壞或?qū)y(cè)試人員的危害。同時(shí)適配板可對(duì)被測(cè)板測(cè)試所需的電源信號(hào)與測(cè)試激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)壓與濾波等輔助操作，提高了測(cè)試信號(hào)的質(zhì)量與測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)而提高了故障診斷的正確性。

2 基于遺傳算法的支持向量機(jī)分類器

支持向量機(jī)(SVM)就是先通過(guò)用內(nèi)積函數(shù)定義的非線性變換將輸入空間變換到一個(gè)高維空間，再在這個(gè)空間中求最優(yōu)分類面。它的主要思想就是建立一個(gè)超平面作為決策面，該決策面不但能夠?qū)⑺杏?xùn)練樣本正確分類，而且使訓(xùn)練樣本中離分類面最近的點(diǎn)到分類面的距離最大。

遺傳算法(GA)是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制而形成的全局尋優(yōu)算法。先產(chǎn)生初始種群，通過(guò)選擇、交叉和變異操作，產(chǎn)生一群更適合環(huán)境的個(gè)體，經(jīng)過(guò)一代又一代的進(jìn)化，使種群最后收斂到一群最適合環(huán)境的個(gè)體，求得問(wèn)題的最優(yōu)解。

把遺傳算法應(yīng)用于SVM的基本方法如下：

1)輸入樣本數(shù)據(jù)集，分配好訓(xùn)練樣本與診斷樣本，并將樣本數(shù)據(jù)歸一化。

2)參數(shù)初始化。即初始化一些基本參數(shù)，有GA算法中的最大進(jìn)化代數(shù)、種群最大數(shù)量、交叉與變異概率及SVM中的懲罰參數(shù)C與核函數(shù)中參數(shù)的變化范圍、交叉驗(yàn)證的次數(shù)。

3)對(duì)要優(yōu)化的參數(shù)C與進(jìn)行二進(jìn)制編碼，并按其分布均勻抽取一些個(gè)體組成一個(gè)初始種群。均勻抽取而成的初始種群比隨機(jī)抽取的可獲得的信息量更大，對(duì)算法更有優(yōu)勢(shì)。

4)將SVM的故障分類正確率設(shè)定為個(gè)體適應(yīng)度，分類正確率越高則個(gè)體適應(yīng)度越大。按照個(gè)體適應(yīng)值的大小，從種群中選出適應(yīng)值較大的個(gè)體進(jìn)入下一代。

5)進(jìn)行交叉和變異操作，形成新一代的種群。

6)當(dāng)平均適應(yīng)度值變化持續(xù)小于某一常數(shù)并超過(guò)一定代數(shù)時(shí)，得到具有最大適應(yīng)的個(gè)體作為最優(yōu)解輸出，并將得到的最優(yōu)解譯碼行得到優(yōu)化的參數(shù)。否則反復(fù)執(zhí)行3～5步。

7)把前一步得到的優(yōu)化參數(shù)作為SVM分類器主要參數(shù)C與的采用值，進(jìn)行樣本訓(xùn)練與故障分類。
融合了遺傳算法的SVM既保留了SVM算法的優(yōu)勢(shì)，又并入了遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)。從分布均勻的多個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的群體開(kāi)始搜索，在尋求最優(yōu)解的過(guò)程中只需由目標(biāo)函數(shù)值轉(zhuǎn)換得到的適應(yīng)值，而不需其它輔助信息，使算法更加簡(jiǎn)單且不易陷入局部最優(yōu)解的困境中。并避開(kāi)了原SVM算法中參數(shù)C選值困難的劣勢(shì)，提高了分類器的分類正確率。

3 電路診斷實(shí)例

整個(gè)故障診斷測(cè)試過(guò)程可用流程圖表示出來(lái)如圖3所示。在正確安裝好適配板后系統(tǒng)加電，判定系統(tǒng)提供的測(cè)試電壓無(wú)誤后，正確安裝上被測(cè)板，進(jìn)入各項(xiàng)功能測(cè)試階段。對(duì)各功能模塊逐步測(cè)試，若所有功能都通過(guò)測(cè)試，沒(méi)有測(cè)出不正常值，則系統(tǒng)顯示電路板功能正常，系統(tǒng)斷電，測(cè)試結(jié)束。若測(cè)試過(guò)程中得出一個(gè)或一個(gè)以上的錯(cuò)誤值，測(cè)試系統(tǒng)將進(jìn)入故障診斷測(cè)試部分。

以含常用元器件較多的繼電器開(kāi)關(guān)控制電路為例，電路如圖4所示。當(dāng)電路中的某個(gè)元器件發(fā)生故障，如電阻開(kāi)路或是運(yùn)放故障，輸出信號(hào)的電壓幅值、高值、低值、頻率和占空比等特性會(huì)發(fā)生變化，測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)將這些電路特性值保存下來(lái)，留作樣本數(shù)據(jù)使用，再采用分類器進(jìn)行故障診斷。

將測(cè)試得到250個(gè)樣本，前100個(gè)做訓(xùn)練樣本，剩余的150個(gè)做測(cè)試樣本。訓(xùn)練集與測(cè)試集經(jīng)數(shù)據(jù)歸一化預(yù)處理后，用一般的支持向量機(jī)與基于遺傳算法的支持向量機(jī)分別進(jìn)行故障診斷。診斷結(jié)果如表1所示?；谶z傳算法的分類器故障診斷的正確率可高達(dá)99．33％。

4 結(jié)論

該多總線自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)將多種測(cè)試儀器集成于一體，方便了測(cè)試。采用高傳輸速率的VXI與1394總線縮短了電路板測(cè)試過(guò)程中測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸及處理的時(shí)間，從而提高了測(cè)試的效率。系統(tǒng)通過(guò)不同的測(cè)試診斷程序，可測(cè)試不同的電路板，具有通用性與實(shí)用性，避免了測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)而造成的資金浪費(fèi)，降低了測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與維護(hù)的成本。并在該測(cè)試系統(tǒng)資源平臺(tái)上增加了采用基于遺傳算法的支持向量機(jī)分類器，提高了電路診斷的正確率。

 

 

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM