王 朕，秦 亮，王朝轟

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001； 2.海軍91115部隊(duì)，浙江 定海 316000)

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基于PXI總線的便攜式引進(jìn)裝備通用電路板故障診斷儀的設(shè)計(jì)

王 朕1，秦 亮1，王朝轟2

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001； 2.海軍91115部隊(duì)，浙江 定海 316000)

為提高引進(jìn)裝備的自主維修保障能力，針對(duì)引進(jìn)導(dǎo)彈裝備模擬電路板、數(shù)字電路板和數(shù)模混合電路板的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合各型板卡安裝的安裝平臺(tái)，構(gòu)建了基于PXI總線的一體化硬件診斷資源平臺(tái)；運(yùn)用基于電壓/電流的復(fù)合故障診斷方法及深淺知識(shí)推理機(jī)相結(jié)合的故障診斷策略完成故障診斷；研制了一型便攜式通用電路板故障診斷儀；該診斷儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活，攜帶方便，能夠有效完成引進(jìn)導(dǎo)彈裝備中的數(shù)字電路、模擬電路和數(shù)模混合電路快速、精確的故障診斷，診斷精度可定位至器件管腳。

PXI總線; 便攜式; 知識(shí)推理機(jī); 故障診斷

0 引言

20世紀(jì)90年代，我國(guó)從俄羅斯引進(jìn)現(xiàn)代級(jí)軍艦、基洛級(jí)潛艇、Su-27戰(zhàn)斗機(jī)等軍用裝備及配套反艦、防空、潛射、空空等多種類型的導(dǎo)彈和測(cè)試設(shè)備，經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用，這些裝備已進(jìn)入故障高發(fā)期；同時(shí)，立足于引進(jìn)裝備的維修保障能力自主化的要求，亟需研制一批配套檢測(cè)、診斷設(shè)備。上述引進(jìn)裝備設(shè)計(jì)、定型、生產(chǎn)于20世紀(jì)70～80年代，并且俄羅斯電子制造技術(shù)及工藝較為落后，導(dǎo)致引進(jìn)裝備中包含大量由分立元件、集成度很低的數(shù)字芯片組成的模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)模混合電路。目前，蓬勃發(fā)展的PXI總線技術(shù)由美國(guó)國(guó)家儀器公司在1997年推出，它綜合了PCI、CompactPCI堅(jiān)固的插卡結(jié)構(gòu)、VME總線、VXI總線和GPIB總線的優(yōu)點(diǎn)，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、兼容性強(qiáng)、模塊化、小型化、高性能和高集成度的特點(diǎn)，迅速應(yīng)用于各領(lǐng)域的測(cè)試、診斷平臺(tái)技術(shù)[1-2]。本文采用PXI總線技術(shù)，在充分調(diào)研引進(jìn)裝備模擬電路板、數(shù)字電路板和數(shù)模混合電路板機(jī)械、電氣特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電路板安裝平臺(tái)，綜合運(yùn)用基于電壓/電流測(cè)試的故障診斷技術(shù)及深淺知識(shí)推理機(jī)相結(jié)合的故障診斷策略、構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，研制了便攜式數(shù)?；旌想娐饭收显\斷儀。

1 總體設(shè)計(jì)

綜合考慮到被測(cè)對(duì)象電氣接口具有一定的通用性及診斷儀的便攜性，在硬件平臺(tái)上采用兩部分設(shè)計(jì)。一部分是主機(jī)箱，包括PXI測(cè)控機(jī)箱、PXI測(cè)試資源(程控直流電源、數(shù)字化儀、數(shù)表、矩陣等)、鍵盤(pán)、顯示器、鼠標(biāo)，內(nèi)部采用PXI總線，標(biāo)準(zhǔn)接口采用VPC iCon系列海量連接器，總體上該部分優(yōu)先選用成熟貨架產(chǎn)品；另一部分為被測(cè)對(duì)象機(jī)械安裝平臺(tái)，針對(duì)被測(cè)對(duì)象特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)械接口，并能提供必要的專用直流電源。考慮到便攜性，每個(gè)部分的長(zhǎng)寬高不超過(guò)40 cm×40 cm×30 cm，重量不超過(guò)15 kg。軟件上，利用Windows XP操作系統(tǒng)和Lab Windows/CVI開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試程序；軟件驅(qū)動(dòng)程序源代碼具有開(kāi)放性、儀器模塊具有互操作性，并能滿足二次開(kāi)發(fā)測(cè)試程序的要求，軟件整體上技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠、靈活易用。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖1 被測(cè)對(duì)象安裝平臺(tái)示意圖

圖2 硬件平臺(tái)資源及連接關(guān)系

被測(cè)對(duì)象安裝平臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)，由機(jī)箱、VPC連接器、母板、測(cè)試適配板、被測(cè)對(duì)象固定裝置等組成，箱體采用優(yōu)質(zhì)鋼板噴塑制作，母板用螺栓緊固于在平臺(tái)上，整體外形示意圖如圖1所示。系統(tǒng)測(cè)試所需硬件資源通過(guò)VPC iCon連接器接入，采用軟連接的方式與母板連接，母板固定在箱體的上表面。測(cè)試適配板完成被測(cè)對(duì)象與母板之間的轉(zhuǎn)換，測(cè)試適配板與母板之間采用歐卡連接器硬連接，被測(cè)對(duì)象與轉(zhuǎn)接板之間采用特定連接器硬連接。測(cè)試適配板根據(jù)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試要求進(jìn)行制作，不同的UUT配置不同的測(cè)試適配板。

UUT固定裝置安裝在滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上，根據(jù)用戶不同的被測(cè)對(duì)象UUT，可實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)夾持位置，然后緊固與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上，以便用戶檢測(cè)。在設(shè)備上提供示波器(DSO)、萬(wàn)用表(DMM)信號(hào)連接接口，便于接入示波器探頭、萬(wàn)用表表筆，方便UUT的測(cè)試與檢修。在安裝平臺(tái)內(nèi)配置了+27 V、+5 V和±15 V專用電源模塊，并在平臺(tái)面板上裝配一個(gè)電源開(kāi)頭按鈕，用于緊急情況下切斷所有供電電源，電源開(kāi)關(guān)按鈕通過(guò)安裝平臺(tái)內(nèi)的一組繼電器實(shí)現(xiàn)電源的通斷控制。設(shè)備配置一塊通用測(cè)試適配板，將標(biāo)準(zhǔn)接口上的信號(hào)從鳳凰端子接出，同時(shí)預(yù)留部分接其他專用信號(hào)的鳳凰端子，進(jìn)行快速檢修。母板與測(cè)試適配板之間通過(guò)歐卡連接器連接。在測(cè)試適配板上配置起撥器，方便測(cè)試適配板的插拔。用助拔器拔插裝置，然后連接板周邊用螺栓緊固，將測(cè)試適配板固定在平臺(tái)上。其中助拔器的選用及安裝位置，在測(cè)試適配板上預(yù)留安裝位置。當(dāng)用戶使用不同測(cè)試適配板時(shí)，被測(cè)板的插槽位置也有所不同，因此采用滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)針對(duì)被測(cè)板的夾持位置，以便用戶檢測(cè)。

2.2 硬件資源平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用PXI貨架產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，PXI硬件資源由PXI機(jī)箱、PXI控制器、PXI功能模塊組成，所有的PXI功能模塊都安裝在PXI機(jī)箱內(nèi)，模塊驅(qū)動(dòng)程序都安裝在PXI控制器上，硬件資源連接關(guān)系如圖2所示，PXI功能模塊的型號(hào)、數(shù)量、名稱如表1所示。

PXI控制器采用基于Intel Core2 Duo處理器，實(shí)現(xiàn)CompactPCI/PXI總線控制與訪問(wèn)，滿足基于CompactPCI/PXI設(shè)備模塊所需系統(tǒng)控制器的要求，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)PXI模塊的管理與資源分配、與模塊的通訊；數(shù)字化儀模塊用作示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量；ADC模塊和DAC模塊分別完成模擬量輸入/數(shù)字量輸出和數(shù)字量輸入/模擬量輸出功能；8×32矩陣開(kāi)關(guān)模塊和8×16矩陣開(kāi)關(guān)模塊共同搭建16×32的開(kāi)關(guān)矩陣完成數(shù)表、頻率測(cè)量等模塊的分時(shí)復(fù)用；直流電源模塊提供隔離輸出±20 V/2 A(40 W)的電源；數(shù)表模塊實(shí)現(xiàn)交直流電壓、交直流電流、二線電阻、四線電阻的測(cè)量，并具有自動(dòng)測(cè)量、過(guò)載保護(hù)等功能；數(shù)字化儀模塊完成對(duì)交直流信號(hào)的采集；高速數(shù)字I/O模塊采樣頻率達(dá)20 MHz，完成對(duì)高頻信號(hào)的輸入/輸出；數(shù)字I/O模塊主要用于5 V的TTL/CMOS邏輯信號(hào)的輸入/輸出，并具有可編程濾波功能；頻率測(cè)量模塊提供8個(gè)32位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，能可靠、精確地完成頻率測(cè)量功能；64通道單刀雙擲繼電器模塊切換能力達(dá)60 W/62.5 VA，最大工作電流達(dá)1 A，最大切換電壓達(dá)100 VDC/100 VAC；信號(hào)源模塊可輸出正弦波、方波、三角波或其他任意波形，存儲(chǔ)深度可達(dá)64 MSa/通道，并支持單次、連續(xù)和任意波形序列輸出；PXI機(jī)箱采用一體化機(jī)箱，采用上翻式結(jié)構(gòu)，提供鍵盤(pán)、觸控板等人機(jī)接口外設(shè)。

3 故障診斷策略與軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)

3.1 故障診斷策略

3.1.1 診斷方法的選擇

電路板的故障診斷離不開(kāi)激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量，電信號(hào)有電壓信號(hào)和電流信號(hào)之分；因此，對(duì)電路板的故障診斷可分為基于電壓測(cè)量和基于電流測(cè)量的故障診斷方法。對(duì)模擬電路而言，典型的故障診斷方法有故障字典法、元件參數(shù)解法、預(yù)猜驗(yàn)證法和逼近法；對(duì)數(shù)字電路而言，典型的故障診斷方法有窮舉法、偽窮舉法、布爾差分法、D算法、邊界掃描法、特征分析法、九值算法；上述方法均為基于電壓測(cè)量的方法。由于數(shù)字電路規(guī)模的增加及CMOS芯片的應(yīng)用，基于電源電流的故障診斷方法在數(shù)字電路故障診斷中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?；陔娐返墓收显\斷方法有靜態(tài)電流法和動(dòng)態(tài)電流法，靜態(tài)電流法在數(shù)字電路板是否發(fā)生故障的診斷上非常有效，動(dòng)態(tài)電流法進(jìn)一步提高了數(shù)字電路板的診斷效率[4]?；陔娏鞯墓收显\斷方法有效補(bǔ)充了基于電壓故障診斷方法的缺點(diǎn)，有效提高了數(shù)字電路故障診斷的準(zhǔn)確率。對(duì)于數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷，通常有兩種方法：一種是將電路板的數(shù)字部分和模擬部分分開(kāi)診斷[3]；另一種是采用智能故障診斷方式直接診斷。

表1 PXI功能模塊清單

本文設(shè)計(jì)研制的故障診斷儀綜合采用了基于電壓和基于電流的故障診斷方法，可根據(jù)被測(cè)電路板是模擬電路、數(shù)字電路還是數(shù)模混合電路自動(dòng)或手動(dòng)選取診斷方法。

3.1.2 故障診斷策略推理機(jī)制

對(duì)于復(fù)雜的電路，采用基于深淺知識(shí)結(jié)合的推理機(jī)制完成故障診斷。推理機(jī)是推理機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)，推理機(jī)制又稱控制策略，是故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵。作為故障診斷系統(tǒng)的信息組織與流程控制機(jī)構(gòu)的推理機(jī)，能夠根據(jù)診斷對(duì)象的狀態(tài)信息，從知識(shí)庫(kù)中選取相關(guān)的知識(shí)并按一定的推理策略進(jìn)行推理，直到得出相應(yīng)的結(jié)論。根據(jù)引進(jìn)導(dǎo)彈電路板的特點(diǎn)及在線測(cè)試、脫機(jī)診斷、現(xiàn)場(chǎng)維修的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種模擬人類專家診斷思維過(guò)程的、具有很強(qiáng)通用性的故障診斷策略診斷推理機(jī)。在推理方法上，采用了深、淺知識(shí)推理結(jié)合的混合型推理方案，很好的結(jié)合了兩種推理模式的優(yōu)點(diǎn)，提高了推理機(jī)的性能；在推理方向上，采用了正、反向推理相結(jié)合的雙向推理設(shè)計(jì)，有效提高了推理效率；在推理機(jī)制上，采用了深淺知識(shí)推理機(jī)相結(jié)合的推理機(jī)制，在推理機(jī)搜索方法上采用了深度優(yōu)化和“最大、最近、最易相關(guān)”的搜索策略，模擬了人類專家在故障診斷時(shí)的一般思維規(guī)律，提高了搜索效率和可信性。深淺知識(shí)推理機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 深淺知識(shí)推理機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件平臺(tái)的功能與開(kāi)發(fā)

3.2.1 軟件平臺(tái)的基本功能

軟件平臺(tái)提供被對(duì)象測(cè)試診斷程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境，并通過(guò)儀器模塊接口控制標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口上的硬件資源完成被測(cè)對(duì)象的測(cè)試及故障診斷，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理功能、用戶管理功能、數(shù)據(jù)管理功能和診斷推理功能，并預(yù)留網(wǎng)絡(luò)控制功能。設(shè)備管理用于檢測(cè)與維修設(shè)備儀器的構(gòu)成和變化情況，完成系統(tǒng)的配置和升級(jí)，主要包括儀器模塊的注冊(cè)、增加、刪除、更換、驅(qū)動(dòng)管理和自檢等功能；用戶管理實(shí)現(xiàn)用戶創(chuàng)建、密碼修改、系統(tǒng)管理員和操作測(cè)試員的權(quán)限分配等功能；數(shù)據(jù)管理用于完成既往測(cè)試及診斷數(shù)據(jù)的管理以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理及維護(hù)，主要包括數(shù)據(jù)完整性檢查、技術(shù)狀態(tài)的查詢與了解、數(shù)據(jù)的添加、數(shù)據(jù)的刪除、數(shù)據(jù)的修改、數(shù)據(jù)的導(dǎo)出及數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等功能；診斷推理是故障診斷儀的核心，用來(lái)完成對(duì)故障板卡的測(cè)試及故障診斷，主要以知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)、采用3.1中的故障診斷策略、運(yùn)用推理機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的故障診斷。

3.2.2 軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

本文應(yīng)用Lab Windows CVI軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境在Windows XP操作系統(tǒng)下、采用自頂向下的程序設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了故障診斷儀的軟件平臺(tái)。軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括操作系統(tǒng)安裝、診斷程序界面設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝、PXI儀器模塊驅(qū)動(dòng)及調(diào)試、診斷程序流程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、軟件平臺(tái)的應(yīng)用與驗(yàn)收等內(nèi)容，軟件開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

根據(jù)用戶需求，軟件平臺(tái)(診斷運(yùn)行程序)實(shí)際運(yùn)行界面如圖5所示。其中，1區(qū)用來(lái)實(shí)現(xiàn)已安裝或增加的PXI儀器模塊的單獨(dú)調(diào)試同能；2區(qū)為診斷儀系統(tǒng)組成及自檢顯示界面，用于判斷系統(tǒng)中PXI儀器模塊的狀態(tài)及整體運(yùn)行狀況；3區(qū)用于對(duì)故障板卡進(jìn)行診斷時(shí)資源利用狀態(tài)顯示；4區(qū)為故障診斷時(shí)，程序運(yùn)行步驟及每個(gè)步驟資源利用情況顯示區(qū)；5區(qū)為根據(jù)診斷步驟，自動(dòng)生成的診斷流程，用于輔助分析；6區(qū)為診斷程序的關(guān)鍵語(yǔ)句展示。在診斷過(guò)程中，根據(jù)用戶需求及設(shè)置，

圖4 軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程

測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試類型 模擬電路數(shù)字電路數(shù)?；旌想娐纺K數(shù)量故障數(shù)(定位數(shù))模塊數(shù)量故障數(shù)(定位數(shù))模塊數(shù)量故障數(shù)(定位數(shù))反艦導(dǎo)彈設(shè)備36(5)47(7)47(6)反艦導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備33(3)35(5)58(8)防空導(dǎo)彈設(shè)備44(3)34(4)58(7)防空導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備55(5)48(8)24(3)

可以自動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)；診斷結(jié)束后，用戶可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或通過(guò)4區(qū)和5區(qū)的分析將故障定位。

圖5 診斷程序運(yùn)行界面

4 應(yīng)用及分析

該故障診斷儀研制成功后，維修人員根據(jù)系統(tǒng)及被診斷對(duì)象的工作原理編寫(xiě)故障診斷程序(激勵(lì)信號(hào)及步驟，響應(yīng)信號(hào)記錄與分析)，對(duì)引進(jìn)導(dǎo)彈及測(cè)試設(shè)備中模擬電路故障模塊、數(shù)字電路故障模塊和數(shù)模混合電路故障模塊3型共45塊進(jìn)行診斷，其結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，該故障診斷儀對(duì)模擬電路故障模塊的故障定位率達(dá)89%；對(duì)數(shù)字電路故障模塊的故障定位率達(dá)100%；對(duì)數(shù)?；旌想娐饭收夏K的故障定位率達(dá)92.5%。由于模擬電路的故障定位比數(shù)字電路的故障定位要困難，上述應(yīng)用結(jié)果也符合故障診斷的客觀規(guī)律。

目前，該故障診斷儀內(nèi)存了已進(jìn)行試驗(yàn)的45型模塊的故障診斷程序，用戶可以直接利用這些程序?qū)?5型模塊中的任何一種進(jìn)行故障診斷，也可在該診斷程序的基礎(chǔ)上改進(jìn)診斷策略或方法以提高故障的定位率；此外，用戶可以根據(jù)需要自己增加、刪除其他模塊的故障診斷程序。試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析表明，提高數(shù)字電路故障診斷率或故障定位率的關(guān)鍵因素是診斷策略的選擇和診斷程序的編寫(xiě)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于PXI總線設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)便攜式引進(jìn)裝備數(shù)?；旌想娐钒骞收显\斷儀，完成了被測(cè)電路板安裝平臺(tái)、硬件資源平臺(tái)設(shè)計(jì)，采用基于電壓/電流信號(hào)的故障診斷方法，運(yùn)用深淺知識(shí)推理機(jī)故障診斷策略，在Lab Windows CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成軟件設(shè)計(jì)。該故障診斷儀的成功研制為引進(jìn)導(dǎo)彈裝備自主維修工作提供了有力的支持，實(shí)踐應(yīng)用還表明該故障儀還具有集成度高、體積小、重量輕、便于攜帶、技術(shù)水平較高等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 姜景偉，李國(guó)林，路翠華.基于PXI總線的導(dǎo)彈引控自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2014(10)：87.

[2] 察應(yīng)坤，李 煒，杜 勝.基于PXI技術(shù)的飛控計(jì)算機(jī)通用測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)建[J].測(cè)控技術(shù), 2014(3)：102.

[3] 徐 磊，陳圣儉，王月芳，等.數(shù)模混合電路測(cè)試與故障診斷方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2010(8):1709.

[4] 陳 飛.基于電源電流測(cè)試的數(shù)字電路故障診斷研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2008.

Design of Portable All-purpose Circuits Fault Diagnosis Device for Imported Armaments Based on PXI Bus

Wang Zhen1, Qin Liang1, Wang Chaohong2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,China;2.Naval 91115 Army, Dinghai 316000,China)

For improving independent maintaining-ability about the imported armament in China, one portable all-purpose circuits fault diagnosis device is designed and developed. The fixing-platform is designed for the analog circuits, digital circuits and mixed-signal circuits of the imported armaments. The integrated diagnose hardware resources platform is built based on PXI bus. The complex fault diagnosis method based on voltage measurement and current measurement and the fault diagnosis stratagem based on knowledge deduces mechanism are applied in this device. The fault diagnosis has advantages of compact framework, portable carry, the fault located accuracy etc.

PXI bus; portable; knowledge deduces mechanism; fault diagnosis

2015-09-25；

2015-11-12。

王 朕(1979-)，男，山東聊城人，講師，工學(xué)碩士，主要從事測(cè)試?yán)碚摻虒W(xué)與裝備維修保障工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0099-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.027

TP3

A