维普资讯 http://www.cqvip.com 火炮发射与控制学报 第３期 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＮ ＬＡＵＮＣＨ＆ＣＯＮＴＲＯＬ ・ ５３ ・ 基于ＥＤＡ技术的电路板维修测试系统研究 许军，曹 勇，张新喜，韩菊 （装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２） 摘要：针对某新型装甲车辆电路板的维修现状，利用ＥＤＡ技术在计算机上完成了电路的功能仿真和故 障模拟，研究开发了具有通用插槽的电路板自动检测仪，可用一个测试插槽检测多个不同的电路板；针对军 品电路可测结点严重受限的实际问题，提出了线性电路故障诊断的结点电压灵敏度比值法；建立了电路故障 数据库和诊断测试系统。该系统主要用于装甲车辆电路板元件级的故障检测和辅助维修，具有可扩展性和通 用性。 关键词：电子技术；测试系统；ＥＤＡ技术；电路故障诊断；装甲车辆 中图分类号：ＴＮ７０７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—６５２４（２００７）０３—００５３—０５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＤＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＸＵ Ｊｕｎ，ＣＡｏ Ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ—ｘｉ，ＨＡＮ Ｊｕ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｒｍｏｒｅｄ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ， ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ＰＣ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＥＤＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ａｎｄ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｃｏｍｍｏｎ ｐｌｕｇ—ｉｎ ｓｌｏｔ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｅｘａｍｉｎｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄｓ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｏｎｅ ｃｏｍｍｏｎ ｔｅｓｔ ｓｌｏｔ．Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｘ— ａｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆ ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｎｏｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａ ｆａｕｌｔ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ａ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ ｕｐ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｆａｕｌｔｓ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ｅｌｅ— ｍｅｎｔ ｏｆ ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｅｘｔｅｎｄｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＥＤＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉ— Ｃ１ａｓ 电子设备维修保障的难点是电路的故障诊断。 种测试夹；对模拟电路板则多采用标准板作对照测 目前，电路板的故障检测主要通过人工、专用自动 试，通过比较好、坏电路板相应端口的特性，确定故 测试设备或通用电路维修测试仪器完成。一般而 障点和故障元件。这类仪器的通用性和扩展性较 言，专用的自动测试设备针对性强、自动化程度高、 好，但检测效率和诊断精度较低，而且需要较多的 诊断精度高，但通用性和扩展性较差，测试成本比 测试点，不适合武器装备电路板的维修测试。目 较高Ｈ］。随着电子设备复杂程度的提高，其测试成 前，元件级的电路板故障检测主要还是靠人工、凭 本已占设备总成本的３Ｏ 以上［２］。而通用的电路 经验，维修质量不易保证。特别是对一些使用不久 维修测试仪器对数字电路板主要采用逐个芯片测 的新装备，由于故障统计信息和维修经验相对较 试的方法，需要针对芯片的不同封装和型号配置多 少，维修保障的难度更大。为此，笔者以某新型坦 收稿日期：２００６一Ｏ９一ｌ４；修回日期：２００７—０２—０７ 作者简介：许军（１９６１一），女，教授，主要从事检测技术与电路故障诊断研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｊ７１９２２２＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ ５４ ・ 火炮发射与控制学报 ２００７年９月 克为研究对象，运用电子设计自动化（ＥＤＡ）技术， 测仪采用ＦＰＧＡ设计，使不同的待测电路板能插接 在同一插座上完成自动检测。而维修测试系统软 件的作用则是在电路仿真系统和故障模型数据库 的支持下，实现电路板的测试扫描和故障元件定 位。 设计研制了一套检测精度和效率较高、通用性和扩 展性较强：测试成本相对较低的元件级电路板维修 测试系统。 １ 系统总体设计 ＥＤＡ是现代电子系统设计的重要技术，利用其 同时，为增强系统的通用性和实用性，在总体 方案中将系统设计成自动和手动两种工作模式。 在自动模式下，将具有通用插槽的电路板自动检测 电路仿真工具可以在计算机上实现电路的功能仿 真、特性测试、故障设置和响应分析［３ ；利用其电路 设计工具可以建立特殊器件的仿真模型、开发通用 性和扩展性很强的现场可编程器件（ＦＰＧＡ）［３］。 因此，本系统的总体设计思路是，首先利用 ＥＤＡ技术建立装备电路的仿真系统，研发具有通用 插槽的电路板自动检测仪；然后通过电路仿真系统 的故障复现和模拟，将专家知识与仿真结果有效融 合，构建故障模型数据库，研究适合装备电路的故 障诊断方法，建立电路的故障诊断系统，最终形成 通用性、扩展性较强的电路板维修测试系统。系统 总体设计流程和总体组成分别如图１和图２所示。 ＥＤＡ技术 电路设计工具ｌ ｌ电路仿真工具 ＦＰＧＡ ｌＩ器件模型 开发Ｉ Ｉ创建蹙殊 研制电路板 建立电路故 建立电路故障 自动检测仪 障诊断系统 模型数据库 电路板维修测试系统 图１系统设计流程图 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ Ｉ………………………一Ｉ 图２系统框图 Ｆｉｇ．２ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ 其中，自动检测仪是系统的硬件部分，其余为 维修测试系统软件。为增强系统的通用性，自动检 仪通过ＵＳＢ接口与计算机构成测试平台，完成装 备电路板的自动测试和诊断。而当检修人员没有 自动检测仪或在异地维修电路时，只需拥有相关的 电路仿真软件和维修测试系统软件或从网上获得 这些支持时，即可通过手动模式，在维修测试系统 的指导下，利用ＥＤＡ仿真工具和通用测量仪器进 行电路板的故障检测。显然，这种方案具有使用灵 活、通用性好、测试成本低、实用性强等特点。 ２ 自动检测仪设计 本系统利用现场可编程器件（ＦＰＧＡ）的在线重 配置功能，运用ＥＤＡ技术研发了具有通用插槽的 电路板自动检测仪，能够通过软件实时改变测试插 槽与计算机接口间的连接关系，达到了用一个插槽 测试多个不同电路板的目的。其原理框图如图３ 所示。 输入／输出 数 ＬＥＤ显示 字 插 槽 蚕 卜厂 （ＦＰＧ Ａ） 薹 Ｉ／Ｏ卡 ｌ ｌ Ａ／Ｄ采集卡 计算机 （ＰＣ） ＵＳＢ接口 图３ 自动检测原理框图 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｓｔ ＰＣ机通过ＵＳＢ接口将包含被测电路板信息 的代码经Ｉ／Ｏ卡写入ＦＰＧＡ，配置ＦＰＧＡ的相应管 脚，在插座和ＰＣ机之间建立相应通道。对数字电 路板，ＦＰＧＡ直接将测试向量通过数据线作用于电 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 许军，等：基于ＥＤＡ技术的电路板维修测试系统研究 ・ ５５ ・ 路板，电路的响应信号也经数据线通过ＦＰＧＡ和Ｉ／ ｏ送入ＰＣ机进行分析处理，得出故障诊断结论。 通过电路的仿真系统模拟。利用ＥＤＡ仿真分析工 具，复现电路的常见故障，通过直流分析、交流分 对模拟电路板，ＦＰＧＡ根据检测代码控制驱动电路 中的激励源，通过隔离和驱动后作用于电路板，电 析、灵敏度分析和蒙特卡洛分析等取得相关的故障 响应信息，建立电路的故障数据库。由于在电路的 仿真系统中，各种故障的设置和模拟没有限制，能 安全地复现实际电路中各种难以设置的故障，从而 使故障现象和诊断规则的获取变得容易和快速，大 路的响应信号则通过Ａ／Ｄ采集卡送入ＰＣ机进行 分析处理，得出故障诊断结论。由ＰＣ机发出的控 制信号还可以通过手动／自动的切换改由手动开关 提供。无论手动还是自动方式，对数字量和开关量 大丰富了故障数据库的内容，降低了数据库的建设 均可通过输入／输出量的ＬＥＤ显示器，观察到输入 检测代码和电路板的响应信号。 在自动检测仪中除上述硬件外，还配置了电源 和激励信号源。其中，电源由开关电源和２个Ｄｅ／ ＤＣ组成，而激励信号源则能为检测提供各种电平 信号、交流电压信号、电流驱动信号和开关量等。 该检测仪方便了电路的自动测试，减小了测试 设备体积，缩短了维修时间，增强了系统的通用性。 ３ 电路仿真系统和故障数据库建立 在电路仿真系统的建立中采用了最新的电路 仿真分析工具Ｍｕｌｔｉｓｉｍ。该软件具有仿真能力强、 界面直观、操作方便、分析手段完备等特点，特别是 该软件提供了用户自行创建和修改元器件模型的 工具，并支持硬件描述语言（ＶＨＤＬ或Ｖｅｒｉｌｏｇ）的 电路仿真和设计，这对构建军品电路中特殊元器件 的模型十分有利。军品电路的特殊性，使得在装备 电路仿真系统的建立过程中，会出现一些电路仿真 工具模型库中没有的元器件，此时可利用电路仿真 工具提供的元器件编辑和创建功能，修改和创建部 分元器件模型。而当需要创建的器件规模较大、功 能较复杂时，可利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ提供的ＶＨＤＬ平台， 用ＶＨＤＬ语言描述所需器件的逻辑功能、电路结 构和连接形式。然后，利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ内建的仿真器 对用ＶＨＤＬ设计的器件模型进行编译和调试。 电路仿真系统的建立使装备电路图由静态的 图纸变成了能实时表现其工作状态的“活图”，不仅 能替代正常电路板用于故障电路板的对比检测，而 且支持维修人员在计算机上对电路的任意元件进 行故障设置、响应测试和仿真维修，特别适合电路 的故障模拟和故障复现，为电路故障数据库的建立 和基层的维修教育训练提供了有力的技术支持。 在故障数据库的构建中，故障现象和响应特征 的获取除了利用已有的专家经验和知识外，还可以 成本。 ４ 电路故障诊断系统建立 ４．１ 电路故障诊断方法研究 装备电路类型繁多，有数字的、模拟的，也有数 模混合的，很难用一种统一的方法诊断所有的电路 故障。因此，可行的解决方法是将专家经验与故障 模拟有效融合，建立故障字典进行故障诊断。同 时，充分发挥ＥＤＡ仿真系统的优势，用仿真电路替 代参考电路进行电路的故障诊断，形成基于ＥＤＡ 仿真技术的诊断维修方案。 在装备电路的故障诊断中比较突出的难点是， 电路板上的绝缘漆使电路的可测结点严重受到限 制，而且装备电路通常也不宜在拆卸条件下测试。 这些都给电路故障诊断，特别是模拟电路的故障诊 断带来了困难 ］。为此，提出了基于结点电压灵敏 度比值的线性电路故障诊断方法。 首先定义结点电压灵敏度，电路中结点ｉ的电 压Ｖ 对元件愚之阻抗Ｚ 的偏导数为： ｓ 一爰 （１） 假设电路有ｂ条支路和 个独立结点，由电路 理论可写出结点电压方程的矩阵形式为： ｌ， ＝ｊ （２） 式中：ｌ， 为结点导纳矩阵； 为结点电压列向量；ｊ 为独立电源引起的注入结点的电流列向量。 当系数行列式ｄｅｔ（ ）≠０时，由Ｃｒａｍｅｒ法则， 可得结点ｉ的电压为： Ｖ ＝—＿＝ ｄ ｅｔ（Ｙ ） （ｉ：１，２，…，，’ ｚ） （３）式中：Ｄ 是将ｄｅｔ（Ｙ ）中第ｉ列元素用Ｊ 向量的各 元素替代所得的行列式。 当设ｌ， 中任一支路导纳 为变量，其余支路 导纳为常量，并用阻抗参数 表示导纳参数 （ 是 的倒数）时，结点ｉ、Ｊ的电压分别为： 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ ５６ ・ 火炮发射与控制学报 ２００７年９月 一 ｇ －， “／‘１＿ｃ， （４） （５） 阅读电路说明Ｈ选择诊断电路｝一． 开始 一 ＜ 维修 式中：口，ｂ，ｃ ， ，ｄ ， 均为常量。 当 变为Ｚ ＋△ 时， 和 为： 一 的变化量分别 筹 丽㈤ ◇Ｉ厂 ＜ ＜ 一一 童故障 △ 一 一等 ㈣ 而 对结点 和结点 的电压灵敏度分别为： ｓ 一 ｄＶｉ一 （９） ｓ 一 ｄＶｊ一 （１。） 一鲁 （１１） 比较式（８）和式（１１），可得如下结论： 在线性电路中，任一元件参数 的变化引起 的结点电压 与 的变化量ＡＶ 与△ 之比等 于相应结点的电压灵敏度之比： △ 一Ｓ （１２）… 据此，可得到模拟电路故障诊断的一个新方 法：选择２个测试结点ｉ和－『，利用电路的ＥＤＡ仿 真分析工具，对无故障电路进行电压灵敏度分析， 求出每个元件参数Ｚｋ对测试点的电压灵敏度ｓ 和ｓ ，算出二者之比，形成字典。实测时，在相同 激励下，测量待诊电路中测试点ｉ和 的电压，求出 测试点电压的变化量ＡＶ 与△ ，算出其比值。将 该比值与字典中的电压灵敏度比值进行比对，相同 者对应的 即为故障元件。 由于ＥＤＡ仿真分析工具能简单快速地提供无 故障电路的电压灵敏度分析结果，形成数据文件， 因此，该方法算法简单，诊断速度快。该方法对硬 故障和软故障均有效，尤其对微小故障检测的灵敏 度较高，具有较高的诊断精度，而且大大降低了对 可测点数的要求，一般只需２到３个测试点，对解 决电路可测结点受限的实际问题具有重要意义。 ４．２电路故障诊断系统设计 电路故障诊断系统的设计流程如图４所示。 在自动检测时，只需打开自动检测仪的电源， 堂 堡Ｉ ｔ 分步测试诊断≥—— Ｉ里墨 竺墨 臣亟 电路仿真辅助诊断＞一 ｔ 无『 星＜ Ｉ臣 查￡＝＝ 诊断结束 出诊断结 图４故障诊断流程 Ｆｉｇ．４ Ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ 将自动检测仪通过ＵＳＢ接口与计算机连接，并在 维修测试系统的界面中确认所选择的电路板与插 到自动检测仪插槽中的电路板一致后，即可对被测 电路板进行自动检测。系统通过自动检测仪向被 测电路板输出测试向量，读取响应信息，根据诊断 算法，利用故障字典进行电路板的自动检测，并给 出相应的测试报告。在手动检测时，系统能通过友 好的对话方式，根据专家经验和诊断规则，提供一 个测试维修的全程指导。系统首先提示用户根据 电路板外观判断是否存在断路、短路和破损等情 况。然后，根据用户选择的故障现象应用专家知识 给出诊断结果。若没解决问题，则进行分步检测诊 断。在分步检测中，用户可按照系统的提示，利用 通用的测试仪器，分步向电路输入测试信号，并将 响应信号提交系统，由系统根据故障字典得到测试 结果。在分步检测后若还存在问题，则可借助电路 的ＥＤＡ仿真分析进行故障诊断。检修人员可参照 系统提供的“电压灵敏度序列法”和“Ｕ—Ｊ曲线测 试法”等示例对电路进行仿真诊断。 为便于系统的扩展和使用，整个系统采用了基 于数据库的体系结构，并设计了系统扩展模块、学 习训练模块、系统维护模块、诊断记录模块和用户 管理模块等。在系统扩展模块中，将相关诊断信 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 许军，等：基于ＥＤＡ技术的电路板维修测试系统研究 ・ ５７ ・ 息，如“电路属性”、“仿真电路”、“故障现象”、“测试 代码”和“诊断规则”等均存储在数据表中，系统扩 展时只需通过对话方式增加或改变数据表的纪录 即可。系统的扩展分为两个层次，一是对现有电路 诊断知识库的扩充，包括故障现象和诊断规则的增 加；二是对新增电路诊断知识库的扩展，包括电路 描述、故障现象、诊断规则、自动测试码和分步测试 步骤。对现有电路诊断知识库的扩充可使故障检 测的覆盖率和准确率在使用中不断上升，使系统在 使用中自我完善，而对新增电路诊断知识库的扩展 则使系统成为一个结构开放的通用电路诊断平台， 使系统能方便扩展到其他装备电路的维修测试中。 ５ 结束语 以某新型坦克为研究对象，运用ＥＤＡ技术，建 立了装备电路的仿真系统和故障模型数据库，开发 了具有通用插槽的电路板自动检测仪，研究了适合 装备电路故障诊断的结点电压灵敏度比值法，建立 了电路的故障诊断系统，形成了通用性、扩展性较 强的元件级电路板维修测试系统。实际应用结果 显示，该系统能支持维修人员在计算机上对电路的 任意元件设置故障，进行故障模拟和维修教育训 练；自动检测仪可用一个测试插槽检测多个不同的 电路板，对某新型坦克火控和炮控电路板的单板检 测时间不大于１５ Ｓ，有效地提高了该新型装备电路 的维修效率和质量；系统界面直观、操作方便、稳定 可靠、实用性强，能通过友好的人机交互方式指导 缺少经验的维修人员利用通用的测量仪器进行电 路板的故障检测，同时可以通过对话方式录入新的 故障现象、推理规则、故障原因和解决方案等，使系 统性能在使用中不断完善，由用户根据不同的需求 扩展为其他装备的电路板维修测试系统，为装备电 路板的维修保障提供了有效手段。 参考文献： ［１］张巍，夏立，杨宣访．采用ＶＸＩ总线研制电路板故障诊 断系统ＥＪ］．海军工程大学学报，２ＯＯｌ，１３（１）：７９—８１． ［２］林志文，贺醅，刘松风．基于仿真的数字电路板自动测 试系统ＥＪ］．计算机测量与控制，２００４，１２（９）：８０７—８０９． ［３］郑步生，吴渭．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ２００１电路设计及仿真入门与应 用Ｉ－Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２：２—３． ［４］李峰，邓铁军．节点电压灵敏度序列守恒定理及其软硬 故障统一诊断字典法ＥＪ］．应用科学学报，１９９８，３（１６）： ２５３—２６】．
