自動舵電路板故障測試系統(tǒng)研究

李天偉，李正友，黃 謙

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

0 引 言

自動舵作為船舶上最重要的航海設(shè)備之一，其發(fā)生故障時將對船舶的海上航行安全造成重大影響。目前自動舵故障電路板大部分需要返廠維修，維修周期長，維修效率低；因此，研究便攜式的自動舵電路故障測試系統(tǒng)具有非常重要的意義，既可以由服務(wù)商攜帶到船上進行故障測試，也可以隨船攜帶由船員進行故障測試。

1 測試系統(tǒng)需求分析

電路故障測試有自動測試和手動測試兩種方法[1]。自動測試不需要使用者的干預(yù)，能夠快速定位到故障元器件，但它僅能夠直接判斷出部分常見故障。手動測試能夠定位電路板全部故障，但依賴使用者的故障測試能力和經(jīng)驗。在實際故障測試中，自動測試和手動測試應(yīng)該結(jié)合使用。

在進行故障測試之前，電路板需要加電工作，故障測試系統(tǒng)需要提供交流或直流電源，以及若干模擬輸出通道，作為電路板的模擬輸入。自動測試時，為簡化測試步驟，一般在加電狀態(tài)下測試電路板上若干測試點的電壓信息，由軟件判斷出故障位置；此時故障測試系統(tǒng)需要提供若干數(shù)據(jù)采集通道。手動測試時，不但要測試電壓，還可能要測試電流、電阻等，為輔助測試者分析判斷故障，還需要實現(xiàn)數(shù)字萬用表、示波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器等虛擬儀器；這需要故障測試系統(tǒng)提供高精度、高速度、寬電壓范圍的數(shù)據(jù)采集通道。

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于經(jīng)常需要攜帶測試系統(tǒng)到船上進行測試，系統(tǒng)硬件應(yīng)盡量減小，便于攜帶，所以測試系統(tǒng)硬件由筆記本電腦、多功能數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字萬用表卡、電源、接口電路、專用接口電纜等組成[2]，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 測試系統(tǒng)硬件實物圖

以某型自動舵為例，其內(nèi)部共有2種放大板、2種電源板、1種報警板、1種顯示板、1種組合板，共計7種電路板。這些電路板既有模擬電路，也有數(shù)字電路，但都不太復(fù)雜。所有的數(shù)字電路板接口都是TTL電平，單塊電路板輸入輸出接口數(shù)目不超過32路；單塊模擬電路板需要的模擬輸出通道不超過4路，數(shù)據(jù)采集通道不超過32路。僅選擇1塊NI USB-6259[3]多功能數(shù)據(jù)采集卡即可滿足上述需求；再選擇1塊NIPCMCIA-4050數(shù)字萬用表卡，用于精確測量電阻、電壓、電流。可見系統(tǒng)僅采用1臺筆記本電腦、1塊數(shù)據(jù)采集卡及1塊數(shù)字萬用表卡，即可滿足該自動舵全部電路板的故障測試需求。

筆記本電腦是整個故障測試系統(tǒng)的控制中樞，它可以根據(jù)任務(wù)需要，控制多功能數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生被測電路板需要的模擬或數(shù)字輸入信號，經(jīng)接口電路板和專用接口電纜送入被測電路板，模擬電路板的各種工作狀態(tài)。被測電路板的輸出信號或通過探筆采集的被測電路故障特征信號，經(jīng)過接口電路和數(shù)據(jù)采集卡，被送入計算機進行處理。自動測試時，將被測數(shù)據(jù)送入智能故障診斷程序，自動給出測試結(jié)果。手動測試時，計算機軟件根據(jù)測試任務(wù)需要，生成不同的虛擬檢測儀器（如示波器、萬用表、頻譜分析儀等），顯示被測電路板的相關(guān)信息。接口電路除了為被測電路板提供工作所需的假負載、供電電源及模擬輸入外，還為數(shù)據(jù)采集提供信號調(diào)理、過壓保護等。

系統(tǒng)硬件采用通用性與特殊性相結(jié)合的設(shè)計思路。不同的被測電路板采用與其配套的專用接口電纜和故障測試程序，它們共同使用筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集卡、電源、接口電路等。專用接口電纜的一端與被測電路板接口相同，另一端與接口電路板上通用接口相連。這樣保證了通用性與特殊性的統(tǒng)一，既節(jié)約了成本、減小了硬件體積，又增強了功能，有利于二次開發(fā)。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

電路故障測試的目的是為了判定電路的故障原因并修復(fù)，是判斷電路故障的基本工作[4]。電路故障測試系統(tǒng)與一般測試系統(tǒng)不同，需要采用更多的測試手段和提供相關(guān)輔助信息。它除了進行數(shù)據(jù)測試外，還與故障診斷理論相結(jié)合，共同構(gòu)成電路故障診斷系統(tǒng)，這對測試系統(tǒng)軟件部分提出了更高的要求。故障測試軟件不單單是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，除了進行數(shù)據(jù)采集、分析、顯示外，還必須提供故障診斷過程中所需的其它相關(guān)信息，如電路原理圖、標示實際測試位置的實物圖、被測元器件的性能參數(shù)、測試點的參考值、以往同類電路板的測試經(jīng)驗等。體現(xiàn)在程序編寫上，需要綜合采用圖形編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集軟件（如LabVIEW或LabWindows/CVI）都專注于數(shù)據(jù)采集，在開發(fā)綜合應(yīng)用程序、滿足多種需求方面功能偏弱，如在數(shù)據(jù)庫管理及圖形界面的制作等方面與Microsoft Visual C++等軟件還存在較大差距。

Measurement Studio[3]軟件是National Instruments公司為在Microsoft Visual Studio開發(fā)環(huán)境下使用NI公司產(chǎn)品而推出的開發(fā)工具，它可以作為Microsoft Visual Studio的一個組件。在應(yīng)用程序中Measurement Studio軟件專注于硬件接口、數(shù)據(jù)采集及虛擬儀器軟件界面部分，Visual Studio專注于圖形界面、數(shù)據(jù)庫操作、信號處理及故障分析判斷。Measurement Studio中集成了LabVIEW中所有的虛擬儀器界面元素，它們可以作為Visual Studio中控件，與其他控件一樣，非常方便地被調(diào)用和處理。Measurement Studio還可以輕松調(diào)用NI硬件產(chǎn)品驅(qū)動程序提供的接口函數(shù)，比LabVIEW能輕松完成更加復(fù)雜的測試任務(wù)。

3.1 自動測試

為提高故障診斷的自動化程度，自動測試方式基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對多個測試點的數(shù)據(jù)進行綜合分析判斷，給出故障診斷的初步結(jié)果。系統(tǒng)采用三層BP網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，它是利用實際輸出與期望輸出之差對網(wǎng)絡(luò)各層連接權(quán)由后向前逐層進行校正的一種計算方法[5-6]。網(wǎng)絡(luò)的輸入是表征電路板故障特征的向量，網(wǎng)絡(luò)的輸出是表征電路板故障模式的向量，一個故障特征向量對應(yīng)一個故障模式向量，一個故障模式向量對應(yīng)元件的某種故障，共同構(gòu)成訓(xùn)練模式對[7-8]。

以該自動舵某放大板故障為例。在實際維修過程中發(fā)現(xiàn)該電路板經(jīng)常發(fā)生的故障有：穩(wěn)壓管bz1～3燒壞、三極管bg1～2損壞、運算放大器ysq損壞等6個元件8種故障，加上電路板正常狀態(tài)，共9種模式。在分析電路板工作原理的基礎(chǔ)上，找到電路板上的一些重要測試點，再根據(jù)主成分分析及實際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果對測試點進行選擇，最終選擇5個測試點作為故障特征提取點。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點5個，對應(yīng)電路板的5個故障特征；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出單元5個，按表1所示分別對應(yīng)電路板的8種故障和正常狀態(tài)；隱層節(jié)點為7個。

獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)時，將平時積累的故障元件更換到7塊工作正常的電路板上，通過測試系統(tǒng)硬件采集相關(guān)測試點的電壓數(shù)據(jù)，得到表1所示的訓(xùn)練樣本和測試樣本。將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，編寫自動測試程序。

自動測試程序界面如圖3所示。界面中上方為電路板的輸出曲線，界面左下方為電路板實際輸出數(shù)據(jù)，界面右下方為利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法自動測試結(jié)果。當(dāng)電路板故障時，利用該類電路板的專用測試電纜將電路板連接到故障測試系統(tǒng)上，打開該類電路板專用的自動測試程序，只要點擊“開始測試”按鈕，自動測試程序控制硬件產(chǎn)生該類電路板的工作環(huán)境及各種模擬輸入，通過變換電路板不同的模擬輸入模擬電路板的不同工作狀態(tài)，分別測試電路板上相關(guān)測試點的輸出曲線，測定特征參數(shù)，輸入事先訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，初步判斷電路板的常見故障，自動給出診斷結(jié)果。

表1 樣本示例

圖3 自動測試軟件界面

3.2 手動測試

手動測試方式為測試者提供被測電路板的工作環(huán)境、測試電路時所需的常用虛擬測試儀器、被測電路板的相關(guān)資料等。

圖4所示為手動測試軟件的典型界面。界面左邊是被測電路板的原理圖，界面右邊從上到下分別為虛擬數(shù)字萬用表、虛擬示波器、虛擬頻譜分析儀、被測元件型號及作用說明、被測元件在電路板上的實際位置等。使用者可以在分析電路工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合故障現(xiàn)象，選用相應(yīng)的虛擬測試儀器對電路上的元器件或故障測試點進行故障測試分析。

圖4 手動測試軟件界面

3.3 故障測試實例

利用電路板測試系統(tǒng)進行測試時，首先進行自動測試，可能遇到如下3種情況：（1）某電路板的輸出曲線如圖5（a）所示，自動測試程序給出的測試結(jié)果為“電路板工作正常”。（2）某電路板輸出曲線如圖5（b）所示，自動測試程序給出的測試結(jié)果為“三極管bg1損壞”，更換三極管bg1后電路板恢復(fù)正常。（3）某電路板輸出曲線如圖5（c）所示，自動測試程序給出的結(jié)果為“非常見故障，請手動測試”。運行該類電路板手動測試程序，在分析電路板工作原理的基礎(chǔ)上，利用虛擬測試工具對電路板進行測試，最終確定故障為電容C20故障，更換后電路板恢復(fù)正常。

4 結(jié)束語

根據(jù)自動舵維修需要，設(shè)計了自動舵電路板便攜式故障測試系統(tǒng)，并闡述了測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法。在實踐應(yīng)用中證明，系統(tǒng)具有成本低、體積小、功能強的優(yōu)點。采用自動測試和手動測試相結(jié)合的方法，自動測試時不需要太多的故障診斷專業(yè)知識，就能對電路板進行初步測試，可供船員使用；手動測試時能提供大量的設(shè)備隨機資料和虛擬測試儀器，免去服務(wù)商或生產(chǎn)商上船測試時攜帶大量資料和儀器的困難。

圖5 不同情況下電路板輸出曲線

[1]楊江平.電子裝備維修技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：1-4.

[2]李慶偉，蘇燕辰.基于LabWindows/CVI的車內(nèi)氣壓波動信號處理[J].中國測試，2012，38（3）：87-89.

[3]National Instruments.Measurement and automation catalog[G]∥Austin：NI，2007：50-58.

[4]朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：39-45.

[5]許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：170-175.

[6]張彥斌，賀從林.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某裝備電路單元故障診斷研究[J].測試技術(shù)學(xué)報，2010（6）：558-561.

[7]陽輝，羅琨，何怡剛.模擬電路故障診斷的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J].微電子學(xué)，2010（1）：50-53.

[8]趙鵬，王友仁，崔江，等.模擬電路免疫記憶網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法[J].信息與控制，2010（5）：574-579.