應(yīng)用于離散化VI測試的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 勇， 唐欣熾， 邵思杰, 劉宏祥

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系， 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學(xué)院科研學(xué)術(shù)處，北京 100072)

隨著部隊(duì)配備的電子類裝備的增多，采用的技術(shù)日趨復(fù)雜化，對武器裝備的維修保障能力提出了更高的要求，其中電路板卡的維修檢測是武器裝備保障的一個(gè)難點(diǎn)[1-2]，存在的主要問題有：1)武器裝備型號(hào)多，電路板卡的種類繁雜、數(shù)量龐大，涉及到的電子元件近乎海量，檢測維修任務(wù)量大、效率低；2)缺乏能將故障定位至某個(gè)電路板或某個(gè)元件的電路板卡通用檢測設(shè)備；3)對檢測維修人員的能力和經(jīng)驗(yàn)要求高，且缺乏詳盡的圖紙資料。

目前，軍隊(duì)部分維修單位已經(jīng)采用了在線測試儀進(jìn)行裝備電路的維修。在線測試儀以電壓電流(簡稱“VI”)曲線分析技術(shù)(即VI測試)為基礎(chǔ)，其基本原理是在電路節(jié)點(diǎn)注入一定幅度和頻率的周期信號(hào)，得到電流隨電壓變化的關(guān)系曲線，即VI曲線[3]。VI曲線的形狀由被測節(jié)點(diǎn)間的阻抗特性決定。器件故障通常會(huì)表現(xiàn)為管腳端口之間阻抗特性的改變，因而相應(yīng)的VI曲線也將發(fā)生變化[4-6]。通過比較好壞電路板上相同節(jié)點(diǎn)或好壞器件的相同管腳的VI曲線是否一致，可以發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)或器件。然而，VI曲線分析只能做功能測試[7]，其本質(zhì)是在了解電路原理的條件下，按照共地原則，向輸入端施加激勵(lì)信號(hào)，測量輸出端的響應(yīng)信號(hào)，功能測試幾乎適用于所有類型的電路，但前提條件是測試人員需具備豐富的電路知識(shí)和較高的技術(shù)水平，且需要被測電路的圖紙、資料，因此大大限制了該項(xiàng)技術(shù)的通用性。為了進(jìn)一步提高維修保障效率、節(jié)約維修保障費(fèi)用、降低技術(shù)難度，筆者基于VI曲線分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了武器裝備電路板卡通用檢測系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)無圖紙、無資料條件下的電路板卡通用性故障診斷。

1 總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的VI測試系統(tǒng)的電壓源設(shè)計(jì)方案通常采用連續(xù)信號(hào)(如三角波、正弦波)作為測試激勵(lì)源，其中以正弦波最常見[8-10]。VI測試中，由于激勵(lì)和響應(yīng)都是連續(xù)信號(hào)，進(jìn)行A/D采樣時(shí)，存在2次測試中同一個(gè)時(shí)刻的激勵(lì)測不到對應(yīng)時(shí)刻響應(yīng)的問題，導(dǎo)致2次測試的重復(fù)性不一致，且隨著采樣點(diǎn)的增加，運(yùn)算過程趨于復(fù)雜，難以保證采樣與激勵(lì)同步，為故障判別帶來了難度。為此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VI曲線分析技術(shù)的電路板卡通用檢測系統(tǒng)(簡稱“通用檢測系統(tǒng)”)，采用離散信號(hào)替代連續(xù)信號(hào)作為VI數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)的電壓源，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)采樣和激勵(lì)的同步，提高了VI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。通用檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，包括PC機(jī)、激勵(lì)電壓注入電路、響應(yīng)電流測試電路和采樣保持電路。

PC機(jī)通過脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)模塊發(fā)出連續(xù)周期信號(hào)Ui并送入激勵(lì)電壓注入電路，在CTR(Control)信號(hào)的控制下，通過激勵(lì)電壓注入電路實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)的離散化，其中，Ui決定激勵(lì)信號(hào)的幅值，CTR決定激勵(lì)信號(hào)的脈寬，從而實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)信號(hào)的調(diào)幅和調(diào)寬。離散激勵(lì)信號(hào)UV注入被測電路某一節(jié)點(diǎn)，從另一節(jié)點(diǎn)輸出電流響應(yīng)Ii，Ii通過響應(yīng)電流測試電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)UA，并送入采樣保持電路進(jìn)行采樣，在CTR的控制下，采樣保持電路對UA進(jìn)行采樣，由于CTR是PC機(jī)統(tǒng)一發(fā)出的，所以連續(xù)信號(hào)的離散化過程和采樣信號(hào)的采樣保持實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的同步，最終可以得到離散激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)嚴(yán)格同步的VI曲線。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵技術(shù)為程控電路的設(shè)計(jì)，程控電路包括激勵(lì)電壓注入電路和響應(yīng)電流測試電路。

2.1 激勵(lì)電壓注入電路

圖2為激勵(lì)電壓注入電路，由同相放大電路、開關(guān)電路和電壓跟隨器組成，其主要作用是為被測電路提供離散信號(hào)的激勵(lì)源。

以正弦信號(hào)為例，PC機(jī)通過PWM模塊發(fā)出連續(xù)的正弦波信號(hào)Ui，送入激勵(lì)電壓注入電路的VI端口。

電阻R0、R1、R2及運(yùn)算放大器A1構(gòu)成同相放大電路，放大倍數(shù)

(1)

則A1輸出電壓

(2)

電阻R3、R4、R5、R6及晶體管Q1、Q2構(gòu)成圖騰柱結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路，由PC機(jī)IO接口送出的CTR信號(hào)進(jìn)行控制，CTR信號(hào)如圖3所示。具體控制關(guān)系為：當(dāng)CTR為高電平時(shí)，UK為高阻狀態(tài)；當(dāng)CTR為低電平時(shí)，UK=U0。

UV信號(hào)通過探針1注入到被測電路某節(jié)點(diǎn)的一端，形成激勵(lì)信號(hào)；同時(shí)，采樣保持電路在PC機(jī)的控制下，對注入到被測電路的激勵(lì)信號(hào)UV進(jìn)行同步采集，保證了每次測試的重復(fù)性一致。激勵(lì)信號(hào)UV如圖4所示。

2.2 響應(yīng)電流測試電路

圖5為響應(yīng)電流測試電路，主要作用是將響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為采樣電壓，通過采樣保持電路與PC機(jī)得到被測節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)電流值。

由激勵(lì)電壓注入電路注入被測電路某一節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)UV，在被測電路中形成響應(yīng)電流Ii，如圖6所示。

通過接入被測電路另一節(jié)點(diǎn)的探針2輸出到響應(yīng)電流測試電路，響應(yīng)電流Ii經(jīng)過電阻R8采樣，形成采樣電壓US，

US=R8·Ii。

(3)

電阻R9、R10、R11及運(yùn)算放大器A3構(gòu)成同相放大電路，放大倍數(shù)

(4)

則A3輸出電壓

(5)

采樣保持電路在CTR控制下，對響應(yīng)電流測試電路輸出的電壓UA進(jìn)行同步采集。輸出電壓信號(hào)UA如圖7所示。

響應(yīng)電流測試電路輸出電壓UA與被測電路的響應(yīng)電流Ii呈線性對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)檢測系統(tǒng)處理，可以得出VI曲線的被測電路另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)電流。由于采樣是在CTR信號(hào)的控制下進(jìn)行的，采集的每一個(gè)響應(yīng)電流值和激勵(lì)時(shí)刻嚴(yán)格同步，保證了每次測試之間都具有很好的重復(fù)性。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通用檢測系統(tǒng)軟件的主要作用有：一是可以調(diào)節(jié)程控電路注入到被測電路的激勵(lì)電壓信號(hào)，通過改變信號(hào)的幅值和脈寬，進(jìn)而獲得最為理想的測試效果；二是控制程控電路對被測電路進(jìn)行VI曲線的采集；三是通過程控VI測試系統(tǒng)，對采集的VI曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，判斷被測電路是否故障。

圖8為軟件流程。運(yùn)行測試軟件后，進(jìn)入主界面，修改測試參數(shù)以達(dá)到最佳檢測效果，確認(rèn)無誤后對被測電路進(jìn)行VI曲線采集并保存曲線數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

為了檢驗(yàn)通用檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的正確性和方案的合理性，分別以數(shù)字元件和電路板卡作為被測對象進(jìn)行故障診斷測試。

4.1 元件測試

以數(shù)字芯片74HC190P作為被測對象，其共有16個(gè)管腳。為了進(jìn)行比對，系統(tǒng)分別采集了正常芯片和故障芯片的VI曲線，如圖9所示，圖中藍(lán)色和紅色曲線分別代表正常和故障芯片的VI曲線。

4.2 板卡測試

實(shí)驗(yàn)對象為某型坦克火控系統(tǒng)，其中包括控制盒板卡6塊、火控計(jì)算機(jī)板卡8塊、炮控箱板卡15塊。

以該火控系統(tǒng)的IO板為例。首先對正常電路板卡的所有電路節(jié)點(diǎn)間的VI曲線進(jìn)行兩兩采集，并保存采集的VI曲線數(shù)據(jù)。之后以相同的方式對故障板卡進(jìn)行VI曲線采集。圖10為2塊板卡測試的比對曲線之一，圖中藍(lán)色和紅色曲線分別代表正常和故障電路板的VI曲線。

由圖10可以看出：故障電路板與正常電路板的VI曲線有較大差異，根據(jù)VI曲線的差異度及測試節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的元件，給出電路板卡上各個(gè)元件的故障疑似程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路故障的定位。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了基于VI曲線分析的檢測系統(tǒng)，通過程控電路進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)的離散化，實(shí)現(xiàn)了離散化VI測試，相比傳統(tǒng)的將連續(xù)信號(hào)作為VI測試的激勵(lì)源，這種離散信號(hào)的特點(diǎn)有：1)小信號(hào)、窄脈沖的電壓源設(shè)計(jì)不易對被測器件造成損壞，保證了VI測試的安全性；2)每個(gè)采樣點(diǎn)的測試時(shí)間可調(diào)，測試電壓幅值可控，可以針對不同的測試對象設(shè)計(jì)不同的電壓幅值范圍和測試時(shí)間；3)將連續(xù)的時(shí)域測試轉(zhuǎn)化為數(shù)字域測試，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；4)連續(xù)加電測試的采樣點(diǎn)不好控制，即便可以對其進(jìn)行離散化，但卻不能保證采樣和激勵(lì)的同步，而脈沖信號(hào)的激勵(lì)源設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)采樣和激勵(lì)的同步，確保具有參考價(jià)值的2個(gè)點(diǎn)在同一條件下完成測試，使獲得的VI測試數(shù)據(jù)更具有說服力。

通過對現(xiàn)役武器裝備中的大量電路板卡進(jìn)行測試，以及對測試結(jié)果的分析，筆者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對板卡的完好性測試準(zhǔn)確率接近100%，基本可以辨別電路板卡是否發(fā)生故障，驗(yàn)證了通用檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路正確、方案合理。然而，在故障定位方面存在著故障模糊組較大的問題，定位準(zhǔn)確率仍有待提高，今后將繼續(xù)開展故障定位的算法及故障判別閾值選取方面的研究，進(jìn)一步提高故障的檢出率和故障定位的精確度。