某導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板故障缺乏行之有效檢測(cè)方法的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了某導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板智能檢測(cè)系統(tǒng)。首先簡(jiǎn)單介紹了電路板檢測(cè)原理，結(jié)合該設(shè)備電路板的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，建立了某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板故障檢測(cè)的模型，闡述了該系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法;以典型的光電轉(zhuǎn)換電路的測(cè)試為例，對(duì)電路板智能檢測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)行了試驗(yàn);試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能解決導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板檢測(cè)困難、測(cè)試效率較低的問(wèn)題，提高了檢測(cè)的效率和故障定位的能力，其性能穩(wěn)定可靠，操作使用方便，結(jié)果顯示直觀;結(jié)合試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)，從兩個(gè)方面對(duì)下一步繼續(xù)研究進(jìn)行了展望。

引言

　　在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，尤其是在以集成電路為核心的電子電路中，由于系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，性能和構(gòu)造也更加完善和復(fù)雜，對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性的要求也越來(lái)越高。目前，某型號(hào)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面測(cè)試設(shè)備電路板的故障檢測(cè)定位主要依賴生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員，部隊(duì)缺乏有效的檢測(cè)方法和手段，致使測(cè)試設(shè)備電路板出現(xiàn)問(wèn)題后影響后續(xù)的作戰(zhàn)與訓(xùn)練。

　　目前，國(guó)內(nèi)在電路板通用維修測(cè)試設(shè)備的研制和開(kāi)發(fā)方面開(kāi)發(fā)出了基于VXI、PXI、GPIB、ISA等多種總線結(jié)構(gòu)的自動(dòng)測(cè)試診斷設(shè)備(ATE)產(chǎn)品和相應(yīng)的測(cè)試軟件，能完成電子設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)、電路板級(jí)測(cè)試診斷，其測(cè)試方法是通過(guò)判斷電路板上的器件是否正常，及連線是否正確來(lái)檢測(cè)整塊電路板是否正常，對(duì)電路板有一定的學(xué)習(xí)能力，具有一定的通用性，但由于缺少對(duì)整板性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果不完全。國(guó)際上開(kāi)展了無(wú)接觸檢測(cè)技術(shù)的研究，該技術(shù)充分利用被測(cè)電路板的各種物理場(chǎng)的特征參數(shù)，以此作為故障診斷的依據(jù)，具有測(cè)試速度快、適用范圍廣等特點(diǎn)，但由于該檢測(cè)技術(shù)十分復(fù)雜，而且檢測(cè)費(fèi)用也非常高，可靠性難以保證，并沒(méi)有得到較好的推廣。

　　本文在對(duì)當(dāng)前電路測(cè)試?yán)碚摷凹夹g(shù)進(jìn)行分析后，針對(duì)某型導(dǎo)彈地面測(cè)試設(shè)備使用的電路板的特點(diǎn)及測(cè)試要求，構(gòu)建了一個(gè)基于功能測(cè)試的電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的測(cè)試效率，并降低導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的測(cè)試成本。

1 電路板檢測(cè)原理與故障模型

1.1 電路板檢測(cè)原理

　　電路板系統(tǒng)測(cè)試的基本原理是暗箱原理，如圖1所示，被測(cè)對(duì)象電路板是一個(gè)“暗箱”，在不允許打開(kāi)“暗箱”的情況下又要檢測(cè)電路板的功能好壞，只能通過(guò)對(duì)它施加激勵(lì)信號(hào)后判斷輸出響應(yīng)來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的分析。

　　對(duì)于數(shù)字電路，測(cè)試其輸出端的響應(yīng)代碼，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的正確代碼比較，來(lái)判斷被測(cè)電路的邏輯功能是否正常，從而確定電路的好壞;對(duì)于模擬電路，測(cè)試其輸出端的電壓、電流、與輸入端之間的函數(shù)關(guān)系等其它參數(shù)，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)它們是否一致來(lái)判斷模擬電路的功能是否正常。

1.2 電路板故障檢測(cè)模型

　　構(gòu)成導(dǎo)彈地面測(cè)試設(shè)備電路板的最小單元是無(wú)非就是集成芯片和電容、電阻等元器件，這些元器件組合在一起就構(gòu)成某個(gè)功能電路，完成特定功能;而功能模塊則由幾個(gè)功能電路組合而成，就能完成較為復(fù)雜的功能;一個(gè)電路板由若干個(gè)功能模塊組成，完成相應(yīng)的系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)用戶的需求。因此，可將電路板分為以下四個(gè)層級(jí)：第一級(jí)是電路板級(jí)，第二級(jí)是功能模塊級(jí)，第三級(jí)是功能電路級(jí)，第四級(jí)是元器件級(jí)。根據(jù)四個(gè)之間的功能和相互關(guān)系，構(gòu)成樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)的電路板故障檢測(cè)模型，如圖2所示。

　　對(duì)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板的檢測(cè)過(guò)程是根據(jù)這個(gè)電路板故障檢測(cè)模型進(jìn)行檢測(cè)的，對(duì)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板的檢測(cè)可在第一級(jí)也就是電路板級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，只要電路板級(jí)的檢測(cè)是正常的，便可認(rèn)為導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備所有的電路板是無(wú)故障的。而對(duì)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板的檢測(cè)與診斷，可以按照導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板故障檢測(cè)模型，采用從上至下的順序進(jìn)行檢測(cè)與診斷，首先對(duì)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板級(jí)進(jìn)行測(cè)試，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備某個(gè)電路板級(jí)存在故障，則順序檢查各個(gè)相關(guān)的功能模塊，直到查到某個(gè)功能模塊存在故障，然后再對(duì)該功能模塊所包含的每個(gè)功能電路逐一進(jìn)行檢測(cè)與診斷，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備某個(gè)功能電路存在故障，再按照從上至下的順序檢測(cè)功能電路所包含的各個(gè)元器件，直至發(fā)現(xiàn)某個(gè)元器件有故障為止。倘若不能檢測(cè)到元器件故障，就檢測(cè)到功能電路級(jí)別，對(duì)功能電路進(jìn)行整體更換。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　檢測(cè)系統(tǒng)采用基于PC-DAQ的虛擬儀器構(gòu)建模式，輔以靈活的測(cè)試接口電路。系統(tǒng)的硬件部分主要是對(duì)導(dǎo)彈地面測(cè)試設(shè)備電路板的模擬量測(cè)試信號(hào)、數(shù)字量測(cè)試信號(hào)和時(shí)序量測(cè)試信號(hào)進(jìn)行采集和檢測(cè)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　圖3中，被測(cè)試信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理板后，分別通過(guò)模擬量通道、數(shù)字量通道、時(shí)序量通道進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡;數(shù)據(jù)采集卡能夠產(chǎn)生控制信號(hào)，控制模擬量切換電路對(duì)模擬量的通道進(jìn)行控制，使得需要檢測(cè)的模擬量進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，而無(wú)關(guān)的模擬量則被隔離，此外，計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的激勵(lì)源能產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)ISA總線和數(shù)據(jù)采集卡送到信號(hào)調(diào)理板，用作電路板的檢測(cè)信號(hào)，這也是測(cè)試系統(tǒng)硬件的主要功能。

　　測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備電路板檢測(cè)系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、開(kāi)關(guān)切換模塊、輸入模塊和輸出模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。電路板智能檢測(cè)系統(tǒng)硬件功能模塊組成圖如圖4所示。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制和通道切換，完成數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)的功能。由于數(shù)據(jù)采集卡本身具備電壓測(cè)試功能，所以可以直接用來(lái)測(cè)試電壓，不需要設(shè)計(jì)電壓接口電路，其他電流、電阻、電容、電感等接口電路及測(cè)試方法如下。

2.1 電流的測(cè)試方法

　　在電路板檢測(cè)的過(guò)程中，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握電流的大小非常重要，而數(shù)據(jù)采集卡不具備直接對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集量化的能力，系統(tǒng)采用了間接方法進(jìn)行測(cè)量。在本測(cè)試系統(tǒng)中，讓測(cè)試電流直接流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻實(shí)現(xiàn)I-U轉(zhuǎn)換從而間接對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，電流測(cè)量的原理圖如圖5所示。

　　在測(cè)試電路的設(shè)計(jì)中，通過(guò)并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大電路，編程控制四個(gè)繼電器的切換，讓電流依次流過(guò)不同數(shù)量的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換。圖5中的放大器采用LM324來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于放大器的輸入電阻很高，可以認(rèn)為被測(cè)電流全部流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻。由電路的基本原理可以知道，放大器的輸入電壓為，輸出電壓，輸出電壓與輸入電流成正比。通過(guò)編程控制繼電器切換不同的電阻，就能夠得到不同的量程。通過(guò)本測(cè)試方法，較好地滿足了電路板上小電流的測(cè)量。

2.2 電阻的測(cè)試方法

　　電阻的在線測(cè)試一般根據(jù)電路等效三角形結(jié)構(gòu)采用電隔離技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其測(cè)試原理圖如圖6所示。

　　圖6中與被測(cè)試電阻并聯(lián)的兩個(gè)等效電阻被運(yùn)放隔離，在運(yùn)放的一端加入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路后就可以得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出，根據(jù)計(jì)算，可得：。

2.3 電容的測(cè)試方法

　　電容的測(cè)量采用理想運(yùn)算放大器來(lái)消除電容兩端旁路等效阻抗的影響，實(shí)現(xiàn)電容的在線隔離從而進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)試電路圖如圖7所示。

　　由數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的交流信號(hào)，它激勵(lì)轉(zhuǎn)換電路，得到一個(gè)與被測(cè)試電容成正比的交流電壓信號(hào)V_o，V_o通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)以后，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二階帶通濾波，濾除固定頻率以外的雜波，再經(jīng)AC/DC VI函數(shù)轉(zhuǎn)換后得到與被測(cè)試電容成正比的電壓V。通過(guò)多組數(shù)據(jù)求得比例值K后，就可以根據(jù)比例值計(jì)算出被測(cè)試電容容值大小，可見(jiàn)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)質(zhì)是反相微分和積分電路。

　　由電路圖計(jì)算可得：， ?？梢钥闯觯粶y(cè)電容與輸入電壓V_o成正比，從而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)改變R₁和R₂的比值和電容C₁的大小，就可以擴(kuò)大電容的測(cè)量范圍。