电子设备电路板故障诊断技术

[摘要]论述了电子设备电路板故障诊断技术的概况和发展前景，结合航天测控公司“华佗电子诊所”系列产品HTEDS8000电子设备电路板维修测试与诊断系统，介绍了电路板故障诊断技术及应用。该系统综合了先进的测试与故障诊断技术，适用于电子设备尤其是军用电子装备的板级维修及综合测试。

　　随着科学技术的快速发展，特别是数字技术及各种超大规模集成电路的广泛应用，电子装备尤其是军用电子装备结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。虽然电子系统的性能得到提高，但是对测试和维修保障也产生了测试流程复杂、测试时间长、维修保障困难、维修费用高等诸多问题，这些问题严重影响了电子设备的完好性和寿命周期。
　　电路板故障诊断技术，可以快速、准确地对电子系统是否异常进行判断，对于出现的故障进行快速定位，并将故障隔离到最小可更换单元。在电子设备维护保障中应用现代故障诊断技术，可以提高系统的可靠性、有效性，保障设备发挥最大设计能力，延长使用寿命，降低寿命周期费用；通过检测监视、故障统计分析及性能评估等，为设备优化设计提供数据和信息，因此研究电子设备尤其是电路板故障诊断技术，将研究成果产品化推广应用，具有广阔的应用前景。

　　故障诊断技术的概况及发展前景

　　故障诊断是根据对被诊断对象测试所取得的有用信息进行分析处理，判断被诊断对象的状态是否处于异常状态或故障状态，确定故障的方位，预示故障的发生。早期的故障诊断是依据人对被诊断对象的感觉、听觉、触觉等感官和以往积累的相关经验，对其状态特征进行分析，判断某些故障的存在，或预测故障发生的时间。维修是为使设备保持或恢复到规定状态所进行的全部活动，即不仅包括设备在使用过程中发生故障（损坏）时进行修复，以恢复其规定状态的修复性维修，而且还包括在故障（损坏）前，预防故障以保持规定状态所进行的预防性维修活动。近年来，数字技术和超大规模集成电路广泛应用于功能电路板的设计中，电子设备的功能和结构也越来越复杂，因此对其的测试工作量大，对检测的质量要求高，一般情况下很难依靠人的感官和经验把故障因素检查出来。现代故障诊断技术是近年来随着电子计算机技术、现代测试技术和人工智能技术的迅速发展而发展起来的一种新技术，是指应用现代化仪器设备和计算机系统等高新技术设备，通过测试来检查和识别设备及零部件的实时技术状态，对其进行科学的诊断。应用故障诊断技术对设备进行测试和诊断，可以及时发现设备的故障和预防恶性事故的发生，从而避免出现重大损失。
　　美国是对故障诊断技术进行系统研究最早的国家之一，1961年美国开始执行阿波罗计划后，出现了一系列设备故障，促使1967年在美国航天局（NASA）倡导下，由美国海军研究室（ONR）主持美国机械故障预防小组（MFPG），积极从事故障诊断技术的研究和开发。美国作为世界头号军事强国，非常重视军事武器装备的后勤补给和维护保障，由于武器系统越来越复杂，装备设计越来越多地考虑保障问题，以确保维修工作能简单有效地进行，使装备能时刻保持可用状态，因此各种类型的故障诊断和维修专家系统已用于美国F-15战斗机、B-1B轰炸机、海军舰艇、陆军军械装置等现役武器装备的故障诊断和维修中。目前美国在航空、航天、核工业以及军事部门中诊断技术占有领先地位。欧洲一些国家在设备诊断技术方面也有很大进展，如英国从60年代末70年代初开始诊断技术的开发研究，在工业、核发电等方面占有某种优势。
　　我国虽然对故障诊断技术的研究起步较晚，但近年来得到迅速发展。在重要系统和装备的研制中提出了明确的测试性要求，制定了《装备测试性大纲》（GJB-2547-95）、《测试与诊断术语》（GJB-3385-98）等国家军用标准。国内军用测试系统，也随着军用设备对测试诊断技术的要求逐步开展研究。目前国内对装备的故障诊断技术，尤其是电路板级故障诊断技术的研究有了较大的进展。
　　北京航天测控技术开发公司在自动测试、故障诊断技术研究和相关产品开发方面取得了较大的成绩，开发出了具有自主知识产权的“华佗电子诊所”系列产品，包括HTEDS8000电子设备电路板维修测试与诊断系统、Fault Doctor故障诊断软件平台等产品，该产品综合应用了先进的测试与故障诊断技术，适于电子设备尤其是军用武器电子装备的板级维修测试及综合保障，在海军、空军、二炮等军兵种进行了推广应用。

　　电路板故障诊断系统实现

　　为了实现电路板测试与诊断，故障诊断系统一般应具有电路板功能检测、激励信号生成、信号测试与采集、信息管理和数据分析等系统功能，可对各类型电路板进行测试诊断，将故障隔离定位到发生故障的最小可更换单元（如元器件）。
　　北京航天测控技术开发公司自主开发的HTEDS8000 电子设备电路板维修测试与诊断系统基于VXI总线构架，具有开放式、模块化、易扩展的结构特点。系统主要任务是通过建立的系统硬件平台，达到模拟电路板实际工作环境，完成被测板诊断信息获取，经过诊断程序的分析、判断确定故障位置，完成故障诊断的目的。系统主控计算机软件通过标准接口软件实现对VXI总线仪器和IEEE488接口仪器的控制，产生仿真测试所需的激励，通过通用信号转接箱和专用适配器加载至被测板边缘连接器的相应端子，同时获取相应的响应数据，通过诊断软件的分析、判断，完成故障定位。

　　HTEDS8000 电子设备电路板维修测试与诊断系统体系结构

　　电子设备电路板维修测试与诊断系统主要由主控计算机、VXI总线仪器、IEEE488接口仪器以及专用设备组成。硬件部分可扩展性强，可根据用户的需求做相应的增减。
　　VXI总线具有结构紧凑、标准开放、数据吞吐能力强、模块重复使用等特点，并且虚拟仪器软件结构（VISA）解决了计算机与仪器之间的接口及应用软件开发环境的兼容性问题，GPIB总线作为一种成熟的标准仪器总线具有广泛的应用范围，两种总线接口在系统中结合应用，使系统的通用性、测试功能及测量带宽的扩充性和电磁兼容能力进一步提高。
　　对于多种类型电路板的测试诊断，系统通过被测电路板专用适配器与被测电路板相连，激励信号通过通用信号转接箱发送至专用适配器，加载到被测电路板相应端子，同时将被测信号送入通用信号转接箱的信号测量通道，经调理、转接后由VXI测控组合中的测量模块、功能模块或GPIB测量设备实现信号的测量、控制和采集。主控计算机对数据采集及激励设备的工作进行协调和控制，测试数据经过相应的预处理，提供给诊断专家系统。每个电路板通过配置专用适配器和测试诊断程序（TPS），就可实现电路板的测试与故障诊断。

　　Fault Doctor 故障诊断软件平台

　　HTEDS8000 电子设备电路板维修测试与诊断系统配置了测控公司自主开发的应用软件Fault Doctor Ver1.0故障诊断软件平台，该软件根据故障分析理论融合了先进的虚拟仪器测试技术、人工智能分析方法、专家知识库，可对各类型数字、模拟及数模混合电路板进行测试、分析和诊断。
　　该软件平台采用OLE、COM等先进的技术，通过COM接口搭建功能框架，然后在框架内根据需求添加各种功能模块，包括各种信号处理模块、测试处理模块、仪器配置操作模块、诊断算法处理模块、数据信息管理模块等；各模块的添加具有相对的独立性，通过主框架程序进行数据交换；并且可进一步改进或者添加新的功能模块。软件提供二次开发的接口，采用COM接口的软件设计思想，解决了程序编写和升级的难题，提高了系统的可靠性和扩展性。
　　软件体系包括测试诊断执行平台、测试诊断开发平台、用户界面编辑平台、数据信息管理平台及在线帮助等功能模块。测试诊断开发平台完成对被测电路板进行故障诊断和定位，提供自动监测和信息提示功能；测试诊断开发平台提供可视化图形界面环境引导开发人员输入诊断步骤、模拟激励、数据激励、信号类型、测试节电、仪器操作等，以完成测试诊断程序开发任务；用户界面编辑平台生成诊断执行界面的显示内容，完成人机界面的交互设置；数据信息管理平台完成故障电路板型号统计和原器件统计分析、故障趋势分析和预测试功能，实现故障诊断测试、信息分析反馈的融合。
　　软件具有可视化引导功能，开发人员不需掌握复杂的程序编码、专业性极强的智能诊断算法和专家系统原理，只需通过各种流程模块和相应的功能组件，输入专家知识及必要的测试信息，即可建立一个具体的诊断软件，提高了测试诊断开发效率。

　　电路板故障诊断专家系统及诊断方法

　　HTEDS8000 电子设备电路板维修测试与诊断专家系统分知识库和推理机两部分。对于诊断知识库，包括电路板的故障知识、正常知识，知识库的知识可以增加、修改、删除及优化。推理机采用基于普通推理、神经网络、模糊逻辑相结合的综合智能推理机，既可提高诊断推理速度，同时也可以提高故障隔离的精度。专家系统的构建是一个逐步成熟的过程，随着诊断知识的累积、优化，故障诊断专家系统功能就会越来越强。该系统集成了规则推理、多重神经网络、模糊神经网络、小波分析、遗传等多种诊断知识表示方式，提供了了基于浅层/深层知识的推理机制，基于模糊神经网络、自适应遗传算法的智能诊断推理方式，具有完整的电路原理与网络连接关系的知识表示模型。
　　在诊断领域，模糊逻辑理论和神经网络技术在知识表示、知识存贮、推理速度及克服知识窄台阶效应等方面起到了很大的作用。模糊逻辑与神经网络相结合的模糊神经网络既能表示定性的知识又能具有强大的自学习能力和数据处理能力，从而大大拓宽了处理诊断信息的能力。模糊神经网络由于涉及模糊理论和神经网络理论这两个较前沿的领域，应用起来较复杂。主要用于故障模式比较复杂的电路板的诊断。诊断专家了解测试数据范围，而且能够较合理选择模糊子集和模糊隶属度的场合。模糊神经网络的优点是确定模糊子集和模糊隶属度后，网络训练需要的诊断知识很少，就能达到很高的诊断定位精度。
　　系统采用诊断树的方式向用户解释诊断推理过程，提供对诊断过程中涉及到的测试流程、初始数据、自动采集数据、交换数据、所用仪器和资源、标准数据、诊断执行、推理方式等内容的记录和查询；具有单步、断点等多种调试方式；对于缺乏技术资料的UUT，提供了对比测试功能，支持整板功能对比测试、实板仿真测试、元器件在线测试等方式。
　　电路板测试方法通常为：首先确认其资料是否齐全，原理是否清楚，若是，则将被测板分类，对不同类型的电路板根据电路板的具体情况采用相应的诊断方法；若对被测板不熟悉，一般按照资料不全、原理不清楚的电路板诊断思路进行测试诊断。

　　电路板故障诊断技术为电子设备提供有力保障

　　随着高新技术发展，电子设备的维护保障提出了更高的要求，基于现代测试技术、人工智能技术的电子设备故障诊断系统是测试维修的重要手段之一，电路板故障诊断技术提高了板级产品维护保障能力，加快了现代电子产品设计、生产、维修进程，增强了电子设备使用寿命，在军用武器电子装备和民用电子设备的维护保障中都具有重要的意义，具有广泛的应用前景。