基于PXI总线的便携式引进装备通用电路板故障诊断仪的设计

王 朕，秦 亮，王朝轰

(1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001； 2.海军91115部队，浙江 定海 316000)



基于PXI总线的便携式引进装备通用电路板故障诊断仪的设计

王 朕1，秦 亮1，王朝轰2

(1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001； 2.海军91115部队，浙江 定海 316000)

为提高引进装备的自主维修保障能力，针对引进导弹装备模拟电路板、数字电路板和数模混合电路板的特点，设计了适合各型板卡安装的安装平台，构建了基于PXI总线的一体化硬件诊断资源平台；运用基于电压/电流的复合故障诊断方法及深浅知识推理机相结合的故障诊断策略完成故障诊断；研制了一型便携式通用电路板故障诊断仪；该诊断仪系统结构紧凑，使用灵活，携带方便，能够有效完成引进导弹装备中的数字电路、模拟电路和数模混合电路快速、精确的故障诊断，诊断精度可定位至器件管脚。

PXI总线; 便携式; 知识推理机; 故障诊断

0 引言

20世纪90年代，我国从俄罗斯引进现代级军舰、基洛级潜艇、Su-27战斗机等军用装备及配套反舰、防空、潜射、空空等多种类型的导弹和测试设备，经过多年应用，这些装备已进入故障高发期；同时，立足于引进装备的维修保障能力自主化的要求，亟需研制一批配套检测、诊断设备。上述引进装备设计、定型、生产于20世纪70～80年代，并且俄罗斯电子制造技术及工艺较为落后，导致引进装备中包含大量由分立元件、集成度很低的数字芯片组成的模拟电路、数字电路和数模混合电路。目前，蓬勃发展的PXI总线技术由美国国家仪器公司在1997年推出，它综合了PCI、CompactPCI坚固的插卡结构、VME总线、VXI总线和GPIB总线的优点，具有数据传输速率高、兼容性强、模块化、小型化、高性能和高集成度的特点，迅速应用于各领域的测试、诊断平台技术[1-2]。本文采用PXI总线技术，在充分调研引进装备模拟电路板、数字电路板和数模混合电路板机械、电气特点的基础上，设计了电路板安装平台，综合运用基于电压/电流测试的故障诊断技术及深浅知识推理机相结合的故障诊断策略、构建相应数据库，研制了便携式数模混合电路故障诊断仪。

1 总体设计

综合考虑到被测对象电气接口具有一定的通用性及诊断仪的便携性，在硬件平台上采用两部分设计。一部分是主机箱，包括PXI测控机箱、PXI测试资源(程控直流电源、数字化仪、数表、矩阵等)、键盘、显示器、鼠标，内部采用PXI总线，标准接口采用VPC iCon系列海量连接器，总体上该部分优先选用成熟货架产品；另一部分为被测对象机械安装平台，针对被测对象特点设计相应机械接口，并能提供必要的专用直流电源。考虑到便携性，每个部分的长宽高不超过40 cm×40 cm×30 cm，重量不超过15 kg。软件上，利用Windows XP操作系统和Lab Windows/CVI开发软件开发测试程序；软件驱动程序源代码具有开放性、仪器模块具有互操作性，并能满足二次开发测试程序的要求，软件整体上技术规范标准、稳定可靠、灵活易用。

2 硬件设计

2.1 安装平台设计

图1 被测对象安装平台示意图

图2 硬件平台资源及连接关系

被测对象安装平台采用一体化设计，由机箱、VPC连接器、母板、测试适配板、被测对象固定装置等组成，箱体采用优质钢板喷塑制作，母板用螺栓紧固于在平台上，整体外形示意图如图1所示。系统测试所需硬件资源通过VPC iCon连接器接入，采用软连接的方式与母板连接，母板固定在箱体的上表面。测试适配板完成被测对象与母板之间的转换，测试适配板与母板之间采用欧卡连接器硬连接，被测对象与转接板之间采用特定连接器硬连接。测试适配板根据被测对象的测试要求进行制作，不同的UUT配置不同的测试适配板。

UUT固定装置安装在滑动机构上，根据用户不同的被测对象UUT，可实现自由调节夹持位置，然后紧固与滑动机构上，以便用户检测。在设备上提供示波器(DSO)、万用表(DMM)信号连接接口，便于接入示波器探头、万用表表笔，方便UUT的测试与检修。在安装平台内配置了+27 V、+5 V和±15 V专用电源模块，并在平台面板上装配一个电源开头按钮，用于紧急情况下切断所有供电电源，电源开关按钮通过安装平台内的一组继电器实现电源的通断控制。设备配置一块通用测试适配板，将标准接口上的信号从凤凰端子接出，同时预留部分接其他专用信号的凤凰端子，进行快速检修。母板与测试适配板之间通过欧卡连接器连接。在测试适配板上配置起拨器，方便测试适配板的插拔。用助拔器拔插装置，然后连接板周边用螺栓紧固，将测试适配板固定在平台上。其中助拔器的选用及安装位置，在测试适配板上预留安装位置。当用户使用不同测试适配板时，被测板的插槽位置也有所不同，因此采用滑动机构可以调节针对被测板的夹持位置，以便用户检测。

2.2 硬件资源平台设计

系统硬件平台采用PXI货架产品实现，PXI硬件资源由PXI机箱、PXI控制器、PXI功能模块组成，所有的PXI功能模块都安装在PXI机箱内，模块驱动程序都安装在PXI控制器上，硬件资源连接关系如图2所示，PXI功能模块的型号、数量、名称如表1所示。

PXI控制器采用基于Intel Core2 Duo处理器，实现CompactPCI/PXI总线控制与访问，满足基于CompactPCI/PXI设备模块所需系统控制器的要求，最终实现对PXI模块的管理与资源分配、与模块的通讯；数字化仪模块用作示波器进行数据测量；ADC模块和DAC模块分别完成模拟量输入/数字量输出和数字量输入/模拟量输出功能；8×32矩阵开关模块和8×16矩阵开关模块共同搭建16×32的开关矩阵完成数表、频率测量等模块的分时复用；直流电源模块提供隔离输出±20 V/2 A(40 W)的电源；数表模块实现交直流电压、交直流电流、二线电阻、四线电阻的测量，并具有自动测量、过载保护等功能；数字化仪模块完成对交直流信号的采集；高速数字I/O模块采样频率达20 MHz，完成对高频信号的输入/输出；数字I/O模块主要用于5 V的TTL/CMOS逻辑信号的输入/输出，并具有可编程滤波功能；频率测量模块提供8个32位的计数器/定时器，能可靠、精确地完成频率测量功能；64通道单刀双掷继电器模块切换能力达60 W/62.5 VA，最大工作电流达1 A，最大切换电压达100 VDC/100 VAC；信号源模块可输出正弦波、方波、三角波或其他任意波形，存储深度可达64 MSa/通道，并支持单次、连续和任意波形序列输出；PXI机箱采用一体化机箱，采用上翻式结构，提供键盘、触控板等人机接口外设。

3 故障诊断策略与软件平台开发

3.1 故障诊断策略

3.1.1 诊断方法的选择

电路板的故障诊断离不开激励信号与响应信号的测量，电信号有电压信号和电流信号之分；因此，对电路板的故障诊断可分为基于电压测量和基于电流测量的故障诊断方法。对模拟电路而言，典型的故障诊断方法有故障字典法、元件参数解法、预猜验证法和逼近法；对数字电路而言，典型的故障诊断方法有穷举法、伪穷举法、布尔差分法、D算法、边界扫描法、特征分析法、九值算法；上述方法均为基于电压测量的方法。由于数字电路规模的增加及CMOS芯片的应用，基于电源电流的故障诊断方法在数字电路故障诊断中的应用越来越广泛。基于电路的故障诊断方法有静态电流法和动态电流法，静态电流法在数字电路板是否发生故障的诊断上非常有效，动态电流法进一步提高了数字电路板的诊断效率[4]。基于电流的故障诊断方法有效补充了基于电压故障诊断方法的缺点，有效提高了数字电路故障诊断的准确率。对于数模混合电路的故障诊断，通常有两种方法：一种是将电路板的数字部分和模拟部分分开诊断[3]；另一种是采用智能故障诊断方式直接诊断。

表1 PXI功能模块清单

本文设计研制的故障诊断仪综合采用了基于电压和基于电流的故障诊断方法，可根据被测电路板是模拟电路、数字电路还是数模混合电路自动或手动选取诊断方法。

3.1.2 故障诊断策略推理机制

对于复杂的电路，采用基于深浅知识结合的推理机制完成故障诊断。推理机是推理机制的具体实现，推理机制又称控制策略，是故障诊断系统的关键。作为故障诊断系统的信息组织与流程控制机构的推理机，能够根据诊断对象的状态信息，从知识库中选取相关的知识并按一定的推理策略进行推理，直到得出相应的结论。根据引进导弹电路板的特点及在线测试、脱机诊断、现场维修的设计目标，设计了一种模拟人类专家诊断思维过程的、具有很强通用性的故障诊断策略诊断推理机。在推理方法上，采用了深、浅知识推理结合的混合型推理方案，很好的结合了两种推理模式的优点，提高了推理机的性能；在推理方向上，采用了正、反向推理相结合的双向推理设计，有效提高了推理效率；在推理机制上，采用了深浅知识推理机相结合的推理机制，在推理机搜索方法上采用了深度优化和“最大、最近、最易相关”的搜索策略，模拟了人类专家在故障诊断时的一般思维规律，提高了搜索效率和可信性。深浅知识推理机结构如图3所示。

图3 深浅知识推理机结构图

3.2 软件平台的功能与开发

3.2.1 软件平台的基本功能

软件平台提供被对象测试诊断程序的开发环境、运行环境，并通过仪器模块接口控制标准测试接口上的硬件资源完成被测对象的测试及故障诊断，主要实现设备管理功能、用户管理功能、数据管理功能和诊断推理功能，并预留网络控制功能。设备管理用于检测与维修设备仪器的构成和变化情况，完成系统的配置和升级，主要包括仪器模块的注册、增加、删除、更换、驱动管理和自检等功能；用户管理实现用户创建、密码修改、系统管理员和操作测试员的权限分配等功能；数据管理用于完成既往测试及诊断数据的管理以及基础数据的管理及维护，主要包括数据完整性检查、技术状态的查询与了解、数据的添加、数据的删除、数据的修改、数据的导出及数据备份与恢复等功能；诊断推理是故障诊断仪的核心，用来完成对故障板卡的测试及故障诊断，主要以知识库为基础、采用3.1中的故障诊断策略、运用推理机实现对被测对象的故障诊断。

3.2.2 软件平台的开发

本文应用Lab Windows CVI软件开发环境在Windows XP操作系统下、采用自顶向下的程序设计方法开发了故障诊断仪的软件平台。软件平台的实现过程主要包括操作系统安装、诊断程序界面设计、开发环境安装、PXI仪器模块驱动及调试、诊断程序流程设计及实现、数据库设计及实现、软件平台的应用与验收等内容，软件开发流程如图4所示。

根据用户需求，软件平台(诊断运行程序)实际运行界面如图5所示。其中，1区用来实现已安装或增加的PXI仪器模块的单独调试同能；2区为诊断仪系统组成及自检显示界面，用于判断系统中PXI仪器模块的状态及整体运行状况；3区用于对故障板卡进行诊断时资源利用状态显示；4区为故障诊断时，程序运行步骤及每个步骤资源利用情况显示区；5区为根据诊断步骤，自动生成的诊断流程，用于辅助分析；6区为诊断程序的关键语句展示。在诊断过程中，根据用户需求及设置，

图4 软件平台开发流程

测试项目测试类型 模拟电路数字电路数模混合电路模块数量故障数(定位数)模块数量故障数(定位数)模块数量故障数(定位数)反舰导弹设备36(5)47(7)47(6)反舰导弹测试设备33(3)35(5)58(8)防空导弹设备44(3)34(4)58(7)防空导弹测试设备55(5)48(8)24(3)

可以自动将相关数据计入数据库；诊断结束后，用户可对数据库数据进行分析或通过4区和5区的分析将故障定位。

图5 诊断程序运行界面

4 应用及分析

该故障诊断仪研制成功后，维修人员根据系统及被诊断对象的工作原理编写故障诊断程序(激励信号及步骤，响应信号记录与分析)，对引进导弹及测试设备中模拟电路故障模块、数字电路故障模块和数模混合电路故障模块3型共45块进行诊断，其结果如表2所示。

从表2中可以看出，该故障诊断仪对模拟电路故障模块的故障定位率达89%；对数字电路故障模块的故障定位率达100%；对数模混合电路故障模块的故障定位率达92.5%。由于模拟电路的故障定位比数字电路的故障定位要困难，上述应用结果也符合故障诊断的客观规律。

目前，该故障诊断仪内存了已进行试验的45型模块的故障诊断程序，用户可以直接利用这些程序对45型模块中的任何一种进行故障诊断，也可在该诊断程序的基础上改进诊断策略或方法以提高故障的定位率；此外，用户可以根据需要自己增加、删除其他模块的故障诊断程序。试验过程和结果分析表明，提高数字电路故障诊断率或故障定位率的关键因素是诊断策略的选择和诊断程序的编写。

5 结束语

本文基于PXI总线设计研制了一台便携式引进装备数模混合电路板故障诊断仪，完成了被测电路板安装平台、硬件资源平台设计，采用基于电压/电流信号的故障诊断方法，运用深浅知识推理机故障诊断策略，在Lab Windows CVI开发环境下完成软件设计。该故障诊断仪的成功研制为引进导弹装备自主维修工作提供了有力的支持，实践应用还表明该故障仪还具有集成度高、体积小、重量轻、便于携带、技术水平较高等优点。

[1] 姜景伟，李国林，路翠华.基于PXI总线的导弹引控自动测试系统设计[J].现代电子技术, 2014(10)：87.

[2] 察应坤，李 炜，杜 胜.基于PXI技术的飞控计算机通用测试平台的构建[J].测控技术, 2014(3)：102.

[3] 徐 磊，陈圣俭，王月芳，等.数模混合电路测试与故障诊断方法研究[J].计算机测量与控制, 2010(8):1709.

[4] 陈 飞.基于电源电流测试的数字电路故障诊断研究[D].南京：南京航空航天大学,2008.

Design of Portable All-purpose Circuits Fault Diagnosis Device for Imported Armaments Based on PXI Bus

Wang Zhen1, Qin Liang1, Wang Chaohong2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,China;2.Naval 91115 Army, Dinghai 316000,China)

For improving independent maintaining-ability about the imported armament in China, one portable all-purpose circuits fault diagnosis device is designed and developed. The fixing-platform is designed for the analog circuits, digital circuits and mixed-signal circuits of the imported armaments. The integrated diagnose hardware resources platform is built based on PXI bus. The complex fault diagnosis method based on voltage measurement and current measurement and the fault diagnosis stratagem based on knowledge deduces mechanism are applied in this device. The fault diagnosis has advantages of compact framework, portable carry, the fault located accuracy etc.

PXI bus; portable; knowledge deduces mechanism; fault diagnosis

2015-09-25；

2015-11-12。

王 朕(1979-)，男，山东聊城人，讲师，工学硕士，主要从事测试理论教学与装备维修保障工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0099-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.027

TP3

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