DSP平臺下的電路故障檢測算法的分析研究

摘要：為了克服傳統(tǒng)電路故障診斷平臺應(yīng)用和普及的不便，根據(jù)DSP的特殊軟硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析研究了故障字典法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等不同電路故障檢測方法，并拓展了新的頻域分析方法，對于電路故障檢測設(shè)備的實(shí)用化提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：故障檢測 DSP 故障字典 頻域分析 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著電子技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的規(guī)模不斷的擴(kuò)大，集成化程度不斷提高，而作為生產(chǎn)過程中必不可少的檢測環(huán)節(jié)，電路的可及節(jié)點(diǎn)大幅度減少，檢測的復(fù)雜性和成本變得更加難以與電路的發(fā)展相匹配。如何在電路故障發(fā)生進(jìn)行檢測，及潛在故障的發(fā)現(xiàn)對于電路的維護(hù)和保障電路質(zhì)量有著重要的實(shí)際意義。在大部分工廠生產(chǎn)環(huán)境中，電路檢測仍然采用人工檢測的方法，QC（Quality Controller，品質(zhì)控制員）的素質(zhì)和耐心決定著產(chǎn)品的合格率，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，隨著技術(shù)的發(fā)展涌現(xiàn)出了ATS（Automation Test System，自動檢測系統(tǒng)），電路故障ATS系統(tǒng)對于提高電路檢測的正確率和效率，降低生產(chǎn)成本有著重要的作用[1]。

電路故障診斷已經(jīng)有了較好的發(fā)展，具有了一些較為成熟的理論和算法，但是縱觀這些方法，大多數(shù)計(jì)算量都偏大，計(jì)算復(fù)雜性使得其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會受到制約[2]。目前在嵌入式領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用研究已有，包括ARM，F(xiàn)PGA等平臺上的應(yīng)用和研究。但是隨著復(fù)雜故障診斷理論的發(fā)展，檢測算法在嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)也愈加困難。

DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理器）具有特殊的硬件結(jié)構(gòu)和軟件指令設(shè)計(jì)[3]，使得其在數(shù)據(jù)處理，算法實(shí)現(xiàn)上具有獨(dú)特優(yōu)勢，特別是采用數(shù)字信號處理相關(guān)方法，如頻域分析對模擬電路信號的判斷。根據(jù)DSP平臺的特點(diǎn)，從可實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)對不同的電路故障診斷算法進(jìn)行了分析和研究。

1 故障字典法

故障字典法是電路故障診斷算法中較為早用的一種檢測方法，是上個(gè)世紀(jì)末，電路故障測前模擬檢測方法的研究成果的代表。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，診斷條件寬松，沒有太多使用條件限制，是一種簡單有效，應(yīng)用廣泛的方法，也是電路故障診斷中最具有使用價(jià)值的一種方法。

該方法通常需要在檢測之前對電路各種故障狀態(tài)進(jìn)行仿真，提取出不同故障狀態(tài)發(fā)生時(shí)，對應(yīng)的電路的特征。電路的特征是通過設(shè)定多個(gè)檢測點(diǎn)，測量測試點(diǎn)的電信號特征，通過測試點(diǎn)的電壓電流或者其他信息的變化來反映電路的故障。將仿真的結(jié)果，即不同故障對應(yīng)的不同測試點(diǎn)的值及變化特征列入表格，組成字典。電路的可測性則必須保證每個(gè)故障對應(yīng)的特征需要能夠進(jìn)行區(qū)分。在進(jìn)行電路實(shí)際故障檢測時(shí)，只需要將測試點(diǎn)的電信號特征提取，然后查找字典，與已測故障特征進(jìn)行比較，如有相符則測試結(jié)果為故障，且故障為對應(yīng)的故障結(jié)果，相反則為無故障。

可見該方法簡單易行，實(shí)現(xiàn)方便，關(guān)鍵是要找到不同故障的特征，這就需要大量的仿真實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)針對不同的電路，其故障特征必然會發(fā)生較大的變化，那么故障字典也必須進(jìn)行重新設(shè)定。同時(shí)該方法難以解決有容差或較大容差電路的故障診斷，受到電路拓?fù)錀l件的限制一般只能解決單故障的診斷。現(xiàn)在電路規(guī)模越來越大，對于大規(guī)模電路，建立故障字典的工作量較大，測試計(jì)算復(fù)雜，實(shí)際使用受到了限制，特別是針對實(shí)時(shí)性要求較高的診斷時(shí)，該方法難以適用。

由此可知，故障字典法對于小電路故障的診斷仍然具有良好的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)方便，簡單易行，對于小產(chǎn)品的生產(chǎn)檢測適用。

2 頻域分析方法

頻域分析是以輸入信號的頻率為變量，在頻率域研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的關(guān)系，揭示了信號內(nèi)在的頻率特性以及信號時(shí)間特性與其頻率特性之間的密切關(guān)系，從而導(dǎo)出了信號的頻譜、帶寬以及濾波、調(diào)制和頻分復(fù)用等重要概念。1822年傅里葉提出傅里葉級數(shù)奠定了頻域分析的理論基礎(chǔ)，20世紀(jì)在電子領(lǐng)域得到了廣泛的適用。元器件的性質(zhì)和頻率有很大的關(guān)系，采用頻域分析的方法可以更好的理解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，對于電路故障診斷提供了一個(gè)新的思路。

頻域分析方法現(xiàn)在已經(jīng)得到了業(yè)內(nèi)的重視并得到了很好的發(fā)展，已有分析方法眾多，而使用最廣，最為經(jīng)典的就是FT（傅里葉變換）。然而傅里葉變換的定義如下：

F（ω）=■f（t）e-jω tdt （1）

可見，頻譜密度的計(jì)算是指數(shù)運(yùn)算，成分運(yùn)算和積分運(yùn)算組成的，這對于數(shù)字設(shè)備來說都不好實(shí)現(xiàn)，所以引進(jìn)了離散傅里葉變換，DFT：

X（k）=■x（n）e■=■x（n）W■■ （2）

這里的頻譜和時(shí)間信號都是離散的數(shù)字的，所以適合于數(shù)字設(shè)備的使用。然而DFT的計(jì)算復(fù)雜性是N的平方項(xiàng)，隨著N的增加計(jì)算量會大量增加，給實(shí)際應(yīng)用帶來了麻煩。因此利用旋轉(zhuǎn)因子的周期性和對稱性，1965年Cooley-Turky 提出了新的快速離散傅里葉變換方法FFT，其乘法運(yùn)算量為N/2log2N，得到較大改善。目前FFT及其改進(jìn)算法已經(jīng)在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。

DSP在FFT算法實(shí)現(xiàn)上具有良好的優(yōu)勢，其特殊的哈弗結(jié)構(gòu)，流水線操作，乘法器結(jié)構(gòu)，蝶形運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)更加的快捷和方便，因此使用DSP進(jìn)行頻譜分析是最好的選擇。該方法適用于電路規(guī)模較大，頻率信息豐富，電路性能功能分析要求較高的電路故障診斷。另外該方法單獨(dú)運(yùn)行難以將電路的各種故障都得以較好的區(qū)分，需要和其他方法配合實(shí)現(xiàn)。

3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，模糊理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)，小波分析等方法得到了很大的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的重視和研究。對于故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，也都有涉及，然而在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)部分算法的復(fù)雜性較高，實(shí)現(xiàn)困難，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的部分模型則可以很好的實(shí)現(xiàn)，因此我們就此進(jìn)行討論。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性映射能力，并且具有自組織自學(xué)習(xí)，聯(lián)想存儲和尋求最優(yōu)解的能力。1943年心理學(xué)家W.S.McCulloch和數(shù)理邏輯學(xué)家W.Pitts建立了最早的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，隨著相關(guān)研究的深入，現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型很多，在電路故障診斷中我們是需要其實(shí)現(xiàn)故障特征的提取和區(qū)分，最為經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類功能可以很好的實(shí)現(xiàn)故障定位。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算涉及正向運(yùn)算和反向傳播兩部分，其中正向運(yùn)算輸入層xi到隱藏層zk：

zk=f（■vki×xi），k=0，1，…，q （3）

其中vki為隱藏層權(quán)值。f（）為傳遞函數(shù)。隱藏層zk到輸出層yj：

yj=f（■wjk×zk），j=0，1，…，m （4）

其中wjk為隱藏層權(quán)值。f（）為傳遞函數(shù)。由此可知該網(wǎng)絡(luò)在使用時(shí)只涉及累乘加和傳遞函數(shù)運(yùn)算，累乘加運(yùn)算是DSP的核心運(yùn)算部件，能夠在單位周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次MAC運(yùn)算。而傳遞函數(shù)，我們可以在輸出層采用線性函數(shù)，隱藏層采用下列傳遞函數(shù)：

f（x）=■ （5）

該傳遞函數(shù)是給線性函數(shù)，其計(jì)算精度和速度成為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的關(guān)鍵。我們可以采用快速近似的方法進(jìn)行計(jì)算[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能夠很好的解決容差效應(yīng)對故障診斷的影響，對容差電路的硬故障與元件參數(shù)偏移較小的軟故障均可進(jìn)行檢測與定位，且對電路可及節(jié)點(diǎn)及交流測試頻率的數(shù)目要求較低。

4 總結(jié)

根據(jù)不同電路故障診斷的需要和DSP的特點(diǎn)，討論了在DSP系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)電路故障診斷的不同方法。對于小規(guī)模電路可以采用簡單易行的故障字典法進(jìn)行診斷，而對于較大規(guī)模電路，則故障字典的設(shè)定將會變得非常復(fù)雜，測試點(diǎn)需求高，所以可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，另外利用DSP在數(shù)字信號處理及頻域分析的優(yōu)勢，加入頻域分析方法，可以增強(qiáng)電路故障診斷的能力，減少測試點(diǎn)的數(shù)量。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：贛南師范學(xué)院自然科學(xué)研究。青年基金課題：基于

DSP的電路故障檢測平臺研究[09kyz14]。

蔡崗（1983-），男，碩士，講師，主要研究方向：信息技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)。