某導彈測試設備電路板智能檢測系統設計

摘要：針對某型導彈測試設備電路板故障缺乏行之有效檢測方法的現狀，設計了某導彈測試設備電路板智能檢測系統。首先簡單介紹了電路板檢測原理，結合該設備電路板的結構和工作特點，建立了某型導彈測試設備電路板故障檢測的模型，闡述了該系統硬件各功能模塊的設計方案和系統軟件實現方法；以典型的光電轉換電路的測試為例，對電路板智能檢測系統的進行了試驗；試驗結果表明，該系統能解決導彈測試設備電路板檢測困難、測試效率較低的問題，提高了檢測的效率和故障定位的能力，其性能穩定可靠，操作使用方便，結果顯示直觀；結合試驗積累的經驗，從兩個方面對下一步繼續研究進行了展望。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/273266.htm

關鍵詞：電路板檢測；數據采集卡；虛擬儀器；導彈測試設備DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.4.007

引言

在導彈武器系統中，尤其是在以集成電路為核心的電子電路中，由于系統的規模越來越大，性能和構造也更加完善和復雜，對導彈武器系統的可靠性和可維護性的要求也越來越高。目前，某型號導彈武器系統地面測試設備電路板的故障檢測定位主要依賴生產廠家的技術人員，部隊缺乏有效的檢測方法和手段，致使測試設備電路板出現問題后影響后續的作戰與訓練。

目前，國內在電路板通用維修測試設備的研制和開發方面開發出了基于VXI、PXI、GPIB、ISA等多種總線結構的自動測試診斷設備（ATE）產品和相應的測試軟件，能完成電子設備的系統級、電路板級測試診斷，其測試方法是通過判斷電路板上的器件是否正常，及連線是否正確來檢測整塊電路板是否正常，對電路板有一定的學習能力，具有一定的通用性，但由于缺少對整板性能進行測試，測試結果不完全。國際上開展了無接觸檢測技術的研究，該技術充分利用被測電路板的各種物理場的特征參數，以此作為故障診斷的依據，具有測試速度快、適用范圍廣等特點，但由于該檢測技術十分復雜，而且檢測費用也非常高，可靠性難以保證，并沒有得到較好的推廣。

本文在對當前電路測試理論及技術進行分析后，針對某型導彈地面測試設備使用的電路板的特點及測試要求，構建了一個基于功能測試的電路板自動測試系統，可提高導彈武器系統的測試效率，并降低導彈武器系統的測試成本。

1.電路板檢測原理與故障模型

1.1電路板檢測原理

電路板系統測試的基本原理是暗箱原理，如圖1所示，被測對象電路板是一個“暗箱”，在不允許打開“暗箱”的情況下又要檢測電路板的功能好壞，只能通過對它施加激勵信號后判斷輸出響應來完成對系統的分析。

對于數字電路，測試其輸出端的響應代碼，與數據庫中的正確代碼比較，來判斷被測電路的邏輯功能是否正常，從而確定電路的好壞；對于模擬電路，測試其輸出端的電壓、電流、與輸入端之間的函數關系等其它參數，與相應的標準進行比較，根據它們是否一致來判斷模擬電路的功能是否正常。

1.2電路板故障檢測模型

構成導彈地面測試設備電路板的最小單元是無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成某個功能電路，完成特定功能：而功能模塊則由幾個功能電路組合而成，就能完成較為復雜的功能：一個電路板由若干個功能模塊組成、完成相應的系統功能，實現用戶的需求。因此，可將電路板分為以下四個層級：第一級是電路板級，第二級是功能模塊級，第三級是功能電路級，第四級是元器件級。根據四個之間的功能和相互關系，構成樹狀層次結構的電路板故障檢測模型，如圖2所示。

對導彈測試設備電路板的檢測過程是根據這個電路板故障檢測模型進行檢測的，對導彈測試設備電路板的檢測可在第一級也就是電路板級來實現，只要電路板級的檢測是正常的，便可認為導彈測試設備所有的電路板是無故障的。而對導彈測試設備電路板的檢測與診斷，可以按照導彈測試設備電路板故障檢測模型，采用從上至下的順序進行檢測與診斷，首先對導彈測試設備電路板級進行測試，如果發現導彈測試設備某個電路板級存在故障，則順序檢查各個相關的功能模塊，直到查到某個功能模塊存在故障，然后再對該功能模塊所包含的每個功能電路逐一進行檢測與診斷，如果發現導彈測試設備某個功能電路存在故障，再按照從上至下的順序檢測功能電路所包含的各個元器件，直至發現某個元器件有故障為止。倘若不能檢測到元器件故障，就檢測到功能電路級別，對功能電路進行整體更換。

2.系統設計與實現

檢測系統采用基于PC-DAQ的虛擬儀器構建模式，輔以靈活的測試接口電路。系統的硬件部分主要是對導彈地面測試設備電路板的模擬量測試信號、數字量測試信號和時序量測試信號進行采集和檢測，系統硬件設計總體結構框圖如圖3所示。

圖3中，被測試信號進入信號調理板后，分別通過模擬量通道、數字量通道、時序量通道進入檢測系統的數據采集卡：數據采集卡能夠產生控制信號，控制模擬量切換電路對模擬量的通道進行控制，使得需要檢測的模擬量進入檢測系統，而無關的模擬量則被隔離，此外，計算機作為系統的激勵源能產生相應的激勵信號通過ISA總線和數據采集卡送到信號調理板，用作電路板的檢測信號，這也是測試系統硬件的主要功能。

測試系統采用模塊化設計，根據導彈測試設備電路板檢測系統的需求，系統主要由電源轉換模塊、恒流源模塊、開關切換模塊、輸入模塊和輸出模塊、A/D轉換模塊和D/A轉換模塊組成。電路板智能檢測系統硬件功能模塊組成圖如圖4所示。

為了實現上述功能，本系統設計了相應的接口電路來實現對數據采集卡的控制和通道切換，完成數據采集和檢測的功能。由于數據采集卡本身具備電壓測試功能，所以可以直接用來測試電壓，不需要設計電壓接口電路，其他電流、電阻、電容、電感等接口電路及測試方法如下。

2.1電流的測試方法

在電路板檢測的過程中，及時準確地掌握電流的大小非常重要，而數據采集卡不具備直接對電流信號進行采集量化的能力，系統采用了間接方法進行測量。在本測試系統中，讓測試電流直接流過標準電阻實現I-U轉換從而間接對電流進行測量，電流測量的原理圖如圖5所示。

在測試電路的設計中，通過并聯電壓負反饋放大電路，編程控制四個繼電器的切換，讓電流依次流過不同數量的電阻來實現I-V轉換。圖5中的放大器采用LM324來實現，由于放大器的輸入電阻很高，可以認為被測電流全部流過標準電阻。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。通過本測試方法，較好地滿足了電路板上小電流的測量。

2.2電阻的測試方法

電阻的在線測試一般根據電路等效三角形結構采用電隔離技術來實現，其測試原理圖如圖6所示。

圖6中與被測試電阻并聯的兩個等效電阻被運放隔離，在運放的一端加入一個標準的測量信號Ul，通過轉換電路后就可以得到一個標準的信號輸出，根據計算，可得：RE=（U。/Ut）R。。

2.3電容的測試方法

電容的測量采用理想運算放大器來消除電容兩端旁路等效阻抗的影響，實現電容的在線隔離從而進行測量，其測試電路圖如圖7所示。

由數據采集卡的模擬輸出端口產生一個固定頻率的交流信號Vp，它激勵CE/V轉換電路，得到一個與被測試電容成正比的交流電壓信號V，Vo通過數據采集卡采集到計算機以后，通過軟件實現信號的二階帶通濾波，濾除固定頻率以外的雜波，再經AC/DC VI函數轉換后得到與被測試電容成正比的電壓V。通過多組數據求得比例值K后，就可以根據比例值計算出被測試電容容值大小，可見Cξ/V轉換電路的實質是反相微分和積分電路。

由電路圖計算可得：Vo=KCξ，K=R1Cξ/R1C1。可以看出，被測電容Cξ與輸入電壓V成正比，從而實現Cξ-V的轉換。通過改變R.和R2的比值和電容C1的大小，就可以擴大電容的測量范圍。

3.系統軟件設計與實現

根據導彈測試設備電路板檢測系統所要實現的功能和系統硬件的具體規劃，系統軟件采用模塊化設計、主要包括以下幾個功能模塊：系統自檢模塊、參數設置模塊、數據采集與處理模塊、數據庫管理模塊、故障診斷模塊。

系統自檢模塊通過自激勵一自測試的方法檢測系統本身工作是否正常；參數設置模塊設置所測量的數據類型及量程：數據采集與處理模塊實現信號動態接入控制，完成導彈測試設備測試信號的采集，并將所采集的信號轉換成系統所需要的電壓信號：數據庫管理模塊用于保存測試數據及相關信息，添加和更改與故障定位有關的信息數據：故障診斷模塊依據所采集到的信號狀態與數據庫中的標準值進行比較，判斷所測信號是否正常，若不正常將故障定位，并給出維修建議。系統測試流程圖如圖8所示。

4.實驗驗證

測試所使用光電轉換電路原理圖如圖9所示。

該光電轉換電路能將接收到的光信號轉換成正脈沖信號。當光信號投射到光敏三極管VT2上以后，直接轉變成電信號，VT2導通，由VT3、C2、Ll組成的選頻放大器對產生的電信號進行放大，最后由4011芯片整形產生正脈沖信號輸出。在對印刷電路板進行路內測試之前，需將被測試電路板上的所有器件、接點標出。可以看到，該電路板共有11個接點，分別標為Nol-Noll。按照元氣件的編號、類型、所連接接點號、阻抗器件的標稱數值創建一個數據庫文件。對于阻抗器件，用戶需要給出被測試器件的合格范圍，即給出最大和最小字段中的具體數值，如圖10所示。

測試界面根據當前所測試器件的不同類型顯示不同的界面。如果系統所測試的是阻抗性器件，系統會顯示輸入和輸出圖形，并顯示該器件的測量數值，與用戶給出的最大和最小數值進行比較來確定器件是否合格。

對于數字芯片和電平的測試，可以通過數字輸出端口來生成相應的測試矢量，然后通過軟件邏輯分析器來顯示相應的邏輯值，最后通過與正常芯片進行比較來確定待測芯片的好壞。在本電路圖中，可以直接對4011芯片的輸入管腳施加相應的測試信號，然后，利用軟件示波器來觀察它的輸出特性從而判斷芯片的好壞，如圖11所示。

對于本電路板來說，當經過變壓器后的交流電壓接到N01和N02兩端后，就可以使用本測試系統的軟件邏輯分析器進行測試，如果輸出正脈沖信號，則證明電路板工作正常。

5..系統改進展望

將來該電路板智能檢測系統可以在以下兩個方面進行改進研究：一是利用LabView的網絡接口，通過網絡與廠家的技術人員實現遠程通訊，從而提高故障診斷效率：二是結合故障診斷專家診斷系統的特點，建立相應的故障庫，并實時進行更新，實現數據共享，提高系統的可維護性。

6.結束謂

本文所設計的某導彈測試設備電路板智能檢測系統是一種能夠對某導彈測試設備電路板進行自動檢測和故障定位的裝置，較好地解決了導彈測試設備電路板檢修和測試比較困難、測試效率相對較低的問題，具有開發周期短、造價低廉、實用性強、操作簡便、自動化程度高等特點。經實驗室的多次試驗，證明該電路板智能檢測系統實現了某導彈測試設備電路板的自動化智能檢測、提高了檢測精度，縮短了檢測時間，其性能穩定可靠，操作使用方便，結果顯示直觀，具有重大的軍事意義和顯著的經濟效益。