某彈載設備數字電路的故障自動檢測系統設計

陳　云， 劉新妹，郭棟梁

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原　030051)

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某彈載設備數字電路的故障自動檢測系統設計

陳云， 劉新妹，郭棟梁

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051)

針對某彈載設備數字電路因高度集成化導致電路故障難以檢測的現狀，設計了集分立元件檢測技術和模塊化功能檢測技術于一體的多功能數字電路故障自動檢測系統，給出了測試原理圖和激勵信號的程序設計，并制定了電路故障自動檢測流程，設計了上位機軟件。試驗結果表明：系統對分立元件檢測和模塊功能檢測均具有高精度和高準確性特點，從而實現故障部分的快速定位，降低電路的維護成本，并且保證了彈載設備的可靠性。

數字電路；故障檢測；FPGA；激勵信號

現今數字電路集成化程度大幅提升，電路的規模呈幾何增大，功能日趨復雜。在彈載參數測試設備中，數字電路向模塊化、體積小和性能更加完善的趨勢發展[1-2]。為滿足武器測試設備的高可靠性和易于維護性的要求，研究測試設備數字電路故障的自動檢測技術愈發重要。傳統的測試工具如萬用表、邏輯分析儀等存在測試工作量大、效率低的問題。采用針床夾具的在線測試技術可實現對電路內每個節點的單獨測試[3]，該方法測試激勵簡單，故障定位準確，但其存在某些封裝的探測節點無法獲取且不能實現整個電路板的功能測試。此外，市場推出的電路板故障檢測儀可在無電路圖、不需要聯機情況下實現器件級的檢測，但故障檢測儀成本昂貴，且測試指標性能尚需提高[4]，如德律ICT測試儀動態檢測速率為1～100 kHz、存儲深度僅為1 Mbit。針對當前測試方法各自存在不足，并為了滿足某彈載設備數字電路檢測要求，設計了一個集靜態檢測技術(分立元件檢測)和動態檢測技術(模塊功能檢測)于一體的多功能故障自動檢測系統，從而提高彈載設備電路的故障檢測效率，并有效降低檢測成本。

1　系統概述

1.1系統工作原理

系統以FPGA芯片作為整體控制核心，以Flash芯片作為每個測試通道的數據存儲器，系統共有8個測試通道CH1～CH8，存儲深度為16 MBytes，每個測試通道實現不同的參數測試(如CH2對應電阻測試，CH3對應電容測試)，并且存儲深度和測試通道數量均支持擴展。此外，系統整體結構主要由4部分組成：測試激勵生成、緩存及發送模塊；響應信號接收、緩存模塊；USB傳輸模塊；上位機模塊。系統上電后，首先進行功能選擇：分立元件檢測或模塊功能檢測。分立元件檢測時需選擇相應的測試通道，并對各元件或測試點進行測試，各通道功能是由獨立的測試集成電路來實現；模塊功能檢測需要系統提供激勵信號，由FPGA硬件編程產生，并將激勵信號加載到待檢測電路板的測試節點上。然后系統開始進行檢測，等待被檢測電路返回響應信號，經接收模塊將響應信號存儲到緩存模塊中。最后通過USB接口電路，將測試結果(響應信號)傳輸給上位機。當進行分立元件檢測時，對所有測試數據求均值，可得該元件測試結果；對模塊功能檢測時，通過測試激勵信號和響應信號對比與分析，可判斷該模塊是否存在故障。系統總體結構框圖如圖1所示。

1.2硬件模塊設計

1)選用FPGA芯片作為系統控制核心，同時通過自定義程序設計可以為待測電路板提供測試激勵信號(0101…數字序列)。其工作頻率高達50 MHz，且FPGA的I/O接口數量豐富，可滿足系統多通道測試要求。

2)測試激勵信號的發送與響應信號的緩存均采用NAND Flash進行緩存。NAND Flash具有大容量、掉電非易失性等優點。系統選取型號為K9F1G08X0C的Flash芯片，存儲容量高達1 Gbit，可確保系統8個測試通道的大容量數據的存儲[5]。

3)USB接口采用內部集成USB協議的FT245芯片。該芯片采用8位并行傳輸模式，內部包含2個FIFO用于通信時數據流的緩沖，數據傳輸速率可達1 Mbit/s。芯片在工作前只需安裝VCP或者D2XX驅動程序即可，簡便了系統的開發工作。

4)電平轉換電路由比例放大電路和電壓跟隨器構成。在分立元件檢測時，該電路可將激勵信號轉換為交流小信號，用作輸入信號；此外，系統選用的AD芯片輸入電壓動態范圍為±2.048 V，需要在輸入端之前連接比例放大電路，保證輸入信號滿足要求，電壓跟隨器用于提高模塊的驅動能力。

5)系統的激勵信號和響應信號均經電平轉換電路后被AD采集轉化為數字量存儲于Flash中。AD芯片選用AD7356，其精度為12位，最高采樣率可達5 Mb/s，雙通道采集，A通道用于采集激勵信號，B通道用于采集響應信號，AD轉換器被系統的8個測試通道分時復用。

2　故障自動檢測技術

2.1分立元件檢測

2.1.1電阻檢測

電阻檢測是基于T型網絡同相比例放大電路為基礎，其原理圖如圖2所示。

圖2中Rx為待測電阻，R3和R2、R4共同構成T型電阻網絡。Uin為輸入信號，用作測試激勵；Uout為輸出信號，用作響應信號。由疊加定理可得比例放大電路輸出：

(1)

由式(1)可算出Rx值。此外，當Rx阻值為MΩ級別以上時，T型網絡電阻通過調整R3和R2、R4的比值，可以更靈活更寬范圍地實現T型網絡等效電阻與Rx相匹配。

2.1.2電容檢測

電容檢測以理想運放的積分電路和微分電路互逆過程為基礎，其原理圖如圖3所示。

(2)

由式(2)可知，基準電容Ci應選取高精度電容，通過調節R5和R1的比值，可以方便測得待測電容Cx的值。

2.2模塊功能檢測

模塊功能檢測工作原理是首先通過模塊測試節點向待檢測模塊輸入激勵信號，待測電路處于工作狀態，然后接收待測電路板反饋回來的響應信號，從而驗證該模塊功能是否正常。模塊功能檢測技術關鍵在于加載給待測電路板一個有效的測試激勵信號，測試系統提供了正弦波、方波和鋸齒波3種常見的激勵信號，用戶也可根據需要自定義，從而實現模塊功能檢測的高故障覆蓋率和定位率。

模塊功能檢測電路板故障流程如下：采用模塊功能檢測技術對電路板各個模塊進行功能測試，排除功能正常模塊，鎖定故障模塊；采用基于分立元件測試技術進行故障的精準定位；將故障元件更換，測試該模塊功能是否恢復正常，成立則故障檢測完畢；反之，繼續檢測該模塊其他元件，直至故障

得以排除。其工作流程如圖4所示。

3　系統軟件設計

3.1激勵信號產生

測試激勵信號由0101…數字序列組成，形成測試激勵波形，該測試激勵通過對FPGA進行編程，可實現測試激勵波形的自定義。此外，還可以通過位擴展方法(如8個并行IO口結合)，再經DA轉換，可實現模擬激勵信號的產生。軟件編程產生的矩形波激勵信號和鋸齒波激勵信號如圖5所示。Rectan_sig為矩形波激勵信號，矩形波信號在其周期內的隨機序列性相對于有規律的方波信號檢測故障效果更佳，Saw_sig為鋸齒波信號。

3.2上位機軟件設計

上位機軟件主要包含測試類別、相關參數選擇、測試結果及波形顯示，并且將測試結果數據(響應信號)保存在用戶指定路徑中，可隨時進行波形回放及數據分析。

靜態檢測可對分立元件電阻、電容測試及交直流、電壓測試；動態檢測通過選擇不同激勵信號來驗證各模塊功能是否正常，實現故障模塊的定位[6]。系統上位機軟件如圖6所示。

4　試驗結果及分析

4.1分立元件測試結果

分立元件的測試結果如圖7所示。圖中被測電阻的標稱值為10 kΩ，被測電容的標稱值為100 nF。可知，分立元件測試結果準確，滿足分立元件故障檢測要求。

4.2某模塊功能測試結果

對某模塊進行功能測試如圖8所示。

選取的激勵信號為10 kHz方波信號，該模塊功能是實現周期信號倍頻和相位同步。響應信號的頻率為20 kHz的方波信號，與激勵信號對比，頻率增大一倍，且無明顯相位偏移。由測試結果可知，該模塊功能正常，無故障。圖9為檢測系統電路局部實物圖，圖10為系統現場測試圖。

5　結束語

筆者介紹了某彈載設備數字電路故障自動檢測系統的設計方案，該方案的核心控制電路及測試信號的收發數據存儲電路采用FPGA和Flash聯合處理，并設計USB接口與上位機通信。系統不僅可以對待測電路板上分立元器件如電阻、電容等靜態參數測試，而且還能將電路按照功能劃分，進行模塊化功能檢測，增大電路板故障檢測的覆蓋率。兩種測試技術相結合，不僅提高了故障的檢測效率，同時保證了故障檢測精確度。下階段擬將該系統應用在通用數字電路板的故障檢測中。

References)

[1]鳳寶利,劉琴,席海軍,等.小體積膛壓測試儀及其校準方法[J].計量與測試技術,2013,40(7):33-35.

FENG Baoli, LIU Qin, XI Haijun, et al. Small volume chamber pressure gauge and its calibration methods[J]. Metrology & Measurement Technique, 2013,40(7):33-35.(in Chinese)

[2]孫正席.放入式電子測壓器的校準技術及不確定度研究[D].太原：中北大學,2013.

SUN Zhengxi. Research on calibration technology of internal electronic piezo gauge and uncertainty[D]. Taiyuan:The North University of China,2013. (in Chinese)

[3]太祿東,余越.在線測試技術在電子裝備維修中的應用[J].黑龍江科技信息,2014(28):140-142.

TAI Ludong, YU Yue. Application on electronic equipment maintenance based on detection technology[J]. Heilongjiang Science and Technology Information, 2014(28):140-142. (in Chinese)

[4]周博.數字電路板測試系統硬件設計[D].南京:南京航空航天大學,2012.

ZHOU Bo. Hardware design and implementation of digital circuit board testing system[D]. Nanjing:Nanjing University and Astronautics，2012.(in Chinese)

[5]王菊,王和明.基于LabVIEW和FPGA的數字電路板比對測試系統設計[J].火炮發射與控制學報,2014,35(2):45-49.

WANG Ju, WANG Heming. Comparison and test system design of digital circuit board based on LabVIEW and FPGA[J]. Journal of Gun Launch & Control,2014,35(2):45-49. (in Chinese)

[6]邊晶晶,尤文斌,祖靜,等.一種彈載記錄儀的實時加密方法[J].電子器件,2014,37(2):355-357.

BIAN Jingjing, YOU Wenbin, ZU Jing, et al. A real-time encryption method for missile-borne data recorder[J]. Chinese Journal of Electron Devices,2014,37(2):355-357. (in Chinese)

Design of an Automatic Fault Detection System for Digital Circuit of Certain Missile-borne Equipment

CHEN Yun, LIU Xinmei, GUO Dongliang

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan030051, Shanxi, China)

Aimed at overcoming the difficulty in fault detection of the digital circuit of missile-borne equipment due to its high level of integration, an automatic multi-functional fault detection system is designed through integrating the detection technology of discrete components and that of modular function, with the test schematic presented and the program of excitation signal designed. What’s more, the process of automatic fault detection was formulated and the PC software designed. Tests show that the detection system develops the features of high precision and accuracy in terms of the testing of discrete components and modular function to such an extent that the fault can be located promptly, which in turn reduces the maintenance cost of the circuit and ensures the reliability of the missile-borne equipment.

digital circuit; fault detection; FPGA; excitation signal

2015-08-06

山西省研究生優秀創新項目(No.20143080)

陳云(1990—)，女，碩士研究生，主要從事動態測試及運動控制技術研究。E-mail：1258006919@qq.com

TN492

A

1673-6524(2016)01-0083-04