石志军 陈信在 高金宝

【摘要】新型舰船列装的电子装备通常包含有大量的电路板，这些电路板具有很高的技术含量和复杂的结构原理，传统的电路板故障诊断方法难以满足新型电子装备的保障需求。本文综合新兴的检测技术和故障诊断技术，结合舰船电子装备维修保障的实际，给出了模拟电路板和数字电路板多种形式的综合检测与故障诊断方法，系统地为舰船电子装备故障电路板提供了可参考的诊断策略。

【关键词】电子装备；电路板；测试与故障诊断

1.引言

近年来，随着海军舰艇的不断更新换代，大量高新技术电子装备不断装备于海军舰艇、潜艇部队。在部队的舰员级和基地级维修保障中，这些电子装备的维修过程中通常会有大量的故障电路板被替换下来，部队现有的维修保障能力和传统的维修手段很难完成这些电路板的维修，急需研究新型复杂电路板的综合诊断技术，以便快速、准确、及时的修复故障板件，为部队的日常战备和训练任务提供有力保障。

舰船电子装备的电路板通常都是极其复杂的模拟电路、数字电路和应用软件组成的电子系统。特别是新型装备的电路板通常都是高度集成的模拟或数字等电路系统，简单、单一的故障诊断技术难以完成多样化的故障诊断，这些电路板的诊断需要综合传统与新型的多项故障检测与诊断技术来进行诊断。一般来讲，模拟电路与数字电路的差异性很大。数字电路主要涉及高低电平的检测与故障分析，检测与诊断相对简单。模拟电路由于要涉及信号的幅度、频率、波形、相位等诸多参量，具有故障模型复杂、可测节点少、计算量大、存在容差和非线性等问题，故而检测与诊断要复杂得多。基于以上原因，模拟电路与数字电路需要采用不同的检测与故障诊断方法。

2.模拟电路板诊断策略

模拟电路板的故障诊断一般可分为在线诊断（实时诊断）法和离线诊断法[1]。在线诊断法通常具有诊断迅速，定位区域大的优点。离线诊断一般来讲具有较小的定位区域，但其定位的故障通常具有唯一性。目前应用的模拟电路故障诊断方法，既有常规的故障诊断方法（又称传统故障诊断法），也有近些年大量发展起来的模拟电路故障诊断新技术。

2.1诊断的常规方法

常规的诊断方法通常可分为测前模拟诊断法、测后模拟诊断法和介于二者之间的逼近法和人工智能诊断法。

（1）测前模拟诊断

测前模拟诊断法在对模拟电路进行现场测试之前就完成了故障诊断的主要计算工作，所以测前模拟诊断法的优点具有实时诊断能力。在测前模拟诊断中，我们常采用的故障诊断方法有故障字典法和似然法[2]。故障字典法依据模式识别原理，首先要将电路的各种故障与其相应电路特征进行逐一对应建立故障字典，诊断时根据实际测量的信号和设定的判决准则查故障字典即可判定故障情况。故障字典法的优点：实用性强，应用灵活，测点需求少，一次性计算。缺点：故障经验全覆盖难，储存所需空间大，不容易开展大范围测试。故障字典法很少应用于软故障和多故障的诊断，即便是仅应用在硬故障的诊断中，该方法也因为受到模拟电路的测量误差和元器件本身容差的影响，导致诊断效果大打折扣，远不如在数字电路中应用该方法效果好。

（2）测后模拟诊断

测后模拟诊断是在对电路系统进行测试后，再根据所测量到的数据和参数信息对电路进行模拟和故障诊断的方法。测后模拟诊断常采用的故障诊断方法有元器件参数识别法和故障验证法。

故障验证法在诊断过程中首先估测电路中的故障位置，之后根据所测得的少量故障数据信息来验证估测的正确性。如果验证错误，则扩大估测范围或改变估测位置继续诊断。优点：完成诊断仅需获取少量故障信息，实施方便，应用前景较好。缺点：“估测”次数多，所需计算量大，很难实现实时诊断。

元件参数识别法的本质是系统参数估计，该方法首先获取能够满足诊断要求的相互独立的系统数据，再依据电路系统网络的结构针对系统内各元器件的参数进行估测或解算，当得出的某个元器件的参数不在事先规定的容差范围内，则判定该元器件故障。由于元件参数识别法需要通过解算电路网络中全部元器件的参数来确定系统中的全部故障元器件，故而诊断的计算量很大，诊断系统的实时性很差。

（3）逼近法和人工智能

逼近法主要有概率统计法和优化法，其中概率统计法属于测前模拟诊断法，优化法属于测后模拟诊断法。优化法多用于软故障的诊断，该方法通过应用合适的目标函数估测出发生故障可能性最大的元器件。逼近法通过选择不同的目标函数，我们可以对应采用不同的方法。逼近法的主要优点是能够诊断多故障，主要缺点是在线计算量过大。

人工智能（又称专家系统）的建立与故障诊断过程包含了测前模拟和测后模拟两个过程，其中电路系统的故障特性收集和处理属于测前模拟过程，故障推理搜索等过程属于测后模拟过程。人工智能的方法优点是诊断效率高，可以应用于运用网络理论难以诊断的电路系统。缺点是无法满足故障的实时诊断需求。

2.2诊断的新技术

（1）人工神经网络

人工神经网络（ANN）是一种近年发展起来的新技术，在智能故障诊断等多项领域有着较为广泛的应用。人工神经网络是一种人工系统，该系统通过采用物理上能够实现的系统、器件或当前的计算机技术对人脑的功能和结构进行模拟来完成任务。当前发展的神经网络模型有几十种，在故障诊断领域常用的模型有误差后向传播网络（BP）、自组织特征映射网络（SOFM）和Hopfield网络等。这些网络结构有的可以有效解决非线性问题；有的可以解决正常器件容差范围内的多故障问题；有的能够实现针对单或多、软或硬故障实现快速而有效地故障识别与定位。

（2）小波变换

小波变换法是一种针对信号的时——频分析方法，该方法采用适当的小波母函数通过在尺度进行伸缩和时域上进行平移来分析信号。小波变换的诊断机理主要包括三个方面：一是通过分析观测信号的奇异性实现故障诊断，二是通过分析观测信号频率结构的变化实现故障诊断，三是通过对脉冲响应函数进行小波变换实现故障诊断。在诊断中，我们通常会先用小波变换法对系统的信号进行小波预处理器，以便有效地提取故障特征信息，之后再用故障分类处理器来处理这些信息以进行故障诊断。小波变换法的优点：无需建立对象的数学模型，运算量相对较低；对系统的输入信号要求不高，具有较强的噪声抑制能力；故障检测灵敏度高，故障诊断准确可靠。缺点：在进行大跨度的检测时会有较大的时间延迟；系统的诊断结果会因为采用不同的小波基而受到影响。

（3）模糊理论

模糊理论着重研究模仿人类大脑在概念和推理等方面所具有的形象思维与模糊定性能力。该诊断法在故障征兆空间和原因空间之间凭借专家经验建立模糊关系矩阵，然后组合每个模糊推理规则产生的模糊关系矩阵，依据设定的阀值来判定故障部位。在模拟电路的故障诊断中，器件的非线性、容差和电路的噪声都会引起故障本质与故障征兆的关系产生模糊。这种情况下，就需要我们利用模糊故障诊断法给出故障产生的可能性、故障的位置和故障的程度。模糊故障诊断法的优点：能适应不确定性问题；能够根据模糊度的高低给出进行了优先度排序的多个解决方案。

（4）分形理论和遗传算法

对于模拟电路板的故障诊断，我们一般需要获取电路板工作状态的各种特征信号，而这些用来反映设备运行状态的特征信号通常是在一定尺度内具备分形特性的不规则信号[3]。一般来讲，分形理论体现了不规则信号在整体与局部的自相似性，我们可以通过覆盖的方法计算信号的分维数，再把信号的分维数作为故障特征进行诊断。分形理论是复杂系统故障诊断的良好方法。使用分形理论可以使诊断中信号特征的提取数量大幅减少，该方法与神经网络和小波变换综合应用，能有效增强模式识别的可靠性和有效性。

遗传算法是一种新发展起来的模拟自然优化机制的全局优化搜索算法。遗传算法可用来解决许多高度复杂的问题，在模拟电路故障诊断中应用遗传算法可以提高推理速度，并能在样本数据稀少和先验知识不足的条件下增强智能故障诊断系统的实用性。遗传算法的优点是简单通用，种群规模小，收敛性好，全局搜索能力强，可用于并行处理。

（5）信息融合技术

随着模拟电路新技术和元器件技术的发展，在模拟电路的故障诊断中，常会因为电路可测节点不足或测试手段限制而导致诊断所能使用的测试信息十分有限，进而降低了故障诊断的准确性。信息融合技术可以针对不同类测试信息提取诊断信息，也可以利用不同特征变换方法从不同侧面提取样本集合包含的诊断信息，最后通过合适的集成方法对提取的诊断信息进行融合。将信息融合技术运用到模拟电路故障诊断系统，能将不同的诊断信息进行有效融合，很好地解决测试信息不足的问题。

3.数字电路板诊断策略

在数字电路板的故障诊断中，我们进行故障诊断的基本思想是向被测电路板关键测试点注入测试矢量，再通过一定的算法和运算规则等对相应的输出响应进行分析处理，最后确定故障的类型以及在电路中发生故障的位置。针对不同的数字电路板，由于其功能、结构特点及故障特点各不相同，因此我们采取的故障诊断方法也不同。此外，在数字电路板的故障诊断中，也可以使用类似模拟电路诊断中所采用的故障字典法进行故障诊断，两类电路关于故障字典建立的方法和故障诊断的方法大致相同，这里不再赘述。

（1）基于故障树的功能测试法

功能测试法是指自动测试设备（ATE）通过接口测试适配器与被测电路板的主输入输出接口连在一起，由自动测试设备给被测电路板施加激励信号（功能测试向量），将所得结果与预期结果比较就可知道被测板是否有故障[4]。一般来讲，很多电子装备的数字电路板电路结构可以抽象为树状层次结构。对这类数字电路板的故障诊断可以依照电路的层次结构依次往下执行，直到找到最小故障单元为止。对某一级或某一层次电路的故障诊断，我们常用的方法是功能测试法。采用故障树与功能测试相结合的故障诊断方法优点是故障检测速度快，故障诊断效率高。该方法不仅可以检测出电路板的功能性故障，还可诊断出电路板的内部连接线等非元器件故障。

（2）替代测试法

替代测试法就是利用已知完好的元器件替代电路中起关键或重要作用的疑似故障器件，然后依据电路的工作原理给被测电路板输入激励信号，再采用功能测试法对电路板进行故障诊断。替代测试法运用的是器件隔离的思路，对关键、重要器件进行适当的隔离常常能够方便快捷地诊断器件本身和其它相关联的电路系统。替代测试法主要应用于具有特定结构的电路板的故障诊断，如对于拥有一个或多个核心控制器件对整体或局部电路进行控制的数字电路系统常可采用针对关键、重要件的替代测试法。

（3）穷举与伪穷举测试法

穷举测试法（也称群举测试法）在测试时首先要在被测数字电路的输入端分别输入全部可能的测试矢量，然后检测电路系统的输出是否与原电路所设计的逻辑功能相符[5]。在数字电路的故障诊断中，穷举测试法常用于组合逻辑电路的测试与诊断。使用穷举测试法进行测试时无需产生测试矢量的算法即能测试逻辑电路的全部功能，且故障检出率能达到百分之百。但是当数字电路系统输入测试矢量的维数过大时，系统的测试工作会因为工作量过大和测试时间过长而难以完成测试与诊断任务。

为了降低测试工作量，减少测试时间，常常用伪穷举测试法来代替穷举测试法。在伪穷举测试法中，通常先将待测电路系统进行分块处理，确保每一个分成的子电路块都能采用穷举测试法进行测试，之后在穷举测试法的基础上对电路系统进行测试与诊断，完成诊断工作。伪穷举测试法在一定程度上既具有穷举测试法的优点，同时又克服了穷举测试法工作量大和测试时间长的缺点，具有很强的实用性。

（4）边界扫描测试法

边界扫描测试（BST）是一种扩展的自测试技术，该技术是专门针对复杂数电路板故障诊断与测试难题而设计的一种测试法。边界扫描技术将可测试设计直接设计到电路板的器件内部，在器件引脚和内部逻辑之间插入标准的彼此串联在器件的边界构成移位寄存器的边界扫描单元以用于测试。边界扫描测试并不适合对所有的数字电路进行测试，该方法只能对具有边界扫描结构的数字电路板进行测试，并且也只能对板中与边界扫描链相连的外围集成电路芯片进行测试。边界扫描测试法测试时需在测试时钟的控制下通过测试数据入口将激励信号串行输入，然后通过边界扫描链中的边界扫描单元（即边界扫描通路）将激励信号作用于外围各集成电路芯片，然后将其响应数据通过数据输出口串行输出，同时通过对串行输出结果进行分析处理，最后确定外围各芯片是否有故障。

边界扫描测试法的优点是测试能力强、经济快速、自动化程度高、通用性好、故障覆盖率和测试精度高、对测试系统要求低等。该方法非常适合用于针对集成度较高的复杂数字电路板进行的测试，特别是对于含有复杂可编程器件的数字电路板很容易完成故障的测试与诊断。边界扫描测试法的缺点是测试仅适用于带边界扫描结构的芯片的数字电路板。

（5）仿真测试法

对于一些具有特定电路结构的电路板（如整个或局部电路工作状态受关键器件控制的电路板），我们可以采用仿真测试法。用仿真测试法进行诊断时，只需获取关键器件的控制权就能控制电路板的整个或局部电路的工作状态，进而迅速准确地诊断电路板。该方法的优点是避免了繁难的测试算法，对于不同的电路板进行测试与诊断时所需的硬件结构很少变化，需要变化的只是依据每个电路板的不同结构编制不同的测试流程图，开发不同的测试程序集（TPS）。进行测试时，我们只需将测试程序加载到数字IO中就能开展不同电路板的故障测试与诊断，方便、准确、高效、快捷。

4.结语

本文针对舰船电子装备电路板的故障诊断进行了分种类、多策略的故障诊断方法研究，其中一些方法在电子装备的故障诊断中已经取得了较好的应用效果。由于大量舰船电子装备电路板的技术先进、原理复杂，数字与模拟电路相互融合、硬件与软件联接紧密、超大规模集成电路与可编程电路综合应用，这些都需要在故障诊断中综合应用多种测试与诊断技术，根据电路特点合理选择方法，才能完成好舰船电子装备电路板的测试与故障诊断。

参考文献

[1]谢涛.基于神经网络和小波变换的模拟电路故障诊断理论与方法[D].湖南大学硕士学位论文.2007

[2]欧阳宏志，廖湘柏，刘华.模拟电路故障诊断方法综述[J].电子科技， 2008，（12）：75～80

[3]鲁长江.带微处理器的复杂雷达电路板仿真测试技术研究[D].电子科技大学硕士学位论文.2010

[4]刘小波.雷达数字电路板故障诊断研究及实现[D].电子科技大学硕士学位论文.2010

[5]邹明虎，姜树和，闫军，陈力.基于伪穷举测试法的雷达板级电路故障诊断[J].测试技术学报，2011，（4）：360～365