通用电路板故障检测系统设计

2021-10-27罗运全

通信电源技术 2021年10期

罗运全，唐波

（1.海军4806工厂军械修理厂，浙江宁波 315834；2.海军工程大学兵器工程学院，湖北武汉 430033）

0 引言

在对某系统电路板的维修过程中，由于电路板均为分立元器件和小规模集成电路组成的模拟或数字电路，往往需要维修人员进行大量的信号测试工作，然后依靠个人维修经验以及对电路的理解能力，基本确定故障点位置，这种方法耗时、耗力并且准确性不高。对此，采用软硬件结合的方法实现电路板故障检测系统，可大幅提升电路板检测和维修能力，提高工作效率。

1 系统基本原理

传统的检测系统由激励信号源产生用于检测的激励信号，并传输至检测对象，在激励信号的激励下，检测对象产生响应信号，信号获取和分析组件获取响应信号，并进行相应的故障分析，实现对检测对象的检测以及故障定位。

2 硬件设计

要对某系统电路板进行检测时，首先要对被检测电路板施加激励信号，其次采集被检测电路板产生的输出信号，最后通过信号分析获取检测对象的状态以及故障的定位。某系统电路板的输入输出信号主要包括电源信号、开关信号、数字信号、模拟信号以及接口信号。检测系统原理如图1所示。

图1 检测系统原理

其中，信号转接板为针对不同被测对象的信号适配板，用于将激励信号转接到被测对象相应的输入端口上，并将被测对象的输出信号转接到信号采集的输入端口。上位机用于控制激励信号产生、数据分析以及故障定位等[1-5]。

2.1 激励信号产生电路设计

为了降低系统复杂程度、节约成本，激励信号产生电路采用电源+单片机+FPGA的结构实现。考虑被测对象对电源功率以及稳定性的要求，电源采用朝阳线性电源，输入220 V交流电，输出+24 V、+5 V、-5 V、+3.3 V。电源信号的输出由继电器控制，继电器由单片机控制。

开关信号采用单片机输出端口实现，数字信号采用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）实现，模拟信号采用FPGA+DAC的结构实现，三者的输出由单片机控制。单片机接收上位机的控制指令，控制激励信号产生电路实现信号的产生和输出。

模拟信号产生电路如图2所示，数字信号和开关信号输出电路如图3所示，电源信号输出控制电路如图4所示。

图2 模拟信号产生电路

图3 数字信号和开关信号输出电路

图4 电源信号输出控制电路

从图2中可以看出，模拟信号由FPGA+DAC的电路产生，这种结构可以方便地对输出信号波形进行调整，有利于系统的升级改造，并且输出采用变压器隔离，可以有效地抑制被测对象与检测系统之间的相互干扰。从图3可以看出，数字和开关信号由FPGA产生，经过光耦之后输出，这样可以有效抑制被测对象与检测系统之间的相互干扰。从图4可以看出，电源信号的通断由单片机控制继电器实现。

2.2 信号转接板电路

信号转接电路主要包括3个接口，分别连接激励信号产生电路、被测电路板以及信号采集、分析电路，用于将激励信号转接至被测对象输入端口，为被测对象提供工作条件，同时将被测对象输出信号转接至信号采集、分析电路的输入端口，进而完成信号采集分析[6-8]。信号转接电路板与被测电路一一对应，某块被测电路板的信号转接电路如图5所示。

图5 与单片机连接部分电路图

图5中，P1为激励信号产生电路输出端口，P2为被测电路板接口，P5为信号采集、分析电路输入端口。

2.3 信号采集分析电路

信号采集分析电路采用美国NI公司的M系列6259DAQ数据采集卡完成被测电路板输出信号的数据采集。该数据采集卡有32路16 bit的模拟输入端口，最大采样速率可达到1.25 Ms/s，还有48路数字端口，可以完成某系统电路板输出信号的采集。信号分析采用计算机完成，计算机与数据采集卡之间采用PXI总线进行数据交换。

3 软件设计

对于本系统而言，软件主要包括两部分，即单片机软件和上位机软件。

3.1 单片机软件

单片机软件主要用于接收上位机指令，针对每一块被测电路板，产生部分所需的激励信号，并在一定的时序下控制激励信号输出，流程如图6所示。

3.2 上位机软件

上位机软件主要用于与单片机进行通信，控制激励信号产生电路的启停，控制信号采集电路完成信号采集，并对采集得到的数据进行处理分析。

当上位机发送启动命令时，激励信号产生电路会根据选择的电路板产生相应的激励信号，并按照一定的时序输出给被测电路板。数据采集按钮为上位机控制信号采集电路完成信号采集，同时进行数据处理和故障分析，最终分析结果显示在故障显示框中。数据采集完成后，操作人员可根据个人需要在数字信号选择和模拟信号选择下拉列表框中选择相应的信号，信号波形则会显示在相应的信号显示界面中。该功能有助于在计算机自动故障分析的基础上进行更进一步的人工分析[9,10]。