[摘要]論述了電子設(shè)備電路板故障診斷技術(shù)的概況和發(fā)展前景，結(jié)合航天測控公司“華佗電子診所”系列產(chǎn)品HTEDS8000電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)，介紹了電路板故障診斷技術(shù)及應(yīng)用。該系統(tǒng)綜合了先進(jìn)的測試與故障診斷技術(shù)，適用于電子設(shè)備尤其是軍用電子裝備的板級維修及綜合測試。
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是數(shù)字技術(shù)及各種超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，電子裝備尤其是軍用電子裝備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。雖然電子系統(tǒng)的性能得到提高，但是對測試和維修保障也產(chǎn)生了測試流程復(fù)雜、測試時間長、維修保障困難、維修費用高等諸多問題，這些問題嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的完好性和壽命周期。
電路板故障診斷技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地對電子系統(tǒng)是否異常進(jìn)行判斷，對于出現(xiàn)的故障進(jìn)行快速定位，并將故障隔離到最小可更換單元。在電子設(shè)備維護(hù)保障中應(yīng)用現(xiàn)代故障診斷技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的可靠性、有效性，保障設(shè)備發(fā)揮最大設(shè)計能力，延長使用壽命，降低壽命周期費用；通過檢測監(jiān)視、故障統(tǒng)計分析及性能評估等，為設(shè)備優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)和信息，因此研究電子設(shè)備尤其是電路板故障診斷技術(shù)，將研究成果產(chǎn)品化推廣應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
故障診斷技術(shù)的概況及發(fā)展前景
故障診斷是根據(jù)對被診斷對象測試所取得的有用信息進(jìn)行分析處理，判斷被診斷對象的狀態(tài)是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài)，確定故障的方位，預(yù)示故障的發(fā)生。早期的故障診斷是依據(jù)人對被診斷對象的感覺、聽覺、觸覺等感官和以往積累的相關(guān)經(jīng)驗，對其狀態(tài)特征進(jìn)行分析，判斷某些故障的存在，或預(yù)測故障發(fā)生的時間。維修是為使設(shè)備保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動，即不僅包括設(shè)備在使用過程中發(fā)生故障（損壞）時進(jìn)行修復(fù)，以恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的修復(fù)性維修，而且還包括在故障（損壞）前，預(yù)防故障以保持規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的預(yù)防性維修活動。近年來，數(shù)字技術(shù)和超大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于功能電路板的設(shè)計中，電子設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，因此對其的測試工作量大，對檢測的質(zhì)量要求高，一般情況下很難依靠人的感官和經(jīng)驗把故障因素檢查出來。現(xiàn)代故障診斷技術(shù)是近年來隨著電子計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新技術(shù)，是指應(yīng)用現(xiàn)代化儀器設(shè)備和計算機(jī)系統(tǒng)等高新技術(shù)設(shè)備，通過測試來檢查和識別設(shè)備及零部件的實時技術(shù)狀態(tài)，對其進(jìn)行科學(xué)的診斷。應(yīng)用故障診斷技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行測試和診斷，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障和預(yù)防惡性事故的發(fā)生，從而避免出現(xiàn)重大損失。
美國是對故障診斷技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究最早的國家之一，1961年美國開始執(zhí)行阿波羅計劃后，出現(xiàn)了一系列設(shè)備故障，促使1967年在美國航天局（NASA）倡導(dǎo)下，由美國海軍研究室（ONR）主持美國機(jī)械故障預(yù)防小組（MFPG），積極從事故障診斷技術(shù)的研究和開發(fā)。美國作為世界頭號軍事強(qiáng)國，非常重視軍事武器裝備的后勤補(bǔ)給和維護(hù)保障，由于武器系統(tǒng)越來越復(fù)雜，裝備設(shè)計越來越多地考慮保障問題，以確保維修工作能簡單有效地進(jìn)行，使裝備能時刻保持可用狀態(tài)，因此各種類型的故障診斷和維修專家系統(tǒng)已用于美國F-15戰(zhàn)斗機(jī)、B-1B轟炸機(jī)、海軍艦艇、陸軍軍械裝置等現(xiàn)役武器裝備的故障診斷和維修中。目前美國在航空、航天、核工業(yè)以及軍事部門中診斷技術(shù)占有領(lǐng)先地位。歐洲一些國家在設(shè)備診斷技術(shù)方面也有很大進(jìn)展，如英國從60年代末70年代初開始診斷技術(shù)的開發(fā)研究，在工業(yè)、核發(fā)電等方面占有某種優(yōu)勢。
我國雖然對故障診斷技術(shù)的研究起步較晚，但近年來得到迅速發(fā)展。在重要系統(tǒng)和裝備的研制中提出了明確的測試性要求，制定了《裝備測試性大綱》（GJB-2547-95）、《測試與診斷術(shù)語》（GJB-3385-98）等國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)軍用測試系統(tǒng)，也隨著軍用設(shè)備對測試診斷技術(shù)的要求逐步開展研究。目前國內(nèi)對裝備的故障診斷技術(shù)，尤其是電路板級故障診斷技術(shù)的研究有了較大的進(jìn)展。
北京航天測控技術(shù)開發(fā)公司在自動測試、故障診斷技術(shù)研究和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)方面取得了較大的成績，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“華佗電子診所”系列產(chǎn)品，包括HTEDS8000電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)、Fault Doctor故障診斷軟件平臺等產(chǎn)品，該產(chǎn)品綜合應(yīng)用了先進(jìn)的測試與故障診斷技術(shù)，適于電子設(shè)備尤其是軍用武器電子裝備的板級維修測試及綜合保障，在海軍、空軍、二炮等軍兵種進(jìn)行了推廣應(yīng)用。
電路板故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)
為了實現(xiàn)電路板測試與診斷，故障診斷系統(tǒng)一般應(yīng)具有電路板功能檢測、激勵信號生成、信號測試與采集、信息管理和數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)功能，可對各類型電路板進(jìn)行測試診斷，將故障隔離定位到發(fā)生故障的最小可更換單元（如元器件）。
北京航天測控技術(shù)開發(fā)公司自主開發(fā)的HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)基于VXI總線構(gòu)架，具有開放式、模塊化、易擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)特點。系統(tǒng)主要任務(wù)是通過建立的系統(tǒng)硬件平臺，達(dá)到模擬電路板實際工作環(huán)境，完成被測板診斷信息獲取，經(jīng)過診斷程序的分析、判斷確定故障位置，完成故障診斷的目的。系統(tǒng)主控計算機(jī)軟件通過標(biāo)準(zhǔn)接口軟件實現(xiàn)對VXI總線儀器和IEEE488接口儀器的控制，產(chǎn)生仿真測試所需的激勵，通過通用信號轉(zhuǎn)接箱和專用適配器加載至被測板邊緣連接器的相應(yīng)端子，同時獲取相應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過診斷軟件的分析、判斷，完成故障定位。
HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)主要由主控計算機(jī)、VXI總線儀器、IEEE488接口儀器以及專用設(shè)備組成。硬件部分可擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)用戶的需求做相應(yīng)的增減。
VXI總線具有結(jié)構(gòu)緊湊、標(biāo)準(zhǔn)開放、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、模塊重復(fù)使用等特點，并且虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（VISA）解決了計算機(jī)與儀器之間的接口及應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的兼容性問題，GPIB總線作為一種成熟的標(biāo)準(zhǔn)儀器總線具有廣泛的應(yīng)用范圍，兩種總線接口在系統(tǒng)中結(jié)合應(yīng)用，使系統(tǒng)的通用性、測試功能及測量帶寬的擴(kuò)充性和電磁兼容能力進(jìn)一步提高。
對于多種類型電路板的測試診斷，系統(tǒng)通過被測電路板專用適配器與被測電路板相連，激勵信號通過通用信號轉(zhuǎn)接箱發(fā)送至專用適配器，加載到被測電路板相應(yīng)端子，同時將被測信號送入通用信號轉(zhuǎn)接箱的信號測量通道，經(jīng)調(diào)理、轉(zhuǎn)接后由VXI測控組合中的測量模塊、功能模塊或GPIB測量設(shè)備實現(xiàn)信號的測量、控制和采集。主控計算機(jī)對數(shù)據(jù)采集及激勵設(shè)備的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，測試數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理，提供給診斷專家系統(tǒng)。每個電路板通過配置專用適配器和測試診斷程序（TPS），就可實現(xiàn)電路板的測試與故障診斷。
Fault Doctor 故障診斷軟件平臺
HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)配置了測控公司自主開發(fā)的應(yīng)用軟件Fault Doctor Ver1.0故障診斷軟件平臺，該軟件根據(jù)故障分析理論融合了先進(jìn)的虛擬儀器測試技術(shù)、人工智能分析方法、專家知識庫，可對各類型數(shù)字、模擬及數(shù)模混合電路板進(jìn)行測試、分析和診斷。
該軟件平臺采用OLE、COM等先進(jìn)的技術(shù)，通過COM接口搭建功能框架，然后在框架內(nèi)根據(jù)需求添加各種功能模塊，包括各種信號處理模塊、測試處理模塊、儀器配置操作模塊、診斷算法處理模塊、數(shù)據(jù)信息管理模塊等；各模塊的添加具有相對的獨立性，通過主框架程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；并且可進(jìn)一步改進(jìn)或者添加新的功能模塊。軟件提供二次開發(fā)的接口，采用COM接口的軟件設(shè)計思想，解決了程序編寫和升級的難題，提高了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。
軟件體系包括測試診斷執(zhí)行平臺、測試診斷開發(fā)平臺、用戶界面編輯平臺、數(shù)據(jù)信息管理平臺及在線幫助等功能模塊。測試診斷開發(fā)平臺完成對被測電路板進(jìn)行故障診斷和定位，提供自動監(jiān)測和信息提示功能；測試診斷開發(fā)平臺提供可視化圖形界面環(huán)境引導(dǎo)開發(fā)人員輸入診斷步驟、模擬激勵、數(shù)據(jù)激勵、信號類型、測試節(jié)電、儀器操作等，以完成測試診斷程序開發(fā)任務(wù)；用戶界面編輯平臺生成診斷執(zhí)行界面的顯示內(nèi)容，完成人機(jī)界面的交互設(shè)置；數(shù)據(jù)信息管理平臺完成故障電路板型號統(tǒng)計和原器件統(tǒng)計分析、故障趨勢分析和預(yù)測試功能，實現(xiàn)故障診斷測試、信息分析反饋的融合。
軟件具有可視化引導(dǎo)功能，開發(fā)人員不需掌握復(fù)雜的程序編碼、專業(yè)性極強(qiáng)的智能診斷算法和專家系統(tǒng)原理，只需通過各種流程模塊和相應(yīng)的功能組件，輸入專家知識及必要的測試信息，即可建立一個具體的診斷軟件，提高了測試診斷開發(fā)效率。
電路板故障診斷專家系統(tǒng)及診斷方法
HTEDS8000 電子設(shè)備電路板維修測試與診斷專家系統(tǒng)分知識庫和推理機(jī)兩部分。對于診斷知識庫，包括電路板的故障知識、正常知識，知識庫的知識可以增加、修改、刪除及優(yōu)化。推理機(jī)采用基于普通推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯相結(jié)合的綜合智能推理機(jī)，既可提高診斷推理速度，同時也可以提高故障隔離的精度。專家系統(tǒng)的構(gòu)建是一個逐步成熟的過程，隨著診斷知識的累積、優(yōu)化，故障診斷專家系統(tǒng)功能就會越來越強(qiáng)。該系統(tǒng)集成了規(guī)則推理、多重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、遺傳等多種診斷知識表示方式，提供了了基于淺層/深層知識的推理機(jī)制，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)遺傳算法的智能診斷推理方式，具有完整的電路原理與網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的知識表示模型。
在診斷領(lǐng)域，模糊邏輯理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在知識表示、知識存貯、推理速度及克服知識窄臺階效應(yīng)等方面起到了很大的作用。模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既能表示定性的知識又能具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力和數(shù)據(jù)處理能力，從而大大拓寬了處理診斷信息的能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于涉及模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論這兩個較前沿的領(lǐng)域，應(yīng)用起來較復(fù)雜。主要用于故障模式比較復(fù)雜的電路板的診斷。診斷專家了解測試數(shù)據(jù)范圍，而且能夠較合理選擇模糊子集和模糊隸屬度的場合。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是確定模糊子集和模糊隸屬度后，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練需要的診斷知識很少，就能達(dá)到很高的診斷定位精度。
系統(tǒng)采用診斷樹的方式向用戶解釋診斷推理過程，提供對診斷過程中涉及到的測試流程、初始數(shù)據(jù)、自動采集數(shù)據(jù)、交換數(shù)據(jù)、所用儀器和資源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、診斷執(zhí)行、推理方式等內(nèi)容的記錄和查詢；具有單步、斷點等多種調(diào)試方式；對于缺乏技術(shù)資料的UUT，提供了對比測試功能，支持整板功能對比測試、實板仿真測試、元器件在線測試等方式。
電路板測試方法通常為：首先確認(rèn)其資料是否齊全，原理是否清楚，若是，則將被測板分類，對不同類型的電路板根據(jù)電路板的具體情況采用相應(yīng)的診斷方法；若對被測板不熟悉，一般按照資料不全、原理不清楚的電路板診斷思路進(jìn)行測試診斷。
電路板故障診斷技術(shù)為電子設(shè)備提供有力保障
隨著高新技術(shù)發(fā)展，電子設(shè)備的維護(hù)保障提出了更高的要求，基于現(xiàn)代測試技術(shù)、人工智能技術(shù)的電子設(shè)備故障診斷系統(tǒng)是測試維修的重要手段之一，電路板故障診斷技術(shù)提高了板級產(chǎn)品維護(hù)保障能力，加快了現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、維修進(jìn)程，增強(qiáng)了電子設(shè)備使用壽命，在軍用武器電子裝備和民用電子設(shè)備的維護(hù)保障中都具有重要的意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。（本文由“第五屆國際電子測試與測量專業(yè)研討會”組委會提供）
本文引自：南京變流器廠(中國人民解放軍第九七五四工廠)http://www.njblq.com/nanbian/NewsInfo.asp?
