电路板故障植入与知识自动获取研究

崔新友　张建虎　雷磊

摘要：以电路板作为研究对象，采用PCI数据采集卡结合外部调理电路，动态植入故障，采集电路板关键信号在正常和故障时的时态参量，形成故障知识。

关键词：电路板；故障植入；知识获取

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）34-0182-02

1 概述

基于知识的智能化故障诊断专家系统，是现代设备诊断技术中最有前途的发展方向之一。智能故障诊断过程的实质是知识的运用和处理过程，知识的数量和质量决定了智能故障诊断系统能力的大小和诊断效果，推理控制策略决定了知识的使用效率[1]。由此可见，知识是智能故障诊断系统的核心。在故障诊断系统中对知识的研究主要包括知识的获取、表示和使用。但目前由于知识工程技术领域有许多问题还未解决，对知识的获取和表示还有一定的困难。

以电路板作为研究对象进行故障知识获取时，要解决以下问题：1、对研究对象本身的认识要深入；2、设计相应的电路，一方面提供电路板工作所需的信号，另一方面对关键信号进行测量，以供获取研究对象知识；3、在目标电路上设置故障，以供获取故障知识。

本研究以某系统信号接口板作为研究对象，设计了一套基于PC和PCI数据采集卡的信号调理和数据采集系统，可通过软件或硬件跳线的方式对目标电路板设置故障，并通过数据采集系统获取故障数据，并以知识的形式存储故障数据。硬件上主要采取了：1、对目标电路板进行了重新设计，增加了跳线和测试接口；2、采用了接口丰富的研华PCI1712多功能数据采集卡；3、充分利用PCI1712的接口设计了调理电路。另一方面软件上，使用通用编程平台VisualC++结合研华ActiveDAQ、ActiveDAQPro控件进行编程，其中交互界面主要使用Visualc++ MFC设计，硬件的控制主要通过ActiveDAQ控件完成，波形显示通过ActiveDAQPro控件完成。

2 系统结构原理

系统软硬件总体框图如图1所示。

系统总体框图如图1所示，用PC作为系统的控制端，控制软件由参数显示与分析模块、故障设置模块和知识管理模块等几个基本功能模块组成，完成对系统的总体控制和数据管理；PCI多功能数据采集卡在PC的控制下完成数据采集和故障动态植入的功能；条件形成电路、故障植入电路和信号调理电路相互配合，完成三个功能：为目标电路的正常工作提供环境、故障动态植入和数据采集功能。

对硬件电路的控制与数据采集通过PCI多功能数据采集卡进行。主要的硬件电路设计工作包括：1、对目标电路的改造；2、设计信号调理电路；3、故障植入电路。对目标电路的改造工作主要是在实现其电路原理的基础上通过继电器、矩阵开关或跳线完成电路故障的设置，主要的手段是对特定的器件和关键点设置短路和断路的跳线选择。条件形成电路主要是提供目标电路能够工作的外部信号，主要包括电源信号和激励信号。故障植入电路主要通过继电器和数据采集卡控制调理信号的通断。

软件设计采用Visual C++平台搭建系统的框架，对应用程序进行全面的管理，提供数据管理、功能控制、数据显示与分析等功能。

3 数据采集与控制

3.1条件形成与故障植入电路

条件形成电路主要是提供目标电路能够工作的外部信号，包括电源信号和激励信号。如图2所示，根据目标电路的特点设计电源和激励信号电路，通过矩阵开关接入目标电路。激励信号主要包括各种开关信号，如模拟信号、串行数字信号、离散信号、功率信号、射频信号、高速数字信号等，都能经过矩阵开关进行自动切换[3]。

为了获取电路在不同状态下的参数，特别是在故障状态下的动态参数，需要对电路进行故障植入，主要采用的方法是：1、通过矩阵开关改变目标电路的激励源；2、对目标电路进行改造，通过跳线或通过矩阵开关改变目标电路连接。

3.2 信号调理电路

信号调理平台是系统主要的硬件，主要对各种的直流和交流信号进行调理与采集。其中交流信号的检测原理如图3所示。待测交流信号通过经过分压电路以及比例放大电路处理之后分成两路，其中一路经模拟开关和峰值保持电路后经A/D转换，可采集到交流信号的峰值。另一路，经整形和模拟开关之后，进行频率测量。

直流信号调理电路用于把待测的直流信号进行分压、电压跟随和限幅处理，使之满足A/D采集端口的电压要求。

3.3 数据采集卡

系统主要的数据采集和对电路的控制主要通过PCI1712的AI和DIO口完成的。PCI1712多功能数据采集卡提供了丰富的接口，主要包括：16位数字I/O口、16位模拟I/O口。当然，这些接口还不够用的话，可以通过硬件电路进行扩展[4]。

数据采集卡的驱动软件可以直接对板卡的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断、DMA和内存等资源结合在一起。驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供了容易理解的接口[2]。使用VC++控制PCI数据采集卡有多种方法可以选择使用DLL（动态链接库）函数或ActiveX控件进行。使用DLL编程编程比较灵活，但实现起来较为复杂，尤其是在对中断触发的管理，需要设置多线程的同步。使用ActiveX控件则可以使用很少的代码来完成软件触发、中断触发和DMA的数据采集功能。PCI1712的ActiveX DAQ控件主要包括AI、AO、DI、DO、Counter、PULS等，ActiveX DAQ Pro还提供了一些图形控件。

使用ActiveX DAQ控件进行编程一般过程为：在界面上插入控件、导入控件控制类、建立控件控制变量、选择设备、打开设备、使用设备、关闭设备等。

4 知识获取和表达

知识的表达方法有很多种主要包括：逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网表示法、脚本表示法、过程表示法、petri网表示法、神经元表示法和面向对象表示法等。在选择知识的表示方法时主要考虑知识的表示能力、推理效率、正确性和结构性。

电路故障知识主要是电路实时测量的参数，包括电压、峰值电压、波形、时间等信号。“设计故障诊断专家系统时，要求既能表达领域对象的静态特性、行为特征及约束，又要表达专家经验、 判断决策等知识，还要有较强的数值计算及过程控制能力。”[5]本研究采用面向对象的知识表示方法。面向对象的知识表示方法相对于产生式表示法、框架表示法等传统表示方法来说具有很大的优越性，它不但能充分利用传统框架对逻辑语言的描述能力，还能够嵌入规则，所以它可以方便的对逻辑语言表达也可以对数值进行表达，同时具备很强的扩展能力。

5 使用效果

系统软件运行效果如图4所示，经试用该项目取得了比较良好的使用效果，故障设置方便，结果显示直观，故障知识表达清楚，为智能化故障诊断专家系统故障知识的获取提供了一个比较好的途径。

6 总结

本研究只是探讨性的研究了特定电路板故障植入、实时获取电路运行数据、并从中获取电路故障知识，为实现智能化专家系统打下基础，但具有一定的局限性：不同电路板所需的激励信号不同，使用外部电路植入故障之后有可能造成电路板烧坏等，这些问题希望读者注意。

参考文献：

[1] 杨军，冯振生，黄考利.装备智能诊断技术[M].国防工业社，2004.

[2] 田敏，郑瑶，李江全.Visual C++数据采集与串口通信测控应用实战[M].人民邮电出版社，2010.

[3] 张明珠，王艳红.继电器矩阵在PCB功能检测中的应用[J].煤炭工程，2011（6）.

[4] PCI-1712/1712L 快速安装使用手册.

[5] 陈传波，郭天杰.面向对象的知识表示方法在故障诊断系统中的应用[J].计算机工程与科学，2006（6）.