某弹载设备数字电路的故障自动检测系统设计

陈　云， 刘新妹，郭栋梁

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原　030051)



某弹载设备数字电路的故障自动检测系统设计

陈云， 刘新妹，郭栋梁

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051)

针对某弹载设备数字电路因高度集成化导致电路故障难以检测的现状，设计了集分立元件检测技术和模块化功能检测技术于一体的多功能数字电路故障自动检测系统，给出了测试原理图和激励信号的程序设计，并制定了电路故障自动检测流程，设计了上位机软件。试验结果表明：系统对分立元件检测和模块功能检测均具有高精度和高准确性特点，从而实现故障部分的快速定位，降低电路的维护成本，并且保证了弹载设备的可靠性。

数字电路；故障检测；FPGA；激励信号

现今数字电路集成化程度大幅提升，电路的规模呈几何增大，功能日趋复杂。在弹载参数测试设备中，数字电路向模块化、体积小和性能更加完善的趋势发展[1-2]。为满足武器测试设备的高可靠性和易于维护性的要求，研究测试设备数字电路故障的自动检测技术愈发重要。传统的测试工具如万用表、逻辑分析仪等存在测试工作量大、效率低的问题。采用针床夹具的在线测试技术可实现对电路内每个节点的单独测试[3]，该方法测试激励简单，故障定位准确，但其存在某些封装的探测节点无法获取且不能实现整个电路板的功能测试。此外，市场推出的电路板故障检测仪可在无电路图、不需要联机情况下实现器件级的检测，但故障检测仪成本昂贵，且测试指标性能尚需提高[4]，如德律ICT测试仪动态检测速率为1～100 kHz、存储深度仅为1 Mbit。针对当前测试方法各自存在不足，并为了满足某弹载设备数字电路检测要求，设计了一个集静态检测技术(分立元件检测)和动态检测技术(模块功能检测)于一体的多功能故障自动检测系统，从而提高弹载设备电路的故障检测效率，并有效降低检测成本。

1　系统概述

1.1系统工作原理

系统以FPGA芯片作为整体控制核心，以Flash芯片作为每个测试通道的数据存储器，系统共有8个测试通道CH1～CH8，存储深度为16 MBytes，每个测试通道实现不同的参数测试(如CH2对应电阻测试，CH3对应电容测试)，并且存储深度和测试通道数量均支持扩展。此外，系统整体结构主要由4部分组成：测试激励生成、缓存及发送模块；响应信号接收、缓存模块；USB传输模块；上位机模块。系统上电后，首先进行功能选择：分立元件检测或模块功能检测。分立元件检测时需选择相应的测试通道，并对各元件或测试点进行测试，各通道功能是由独立的测试集成电路来实现；模块功能检测需要系统提供激励信号，由FPGA硬件编程产生，并将激励信号加载到待检测电路板的测试节点上。然后系统开始进行检测，等待被检测电路返回响应信号，经接收模块将响应信号存储到缓存模块中。最后通过USB接口电路，将测试结果(响应信号)传输给上位机。当进行分立元件检测时，对所有测试数据求均值，可得该元件测试结果；对模块功能检测时，通过测试激励信号和响应信号对比与分析，可判断该模块是否存在故障。系统总体结构框图如图1所示。

1.2硬件模块设计

1)选用FPGA芯片作为系统控制核心，同时通过自定义程序设计可以为待测电路板提供测试激励信号(0101…数字序列)。其工作频率高达50 MHz，且FPGA的I/O接口数量丰富，可满足系统多通道测试要求。

2)测试激励信号的发送与响应信号的缓存均采用NAND Flash进行缓存。NAND Flash具有大容量、掉电非易失性等优点。系统选取型号为K9F1G08X0C的Flash芯片，存储容量高达1 Gbit，可确保系统8个测试通道的大容量数据的存储[5]。

3)USB接口采用内部集成USB协议的FT245芯片。该芯片采用8位并行传输模式，内部包含2个FIFO用于通信时数据流的缓冲，数据传输速率可达1 Mbit/s。芯片在工作前只需安装VCP或者D2XX驱动程序即可，简便了系统的开发工作。

4)电平转换电路由比例放大电路和电压跟随器构成。在分立元件检测时，该电路可将激励信号转换为交流小信号，用作输入信号；此外，系统选用的AD芯片输入电压动态范围为±2.048 V，需要在输入端之前连接比例放大电路，保证输入信号满足要求，电压跟随器用于提高模块的驱动能力。

5)系统的激励信号和响应信号均经电平转换电路后被AD采集转化为数字量存储于Flash中。AD芯片选用AD7356，其精度为12位，最高采样率可达5 Mb/s，双通道采集，A通道用于采集激励信号，B通道用于采集响应信号，AD转换器被系统的8个测试通道分时复用。

2　故障自动检测技术

2.1分立元件检测

2.1.1电阻检测

电阻检测是基于T型网络同相比例放大电路为基础，其原理图如图2所示。

图2中Rx为待测电阻，R3和R2、R4共同构成T型电阻网络。Uin为输入信号，用作测试激励；Uout为输出信号，用作响应信号。由叠加定理可得比例放大电路输出：

(1)

由式(1)可算出Rx值。此外，当Rx阻值为MΩ级别以上时，T型网络电阻通过调整R3和R2、R4的比值，可以更灵活更宽范围地实现T型网络等效电阻与Rx相匹配。

2.1.2电容检测

电容检测以理想运放的积分电路和微分电路互逆过程为基础，其原理图如图3所示。

(2)

由式(2)可知，基准电容Ci应选取高精度电容，通过调节R5和R1的比值，可以方便测得待测电容Cx的值。

2.2模块功能检测

模块功能检测工作原理是首先通过模块测试节点向待检测模块输入激励信号，待测电路处于工作状态，然后接收待测电路板反馈回来的响应信号，从而验证该模块功能是否正常。模块功能检测技术关键在于加载给待测电路板一个有效的测试激励信号，测试系统提供了正弦波、方波和锯齿波3种常见的激励信号，用户也可根据需要自定义，从而实现模块功能检测的高故障覆盖率和定位率。

模块功能检测电路板故障流程如下：采用模块功能检测技术对电路板各个模块进行功能测试，排除功能正常模块，锁定故障模块；采用基于分立元件测试技术进行故障的精准定位；将故障元件更换，测试该模块功能是否恢复正常，成立则故障检测完毕；反之，继续检测该模块其他元件，直至故障

得以排除。其工作流程如图4所示。

3　系统软件设计

3.1激励信号产生

测试激励信号由0101…数字序列组成，形成测试激励波形，该测试激励通过对FPGA进行编程，可实现测试激励波形的自定义。此外，还可以通过位扩展方法(如8个并行IO口结合)，再经DA转换，可实现模拟激励信号的产生。软件编程产生的矩形波激励信号和锯齿波激励信号如图5所示。Rectan_sig为矩形波激励信号，矩形波信号在其周期内的随机序列性相对于有规律的方波信号检测故障效果更佳，Saw_sig为锯齿波信号。

3.2上位机软件设计

上位机软件主要包含测试类别、相关参数选择、测试结果及波形显示，并且将测试结果数据(响应信号)保存在用户指定路径中，可随时进行波形回放及数据分析。

静态检测可对分立元件电阻、电容测试及交直流、电压测试；动态检测通过选择不同激励信号来验证各模块功能是否正常，实现故障模块的定位[6]。系统上位机软件如图6所示。

4　试验结果及分析

4.1分立元件测试结果

分立元件的测试结果如图7所示。图中被测电阻的标称值为10 kΩ，被测电容的标称值为100 nF。可知，分立元件测试结果准确，满足分立元件故障检测要求。

4.2某模块功能测试结果

对某模块进行功能测试如图8所示。

选取的激励信号为10 kHz方波信号，该模块功能是实现周期信号倍频和相位同步。响应信号的频率为20 kHz的方波信号，与激励信号对比，频率增大一倍，且无明显相位偏移。由测试结果可知，该模块功能正常，无故障。图9为检测系统电路局部实物图，图10为系统现场测试图。

5　结束语

笔者介绍了某弹载设备数字电路故障自动检测系统的设计方案，该方案的核心控制电路及测试信号的收发数据存储电路采用FPGA和Flash联合处理，并设计USB接口与上位机通信。系统不仅可以对待测电路板上分立元器件如电阻、电容等静态参数测试，而且还能将电路按照功能划分，进行模块化功能检测，增大电路板故障检测的覆盖率。两种测试技术相结合，不仅提高了故障的检测效率，同时保证了故障检测精确度。下阶段拟将该系统应用在通用数字电路板的故障检测中。

References)

[1]凤宝利,刘琴,席海军,等.小体积膛压测试仪及其校准方法[J].计量与测试技术,2013,40(7):33-35.

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

[3]太禄东,余越.在线测试技术在电子装备维修中的应用[J].黑龙江科技信息,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.数字电路板测试系统硬件设计[D].南京:南京航空航天大学,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的数字电路板比对测试系统设计[J].火炮发射与控制学报,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]边晶晶,尤文斌,祖静,等.一种弹载记录仪的实时加密方法[J].电子器件,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

山西省研究生优秀创新项目(No.20143080)

陈云(1990—)，女，硕士研究生，主要从事动态测试及运动控制技术研究。E-mail：1258006919@qq.com

TN492

A

1673-6524(2016)01-0083-04