1、航天測控 - 測控技術 -故障診斷技術電子設備電路板故障診斷技術航天測控公司 奚全生 史慧 任光霞摘 要論述了電子設備電路板故障診斷技術的概況和發展前景， 結合航天測控公司 “ 華佗電子診所 ” 系列產品 HTEDS8000 電子設備電路板維修測試與診斷系 統，介紹了電路板故障診斷技術及應用。該系統綜合了先進 的測試與故障診斷技術，適用于電子設備尤其是軍用電子裝 備的板級維修及綜合測試。隨著科學技術的快速發展，特別 是數字技術及各種超大規模集成電路的廣泛應用，電子裝備 尤其是軍用電子裝備結構越來越復雜，功能越來越完善，自 動化程度也 越來越高。雖然電子系

2、統的性能得到提高，但是對測試和維 修保障也產生了測試流程復雜、 測試時間長、 維修保障困難、 維修費用高等諸多問題，這些問題嚴重影響 了電子設備的完好性和壽命周期。電路板故障診斷技術，可以快速、準確地對電子系統是 否異常進行判斷，對于出現的故障進行快速定位，并將故障 隔離到最小可更換單元。在電子設備維護保障中應用現代故障 診斷技術，可以提高系統的可靠性、有效性，保障設備發揮 最大設計能力，延長使用壽命，降低壽命周期費用；通過檢測監視、故障統計分析及性能評估等，為設備 優化設計提供數據和信息，因此研究電子設備尤其是電路板 故障診斷技術，將研究成果產品化推廣應用，具有廣闊的應用前景。故障診斷技術的

3、概況及發展前景故障診斷是根據對被診斷對象測試所取得的有用信息進行 分析處理，判斷被診斷對象的狀態是否處于異常狀態或故障 狀態，確定故障的方位，預示故障的發生。早期的故障診斷是依據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經驗，對其狀態特征進行分析，判斷 某些故障的存在，或預測故障發生的時間。維修是為使設備保持或恢復到規定狀態所進行的全部活動，即 不僅包括設備在使用過程中發生故障（損壞）時進行修復， 以恢復其規定狀態的修復性維修，而且還包括在故障（損壞）前，預防故障以保持規定狀態所進行的預防 性維修活動。近年來，數字技術和超大規模集成電路廣泛應 用于功能電路板的設計中，電子設備的功

4、能和 結構也越來越復雜，因此對其的測試工作量大，對檢測的質 量要求高，一般情況下很難依靠人的感官和經驗把故障因素 檢查出來。現代故障診斷技術是近年來隨著電 子計算機技術、現代測試技術和人工智能技術的迅速發展而 發展起來的一種新技術，是指應用現代化儀器設備和計算機 系統等高新技術設備，通過測試來檢查和識別 設備及零部件的實時技術狀態，對其進行科學的診斷。應用 故障診斷技術對設備進行測試和診斷，可以及時發現設備的 故障和預防惡性事故的發生，從而避免出現重 大損失。美國是對故障診斷技術進行系統研究最早的國家之一，1961 年美國開始執行阿波羅計劃后，出現了一系列設備故 障，促使 1967 年在美 國

5、航天局（ NASA ）倡導下，由美國海軍研究室（ ONR ）主 持美國機械故障預防小組 （ MFPG ），積極從事故障診斷技術 的研究和開發。美國作為世界頭號軍 事強國，非常重視軍事武器裝備的后勤補給和維護保障，由 于武器系統越來越復雜，裝備設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行，使裝備 能時刻保持可用狀態，因此各種類型的故障診斷和維修專家 系統已用于美國 F-15 戰斗機、 B-1B 轟炸機、海軍艦艇、陸 軍軍械裝置等現役武器裝備的故障診斷 和維修中。目前美國在航空、航天、核工業以及軍事部門中 診斷技術占有領先地位。歐洲一些國家在設備診斷技術方面 也有很大進展，如英國從

6、 60 年代末 70 年代 初開始診斷技術的開發研究，在工業、核發電等方面占有某 種優勢。我國雖然對故障診斷技術的研究起步較晚，但近年來得 到迅速發展。在重要系統和 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 )、測試與診斷術語(GJB-3385-98 ) 等國家軍用標 準。國內軍用測試系統，也隨著軍用設備對測試診斷技術的 要求逐步開展研究。目前國內對裝備的故障診斷技術，尤其 是電路板級故障診斷技術的研究有了較大的進 展。北京航天測控技術開發公司在自動測試故障診斷技術 研究和相關產品開發方面取得了較大的成績，開發出了具有 自主知識產權的 &#82

7、20; 華佗電子診 所” 系列產品，包括 HTEDS8000 電子設備電路板維 修測試與診斷系統 FaultDoctor 故障診斷軟件平臺等產品， 該產品綜合應用了先進的 測試與故障診斷技術，適于電子設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、二炮等軍兵種進行了推廣應用。電路板故障診斷系統實現為了實現電路板測試與診斷，故障診斷系統一般應具有 電路板功能檢測、激勵信號生成、信號測試與采集、信息管 理和數據分析等系統功能，可對各類型電路板進行測試診斷， 將故障隔離定位到發生故障的最小可更換單元（如元器件） 。北京航天測控技術開發公司自主開發的 HTEDS

8、8000 電子設備電路板維修測試與診斷系統基于 VXI 總線構架， 具 有開放式、模塊化、易擴展的結構特點。系統主要任務是通 過建立的系統硬件平臺，達到模擬電路板實 際工作環境，完成被測板診斷信息獲取，經過診斷程序的分 析、判斷確定故障位置，完成故障診斷的目的。系統主控計 算機軟件通過標準接口軟件實現對 VXI 總線 儀器和 IEEE488 接口儀器的控制， 產生仿真測試所需的激勵， 通過通用信號轉接箱和專用適配器加載至被測板邊緣連接 器的相應端子，同時獲取相應的響應數 據，通過診斷軟件的分析、判斷，完成故障定位。HTEDS8000 電子設備電路板維修測試與診斷系統體 系結構電子設備電路板維修

9、測試與診斷系統主要由主控計算 機、 VXI 總線儀器、 IEEE488 接口儀器以及專用設備組成。 硬件部分可擴展性強，可根據用戶的需求做相應的增減。VXI 總線具有結構緊湊、標準開放、數據吞吐能力強、模塊 重復使用等特點，并且虛擬儀器軟件結構（ VISA ）解決了計 算機與儀器之間的接口及應用軟件開 發環境的兼容性問題， GPIB 總線作為一種成熟的標準儀器 總線具有廣泛的應用范圍，兩種總線接口在系統中結合應用， 使系統的通用性、測試功能及測量帶寬的 擴充性和電磁兼容能力進一步提高。對于多種類型電路板的測試診斷，系統通過被測電路板 專用適配器與被測電路板相連，激勵信號通過通用信號轉接 箱發送

10、至專用適配器，加載到被測電路板相應端子，同時將 被測信號送入通用信號轉接箱的信號測量通道，經調理、轉 接后由 VXI 測控組合中的測量模塊、功能模 塊或 GPIB 測量設備實現信號的測量、控制和采集。主控計 算機對數據采集及激勵設備的工作進行協調和控制，測試數 據經過相應的預處理，提供給診斷專家系統。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 電子設備電路板維修測試與診斷系統配置了 測控公司自主開發的應用軟件 Fault Doctor Ver1.0 故障診斷軟件平臺， 該軟件根據故障分

11、析理論融合了 先進的虛擬儀器測試技術、 人工智能分析方法、 專家知識庫， 可對各類型數字、模擬及數模混合電 路板進行測試、分析和診斷。該軟件平臺采用 OLE 、COM 等先進的技術， 通過 COM 接口搭建功能框架，然后在框架內根據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、數據信息管理模塊等；各模塊的 添加具有相對的獨立性，通過主框架程序進行 數據交換；并且可進一步改進或者添加新的功能模塊。軟件 提供二次開發的接口，采用 COM 接口的軟件設計思想，解 決了程序編寫和升級的難題，提高了系統的可 靠性和擴展性。軟件體系包括測試診斷執行平臺、

12、測試診斷開發平臺、 用戶界面編輯平臺、數據信息管理平臺及在線幫助等功能模 塊。測試診斷開發平臺完成對被測電路板進行故障診斷和定位，提供自動監測和 信息提示功能；測試診斷開發平臺提供可視化圖形界面環境 引導開發人員輸入診斷步驟、模擬激勵、數據 激勵、信號類型、測試節電、儀器操作等，以完成測試診斷 程序開發任務；用戶界面編輯平臺生成診斷執行界面的顯示 內容，完成人機界面的交互設置；數據信息管 理平臺完成故障電路板型號統計和原器件統計分析、故障趨 勢分析和預測試功能，實現故障診斷測試、信息分析反饋的 融合。軟件具有可視化引導功能，開發人員不需掌握復雜的程 序編碼、專業性極強的智能診斷算法和專家系統原

13、理，只需 通過各種流程模塊和相應的功能組件，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 斷開發效率。電路板故障診斷專家系統及診斷方法HTEDS8000 電子設備電路板維修測試與診斷專家系統分知識庫和推理 機兩部分。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 化。推理機采用基于普通推理、神經網絡、模糊邏輯相結合 的綜合智能推理機，既可提高診斷推理速度，同時也可以提 高故障隔離的精度。專家系統的構建是一個逐 步成熟的過程，隨著診斷知識的累積、優化，故障診斷專家 系統功能就會越來越強。該系統集成了規則推理、多重神經 網絡、模糊

14、神經網絡、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 /深層知識的推理機制， 基于模糊神經網絡、自適應遺傳算法的智能診斷推理方式， 具有完整的電路原理與網絡連接關系的知 識表示模型。在診斷領域，模糊邏輯理論和神經網絡技術在知識表示、 知識存貯、推理速度及克服知識窄臺階效應等方面起到了很 大的作用。模糊邏輯 與神經網絡相結合的模糊神經網絡既能表示定性的知識又 能具有強大的自學習能力和數據處理能力，從而大大拓寬了 處理診斷信息的能力。模糊神經網絡由于涉及模 糊理論和神經網絡理論這兩個較前沿的領域，應用起來較復 雜。主要用于故障模式比較復雜的電路板的診斷。診斷專家 了解測試數據范圍，

15、而且能夠較合理選擇模糊 子集和模糊隸屬度的場合。模糊神經網絡的優點是確定模糊 子集和模糊隸屬度后，網絡訓練需要的診斷知識很少，就能 達到很高的診斷定位精度。系統 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、初始數據、自動采集數據、交換數 據、所用儀器和資源、標準數據、診斷執行、 推理方式等內容的記錄和查詢；具有單步、斷點等多種調試 方式； 對于缺乏技術資料的 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 根據電路板的具體情況采用相應的診斷方法；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 行測試診斷。