石志軍 陳信在 高金寶

【摘要】新型艦船列裝的電子裝備通常包含有大量的電路板，這些電路板具有很高的技術(shù)含量和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)原理，傳統(tǒng)的電路板故障診斷方法難以滿足新型電子裝備的保障需求。本文綜合新興的檢測技術(shù)和故障診斷技術(shù)，結(jié)合艦船電子裝備維修保障的實際，給出了模擬電路板和數(shù)字電路板多種形式的綜合檢測與故障診斷方法，系統(tǒng)地為艦船電子裝備故障電路板提供了可參考的診斷策略。

【關(guān)鍵詞】電子裝備；電路板；測試與故障診斷

1.引言

近年來，隨著海軍艦艇的不斷更新?lián)Q代，大量高新技術(shù)電子裝備不斷裝備于海軍艦艇、潛艇部隊。在部隊的艦員級和基地級維修保障中，這些電子裝備的維修過程中通常會有大量的故障電路板被替換下來，部隊現(xiàn)有的維修保障能力和傳統(tǒng)的維修手段很難完成這些電路板的維修，急需研究新型復(fù)雜電路板的綜合診斷技術(shù)，以便快速、準(zhǔn)確、及時的修復(fù)故障板件，為部隊的日常戰(zhàn)備和訓(xùn)練任務(wù)提供有力保障。

艦船電子裝備的電路板通常都是極其復(fù)雜的模擬電路、數(shù)字電路和應(yīng)用軟件組成的電子系統(tǒng)。特別是新型裝備的電路板通常都是高度集成的模擬或數(shù)字等電路系統(tǒng)，簡單、單一的故障診斷技術(shù)難以完成多樣化的故障診斷，這些電路板的診斷需要綜合傳統(tǒng)與新型的多項故障檢測與診斷技術(shù)來進(jìn)行診斷。一般來講，模擬電路與數(shù)字電路的差異性很大。數(shù)字電路主要涉及高低電平的檢測與故障分析，檢測與診斷相對簡單。模擬電路由于要涉及信號的幅度、頻率、波形、相位等諸多參量，具有故障模型復(fù)雜、可測節(jié)點(diǎn)少、計算量大、存在容差和非線性等問題，故而檢測與診斷要復(fù)雜得多。基于以上原因，模擬電路與數(shù)字電路需要采用不同的檢測與故障診斷方法。

2.模擬電路板診斷策略

模擬電路板的故障診斷一般可分為在線診斷（實時診斷）法和離線診斷法[1]。在線診斷法通常具有診斷迅速，定位區(qū)域大的優(yōu)點(diǎn)。離線診斷一般來講具有較小的定位區(qū)域，但其定位的故障通常具有唯一性。目前應(yīng)用的模擬電路故障診斷方法，既有常規(guī)的故障診斷方法（又稱傳統(tǒng)故障診斷法），也有近些年大量發(fā)展起來的模擬電路故障診斷新技術(shù)。

2.1診斷的常規(guī)方法

常規(guī)的診斷方法通常可分為測前模擬診斷法、測后模擬診斷法和介于二者之間的逼近法和人工智能診斷法。

（1）測前模擬診斷

測前模擬診斷法在對模擬電路進(jìn)行現(xiàn)場測試之前就完成了故障診斷的主要計算工作，所以測前模擬診斷法的優(yōu)點(diǎn)具有實時診斷能力。在測前模擬診斷中，我們常采用的故障診斷方法有故障字典法和似然法[2]。故障字典法依據(jù)模式識別原理，首先要將電路的各種故障與其相應(yīng)電路特征進(jìn)行逐一對應(yīng)建立故障字典，診斷時根據(jù)實際測量的信號和設(shè)定的判決準(zhǔn)則查故障字典即可判定故障情況。故障字典法的優(yōu)點(diǎn)：實用性強(qiáng)，應(yīng)用靈活，測點(diǎn)需求少，一次性計算。缺點(diǎn)：故障經(jīng)驗全覆蓋難，儲存所需空間大，不容易開展大范圍測試。故障字典法很少應(yīng)用于軟故障和多故障的診斷，即便是僅應(yīng)用在硬故障的診斷中，該方法也因為受到模擬電路的測量誤差和元器件本身容差的影響，導(dǎo)致診斷效果大打折扣，遠(yuǎn)不如在數(shù)字電路中應(yīng)用該方法效果好。

（2）測后模擬診斷

測后模擬診斷是在對電路系統(tǒng)進(jìn)行測試后，再根據(jù)所測量到的數(shù)據(jù)和參數(shù)信息對電路進(jìn)行模擬和故障診斷的方法。測后模擬診斷常采用的故障診斷方法有元器件參數(shù)識別法和故障驗證法。

故障驗證法在診斷過程中首先估測電路中的故障位置，之后根據(jù)所測得的少量故障數(shù)據(jù)信息來驗證估測的正確性。如果驗證錯誤，則擴(kuò)大估測范圍或改變估測位置繼續(xù)診斷。優(yōu)點(diǎn)：完成診斷僅需獲取少量故障信息，實施方便，應(yīng)用前景較好。缺點(diǎn)：“估測”次數(shù)多，所需計算量大，很難實現(xiàn)實時診斷。

元件參數(shù)識別法的本質(zhì)是系統(tǒng)參數(shù)估計，該方法首先獲取能夠滿足診斷要求的相互獨(dú)立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，再依據(jù)電路系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)針對系統(tǒng)內(nèi)各元器件的參數(shù)進(jìn)行估測或解算，當(dāng)?shù)贸龅哪硞€元器件的參數(shù)不在事先規(guī)定的容差范圍內(nèi)，則判定該元器件故障。由于元件參數(shù)識別法需要通過解算電路網(wǎng)絡(luò)中全部元器件的參數(shù)來確定系統(tǒng)中的全部故障元器件，故而診斷的計算量很大，診斷系統(tǒng)的實時性很差。

（3）逼近法和人工智能

逼近法主要有概率統(tǒng)計法和優(yōu)化法，其中概率統(tǒng)計法屬于測前模擬診斷法，優(yōu)化法屬于測后模擬診斷法。優(yōu)化法多用于軟故障的診斷，該方法通過應(yīng)用合適的目標(biāo)函數(shù)估測出發(fā)生故障可能性最大的元器件。逼近法通過選擇不同的目標(biāo)函數(shù)，我們可以對應(yīng)采用不同的方法。逼近法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠診斷多故障，主要缺點(diǎn)是在線計算量過大。

人工智能（又稱專家系統(tǒng)）的建立與故障診斷過程包含了測前模擬和測后模擬兩個過程，其中電路系統(tǒng)的故障特性收集和處理屬于測前模擬過程，故障推理搜索等過程屬于測后模擬過程。人工智能的方法優(yōu)點(diǎn)是診斷效率高，可以應(yīng)用于運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)理論難以診斷的電路系統(tǒng)。缺點(diǎn)是無法滿足故障的實時診斷需求。

2.2診斷的新技術(shù)

（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種近年發(fā)展起來的新技術(shù)，在智能故障診斷等多項領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種人工系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用物理上能夠?qū)崿F(xiàn)的系統(tǒng)、器件或當(dāng)前的計算機(jī)技術(shù)對人腦的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬來完成任務(wù)。當(dāng)前發(fā)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有幾十種，在故障診斷領(lǐng)域常用的模型有誤差后向傳播網(wǎng)絡(luò)（BP）、自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)（SOFM）和Hopfield網(wǎng)絡(luò)等。這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有的可以有效解決非線性問題；有的可以解決正常器件容差范圍內(nèi)的多故障問題；有的能夠?qū)崿F(xiàn)針對單或多、軟或硬故障實現(xiàn)快速而有效地故障識別與定位。

（2）小波變換

小波變換法是一種針對信號的時——頻分析方法，該方法采用適當(dāng)?shù)男〔负瘮?shù)通過在尺度進(jìn)行伸縮和時域上進(jìn)行平移來分析信號。小波變換的診斷機(jī)理主要包括三個方面：一是通過分析觀測信號的奇異性實現(xiàn)故障診斷，二是通過分析觀測信號頻率結(jié)構(gòu)的變化實現(xiàn)故障診斷，三是通過對脈沖響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行小波變換實現(xiàn)故障診斷。在診斷中，我們通常會先用小波變換法對系統(tǒng)的信號進(jìn)行小波預(yù)處理器，以便有效地提取故障特征信息，之后再用故障分類處理器來處理這些信息以進(jìn)行故障診斷。小波變換法的優(yōu)點(diǎn)：無需建立對象的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)算量相對較低；對系統(tǒng)的輸入信號要求不高，具有較強(qiáng)的噪聲抑制能力；故障檢測靈敏度高，故障診斷準(zhǔn)確可靠。缺點(diǎn)：在進(jìn)行大跨度的檢測時會有較大的時間延遲；系統(tǒng)的診斷結(jié)果會因為采用不同的小波基而受到影響。

（3）模糊理論

模糊理論著重研究模仿人類大腦在概念和推理等方面所具有的形象思維與模糊定性能力。該診斷法在故障征兆空間和原因空間之間憑借專家經(jīng)驗建立模糊關(guān)系矩陣，然后組合每個模糊推理規(guī)則產(chǎn)生的模糊關(guān)系矩陣，依據(jù)設(shè)定的閥值來判定故障部位。在模擬電路的故障診斷中，器件的非線性、容差和電路的噪聲都會引起故障本質(zhì)與故障征兆的關(guān)系產(chǎn)生模糊。這種情況下，就需要我們利用模糊故障診斷法給出故障產(chǎn)生的可能性、故障的位置和故障的程度。模糊故障診斷法的優(yōu)點(diǎn)：能適應(yīng)不確定性問題；能夠根據(jù)模糊度的高低給出進(jìn)行了優(yōu)先度排序的多個解決方案。

（4）分形理論和遺傳算法

對于模擬電路板的故障診斷，我們一般需要獲取電路板工作狀態(tài)的各種特征信號，而這些用來反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征信號通常是在一定尺度內(nèi)具備分形特性的不規(guī)則信號[3]。一般來講，分形理論體現(xiàn)了不規(guī)則信號在整體與局部的自相似性，我們可以通過覆蓋的方法計算信號的分維數(shù)，再把信號的分維數(shù)作為故障特征進(jìn)行診斷。分形理論是復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的良好方法。使用分形理論可以使診斷中信號特征的提取數(shù)量大幅減少，該方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換綜合應(yīng)用，能有效增強(qiáng)模式識別的可靠性和有效性。

遺傳算法是一種新發(fā)展起來的模擬自然優(yōu)化機(jī)制的全局優(yōu)化搜索算法。遺傳算法可用來解決許多高度復(fù)雜的問題，在模擬電路故障診斷中應(yīng)用遺傳算法可以提高推理速度，并能在樣本數(shù)據(jù)稀少和先驗知識不足的條件下增強(qiáng)智能故障診斷系統(tǒng)的實用性。遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)是簡單通用，種群規(guī)模小，收斂性好，全局搜索能力強(qiáng)，可用于并行處理。

（5）信息融合技術(shù)

隨著模擬電路新技術(shù)和元器件技術(shù)的發(fā)展，在模擬電路的故障診斷中，常會因為電路可測節(jié)點(diǎn)不足或測試手段限制而導(dǎo)致診斷所能使用的測試信息十分有限，進(jìn)而降低了故障診斷的準(zhǔn)確性。信息融合技術(shù)可以針對不同類測試信息提取診斷信息，也可以利用不同特征變換方法從不同側(cè)面提取樣本集合包含的診斷信息，最后通過合適的集成方法對提取的診斷信息進(jìn)行融合。將信息融合技術(shù)運(yùn)用到模擬電路故障診斷系統(tǒng)，能將不同的診斷信息進(jìn)行有效融合，很好地解決測試信息不足的問題。

3.數(shù)字電路板診斷策略

在數(shù)字電路板的故障診斷中，我們進(jìn)行故障診斷的基本思想是向被測電路板關(guān)鍵測試點(diǎn)注入測試矢量，再通過一定的算法和運(yùn)算規(guī)則等對相應(yīng)的輸出響應(yīng)進(jìn)行分析處理，最后確定故障的類型以及在電路中發(fā)生故障的位置。針對不同的數(shù)字電路板，由于其功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及故障特點(diǎn)各不相同，因此我們采取的故障診斷方法也不同。此外，在數(shù)字電路板的故障診斷中，也可以使用類似模擬電路診斷中所采用的故障字典法進(jìn)行故障診斷，兩類電路關(guān)于故障字典建立的方法和故障診斷的方法大致相同，這里不再贅述。

（1）基于故障樹的功能測試法

功能測試法是指自動測試設(shè)備（ATE）通過接口測試適配器與被測電路板的主輸入輸出接口連在一起，由自動測試設(shè)備給被測電路板施加激勵信號（功能測試向量），將所得結(jié)果與預(yù)期結(jié)果比較就可知道被測板是否有故障[4]。一般來講，很多電子裝備的數(shù)字電路板電路結(jié)構(gòu)可以抽象為樹狀層次結(jié)構(gòu)。對這類數(shù)字電路板的故障診斷可以依照電路的層次結(jié)構(gòu)依次往下執(zhí)行，直到找到最小故障單元為止。對某一級或某一層次電路的故障診斷，我們常用的方法是功能測試法。采用故障樹與功能測試相結(jié)合的故障診斷方法優(yōu)點(diǎn)是故障檢測速度快，故障診斷效率高。該方法不僅可以檢測出電路板的功能性故障，還可診斷出電路板的內(nèi)部連接線等非元器件故障。

（2）替代測試法

替代測試法就是利用已知完好的元器件替代電路中起關(guān)鍵或重要作用的疑似故障器件，然后依據(jù)電路的工作原理給被測電路板輸入激勵信號，再采用功能測試法對電路板進(jìn)行故障診斷。替代測試法運(yùn)用的是器件隔離的思路，對關(guān)鍵、重要器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x常常能夠方便快捷地診斷器件本身和其它相關(guān)聯(lián)的電路系統(tǒng)。替代測試法主要應(yīng)用于具有特定結(jié)構(gòu)的電路板的故障診斷，如對于擁有一個或多個核心控制器件對整體或局部電路進(jìn)行控制的數(shù)字電路系統(tǒng)?？刹捎冕槍﹃P(guān)鍵、重要件的替代測試法。

（3）窮舉與偽窮舉測試法

窮舉測試法（也稱群舉測試法）在測試時首先要在被測數(shù)字電路的輸入端分別輸入全部可能的測試矢量，然后檢測電路系統(tǒng)的輸出是否與原電路所設(shè)計的邏輯功能相符[5]。在數(shù)字電路的故障診斷中，窮舉測試法常用于組合邏輯電路的測試與診斷。使用窮舉測試法進(jìn)行測試時無需產(chǎn)生測試矢量的算法即能測試邏輯電路的全部功能，且故障檢出率能達(dá)到百分之百。但是當(dāng)數(shù)字電路系統(tǒng)輸入測試矢量的維數(shù)過大時，系統(tǒng)的測試工作會因為工作量過大和測試時間過長而難以完成測試與診斷任務(wù)。

為了降低測試工作量，減少測試時間，常常用偽窮舉測試法來代替窮舉測試法。在偽窮舉測試法中，通常先將待測電路系統(tǒng)進(jìn)行分塊處理，確保每一個分成的子電路塊都能采用窮舉測試法進(jìn)行測試，之后在窮舉測試法的基礎(chǔ)上對電路系統(tǒng)進(jìn)行測試與診斷，完成診斷工作。偽窮舉測試法在一定程度上既具有窮舉測試法的優(yōu)點(diǎn)，同時又克服了窮舉測試法工作量大和測試時間長的缺點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實用性。

（4）邊界掃描測試法

邊界掃描測試（BST）是一種擴(kuò)展的自測試技術(shù)，該技術(shù)是專門針對復(fù)雜數(shù)電路板故障診斷與測試難題而設(shè)計的一種測試法。邊界掃描技術(shù)將可測試設(shè)計直接設(shè)計到電路板的器件內(nèi)部，在器件引腳和內(nèi)部邏輯之間插入標(biāo)準(zhǔn)的彼此串聯(lián)在器件的邊界構(gòu)成移位寄存器的邊界掃描單元以用于測試。邊界掃描測試并不適合對所有的數(shù)字電路進(jìn)行測試，該方法只能對具有邊界掃描結(jié)構(gòu)的數(shù)字電路板進(jìn)行測試，并且也只能對板中與邊界掃描鏈相連的外圍集成電路芯片進(jìn)行測試。邊界掃描測試法測試時需在測試時鐘的控制下通過測試數(shù)據(jù)入口將激勵信號串行輸入，然后通過邊界掃描鏈中的邊界掃描單元（即邊界掃描通路）將激勵信號作用于外圍各集成電路芯片，然后將其響應(yīng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出口串行輸出，同時通過對串行輸出結(jié)果進(jìn)行分析處理，最后確定外圍各芯片是否有故障。

邊界掃描測試法的優(yōu)點(diǎn)是測試能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)快速、自動化程度高、通用性好、故障覆蓋率和測試精度高、對測試系統(tǒng)要求低等。該方法非常適合用于針對集成度較高的復(fù)雜數(shù)字電路板進(jìn)行的測試，特別是對于含有復(fù)雜可編程器件的數(shù)字電路板很容易完成故障的測試與診斷。邊界掃描測試法的缺點(diǎn)是測試僅適用于帶邊界掃描結(jié)構(gòu)的芯片的數(shù)字電路板。

（5）仿真測試法

對于一些具有特定電路結(jié)構(gòu)的電路板（如整個或局部電路工作狀態(tài)受關(guān)鍵器件控制的電路板），我們可以采用仿真測試法。用仿真測試法進(jìn)行診斷時，只需獲取關(guān)鍵器件的控制權(quán)就能控制電路板的整個或局部電路的工作狀態(tài)，進(jìn)而迅速準(zhǔn)確地診斷電路板。該方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了繁難的測試算法，對于不同的電路板進(jìn)行測試與診斷時所需的硬件結(jié)構(gòu)很少變化，需要變化的只是依據(jù)每個電路板的不同結(jié)構(gòu)編制不同的測試流程圖，開發(fā)不同的測試程序集（TPS）。進(jìn)行測試時，我們只需將測試程序加載到數(shù)字IO中就能開展不同電路板的故障測試與診斷，方便、準(zhǔn)確、高效、快捷。

4.結(jié)語

本文針對艦船電子裝備電路板的故障診斷進(jìn)行了分種類、多策略的故障診斷方法研究，其中一些方法在電子裝備的故障診斷中已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果。由于大量艦船電子裝備電路板的技術(shù)先進(jìn)、原理復(fù)雜，數(shù)字與模擬電路相互融合、硬件與軟件聯(lián)接緊密、超大規(guī)模集成電路與可編程電路綜合應(yīng)用，這些都需要在故障診斷中綜合應(yīng)用多種測試與診斷技術(shù)，根據(jù)電路特點(diǎn)合理選擇方法，才能完成好艦船電子裝備電路板的測試與故障診斷。

參考文獻(xiàn)

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