基于EDA技术的电路板维修测试系统研究

    电子设备维修保障的难点是电路的故障诊断。目前，电路板的故障检测主要通过人工、专用自动测试设备或通用电路维修测试仪器完成。一般而言，专用的自动测试设备针对性强、自动化程度高、诊断精度高，但通用性和扩展性较差，测试成本比较高。随着电子设备复杂程度的提高，其测试成本已占设备总成本的30%以上。而通用的电路维修测试仪器对数字电路板主要采用逐个芯片测试的方法，需要针对芯片的不同封装和型号配里多种测试夹，对模拟电路板则多采用标准板作对照渊试，通过比较好、坏电路板相应端口的特性，确定故障点和故障元件。这类仪器的通用性和扩展性较好，但检测效率和诊断精度较低，而且需要较多的测试点，不适合武器装备电路板的维修测试。目前，元件级的电路板故障检测主要还是靠人工、凭经验，维修质量不易保证。特别是对一些使用不久的新装备，由于故障统计信息和维修经验相对较少，维修保障的难度更大。为此，笔者以某新型坦克为研究对象，运用电子设计自动化(EDA)技术，设计研制了一套检测精度和效率较高、通用性和扩展性较强、测试成本相对较低的元件级电路板维修测试系统。

    1、系统总体设计

    EDA是现代电子系统设计的重要技术，利用其电路仿真工具可以在计算机上实现电路的功能仿真、特性测试、故障设置和响应分析图，利用其电路设计工具可以建立特殊器件的仿真模型、开发通用性和扩展性很强的现场可编程器件(FPGA)。

    因此，本系统的总体设计思路是，首先利用EDA技术建立装备电路的仿真系统，研发具有通用插槽的电路板自动检测仪;然后通过电路仿真系统的故障复现和模拟，将专家知识与仿真结果有效融合，构建故障模型数据库，研究适合装备电路的故障诊断方法，建立电路的故障诊断系统，最终形成通用性、扩展性较强的电路板维修测试系统。系统总体设计流程和总体组成分别如图1和图2所示。

    其中，自动检测仪是系统的硬件部分，其余为维修测试系统软件。为增强系统的通用性，自动检测仪采用FPGA设计，使不同的待测电路板能插接在同一插座上完成自动检测。而维修测试系统软件的作用则是在电路仿真系统和故障模型数据库的支持下，实现电路板的测试扫描和故障元件定位。

    同时，为增强系统的通用性和实用性，在总体方案中将系统设计成自动和手动两种工作模式。在自动模式下，将具有通用插槽的电路板自动检测仪通过USB接口与计算机构成测试平台，完成装备电路板的自动测试和诊断。而当检修人员没有自动检测仪或在异地维修电路时，只需拥有相关的电路仿真软件和维修测试系统软件或从网上获得这些支持时，即可通过手动模式，在维修测试系统的指导下，利用EDA仿真工具和通用测量仪器进行电路板的故障检测。显然，这种方案具有使用灵活、通用性好、测试成本低、实用性强等特点。

    2、自动检测仪设计

    本系统利用现场可编程器件(FPGA)的在线重配置功能，运用EDA技术研发了具有通用插槽的电路板自动检测仪，能够通过软件实时改变测试插槽与计算机接口间的连接关系，达到了用一个插槽测试多个不同电路板的目的。其原理框图如图3所示。

    PC机通过USB接口将包含被测电路板信息的代码经1/0卡写人FPGA，配置FPGA的相应管脚，在插座和PC机之间建立相应通道。对数字电路板，FPGA直接将测试向量通过数据线作用于电路板，电路的响应信号也经数据线通过FPGA和I/0送人PC机进行分析处理，得出故障诊断结论。对模拟电路板，FPGA根据检测代码控制驱动电路中的激励源，通过隔离和驱动后作用于电路板，电路的响应信号则通过A/D采集卡送人PC机进行分析处理，得出故障诊断结论。由PC机发出的控制信号还可以通过手动/自动的切换改由手动开关提供。无论手动还是自动方式，对数字量和开关量均可通过输人/输出量的LED显示器，观察到输人栓测代码和电路板的响应信号。

    在自动检测仪中除上述硬件外，还配置了电源和激励信号源。其中，电源由开关电源和2个DC/DC组成，而激励信号源则能为检测提供各种电平信号、交流电压信号、电流驭动信号和开关盘等。该检测仪方便了电路的自动测试，减小了测试设备体积，缩短了维修时间，增强了系统的通用性。

    3、电路仿真系统和故障数据库建立

    在电路仿真系统的建立中采用了最新的电路仿真分析工具Multisim。该软件具有仿真能力强、界面直观、操作方便、分析手段完备等特点，特别是该软件提供了用户自行创建和修改元器件模型的工具，并支持硬件描述语言(VHDL或Verilog)的电路仿真和设计，这对构建军品电路中特殊元器件的模型十分有利。军品电路的特殊性，使得在装备电路仿真系统的建立过程中，会出现一些电路仿真工具模型库中没有的元器件，此时可利用电路仿真工具提供的元器件编辑和创建功能，修改和创建部分元器件模型。而当需要创建的器件规模较大、功能较复杂时，可利用Multisim提供的VHDL平台，用VHDL语言描述所需器件的逻辑功能、电路结构和连接形式。然后，利用Multisi。内建的仿真器对用VHDL设计的器件模型进行编译和调试。

    电路仿真系统的建立使装备电路图由静态的图纸变成了能实时表现其工作状态的“活图”，不仅能替代正常电路板用于故障电路板的对比检测，而且支持维修人员在计算机上对电路的任意元件进行故障设置、响应测试和仿真维修，特别适合电路的故障模拟和故障复现，为电路故障数据库的建立和基层的维修教育训练提供了有力的技术支持。在故障数据库的构建中，故障现象和响应特征的获取除了利用已有的专家经验和知识外，还可以通过电路的仿真系统模拟。利用EDA仿真分析工具，复现电路的常见故障，通过直流分析、交流分析、灵敏度分析和蒙特卡洛分析等取得相关的故障响应信息，建立电路的故障数据库。由于在电路的仿真系统中，各种故障的设置和模拟没有限制，能安全地复现实际电路中各种难以设置的故障，从而使故障现象和诊断规则的获取变得容易和快速，大大丰富了故障数据库的内容，降低了数据库的建设成本。