基于VXI仪器的电路板故障诊断系统分析
某机电控制系统采用了集中分布式计算机，其功能强，操作简便，但配置庞大、复杂，所包含的几百块印刷电路板是易发生故障的环节，维修测试技术要求高。为了缩短排除电路板故障的时间，提高维修质量，我们研制了基于VXI总线仪器的电路板故障诊断系统，对上述电路板进行故障检测和诊断，且将故障定位到元器件级。
1. 故障诊断系统的硬件
VXI(VME bus extensiON for instrumentation)总线是当前性能最先进的测控系统机箱底板总线之一，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、模块可重复使用、众多仪器厂家支持等优点。VXI总线标准及其产品的问世，在国内外自动测试领域掀起了一场新的革命，对国际自动化测试技术的发展产生了重大影响。成为当今测量与控制技术的发展方向口电路板故障诊断系统以系统控制器、VXI总线主机箱及其测试仪器模块为核心，辅以部分IEEE488程控仪器，而待测电路板通过转接器和适配器与系统连接。系统硬件组成方框图。
(1)系统控制器。选择外挂式主控计算机，它内配GPIB通信接口卡，通过GPIB-VXI翻译器与VXI总线主机箱相连。内嵌式计算机具有速度快、体积小和使用方便等优点，但其成本太高且不易升级，因此仍选用外挂式。
(2)VXI总线主机箱及其测试仪器模块。考虑到VXI总线所具有的优点，研制的电路板故障诊断系统选用了C尺寸13槽HPE8403A高性能VXI总线主机箱，其测试仪器模块可利用槽数为12个。虽然目前采购的测试仪器模块只有4个，但空余的槽为系统的扩充和功能完善提供了可能。
在VXI总线主机箱中采用HPE1406A命令模块为零槽模块，它通过GPIB.VXI翻译器与外接控制器相连接，具有翻译器和接口功能，提供公共系统资源和进行资源管理;采用HPE1418A(8通道D/A转换)模块为待测电路板提供所需的模拟信号;采用HPE1458A(96通道数字V0)模块与待测电路板的数据总线、地址总线和控制总线连接，完成对电路板的控制和读写操作;采用HPE1411B(5位半数字万用表)作为信号参数测试模块。
(3)IEEE488程控仪器。为了给待测电路板提供稳定的电压源同时又便于程序控制，选择台式仪器HPE3631A和HPE3632A作为系统的程控激励源。
(4)转接器和通用适配器。该部分主要为激励源和测量仪器设备与测试对象之间建立一个基本统一的连接与通信方式。由于待测电路板类型很多，仅仅采用单一适配器是无法满足测试要求的，所以在每一通用适配器与尽可能多的待测电路板相连接的基础上，设计了一个转接器。设计转接器是为了避免在更换通用适配器时电线和电缆的反复插拔和连接。所有激励源、VXI测量仪器模块的引出线都集中连接到转接器上，再通过一个96针接插口和通用适配器相连。由于待测电路板是标准设计，大部分都具有96针阳极接插口，因此通用适配器又可以与多种待测电路板连接，最终将故障诊断系统和待测电路板连接成完整的一体。
另外，为给待测电路板提供所需的时钟信号，系统还包括DF1631功率函数信号发生器1台，它通过电缆与转接器连接。以上前3个部分通过GPIB总线连接在一起，构成测试诊断系统的主框架。GPIB(general p11Epose inteRFace bus)是HP公司在70年代发明的一种8位并行接口，它能使上架式和台式仪器相互间，以及与宿主计算机间进行通信。由于它简单灵活，几乎所有的仪器制造商都使用这种接口[口，直到今天，它仍是由独立仪器构成的自动测试系统的首选接口。虽然GPIB总线数据传输率较低，但能够满足研制的测试诊断系统的技术要求。又出于性能价格比的考虑，所以电路板故障诊断系统以台式仪器为主，组成了GPIB和VXI总线混合的集成测试系统。系统使用的VXI卡式测量仪器设备和GPIB程控仪器设备符合国际标准，标准化、通用化、模块化程度较高，兼容性强，易进行系统扩展和更新换代，为以后系统的完善和发展打下坚实的基础。
2. 故障诊断系统的软件设计
故障诊断系统的软件设计平台选择了HPVEE，基本操作环境为Windows 98。Windows 98支持32位程序开发，由于它是一个多任务操作系统环境，因此各任务间既易于转换又可方便地交换信息，为用户提供方便、良好的操作界面，是一个较理想的操作系统。系统软件平台选用了图形化编程语言HPVEE，它是目前用于测试与测量中最富有成效的编程语言。VEE(visual engineering mviroment)是一种面向仪器控制的模块化编程语言，也是目前面向VXI总线测试系统主要的软件开发环境之一，它能处理日常性的任务，如仪器控制、测量处理和测试报告，简化在测试开发过程中所遇到的任务：系统集成、调试、结构化编程设计和文档处理。同时，用其他语言，如C/C++、VC、VB、FORTRAN等编写的程序可以很容易地与HPVEE程序结合在一起，这对今天的测试开发尤其重要。总之，VEE可以大大缩短测试软件的开发时间。
从系统软件通用性要求出发，软件设计采用面向测试的智能化自动测试系统决策平台，其总体结构方框图见图2。以下就软件的各主要组成部分作简要说明：
(1)系统和电路板信息显示。在进入系统软件主控模块后，通过人机界面可调用系统信息或待测电路板信息显示子程序，用来向操作员显示整个系统的组成及状态和待测电路板的有关信息。如果要求输入的电路板类型没有包含在系统诊断范围内，则自动加以提示。
(2)系统设备自检。该子程序对系统设备进行自检，通过后可进入测试诊断程序，否则中止程序进一步执行，退回到软件主控模块并报告出错。
(3)电路板功能测试程序。该子程序对待测电路板进行故障检测。故障检测时首先根据测试诊断数据库提供的信息对所需要的程控电源和测量仪器设备进行初始化并启动共工作，接着对待测电路板进行初始化（如需要），然后依据测试诊断数据库中的要求进行测试。将测量结果和测试诊断数据中的有关数据相比较，比确定故障检测是否完成。若没有检测出故障，则报告并回到软件主控模块；若检测出电路存在故障，则报告并进入电路板诊断程序。
(4)电路板诊断程序。同样仪据测试诊断数据库，按照基本与功能测试程序相同的方法完成故障隔离和故障定位。
(5)电路板测试诊断数据库。该数据库是和待测电路板一一对应的，在对某类型电路板进行测试诊断之前，必须建立与它对应的数据库。也就是说，系统软件中有多少数据库就可以诊断多少类型的电路板。数据库源程序由Delphi软件编写，其内容主要包括诊断步骤、模拟激励、数字激励、信号类型、测试节点、测试位置、特征范围、正确情况、错误情况和提示信息等。在进行测试时，系统测试诊断程序读取数据库的某一数据，该数据包含上面提到的诊断步骤、模拟激励、提示信息各项内容，然后依照数据内容对待测电路板施加激励并读取响应，将结果和预期值比较以决定下一步骤。可见，数据库的正确建立是相当重要的，它是整个软件部分的核心。
(6)测试诊断结果报告。显示并打印待测电路板的测试诊断结果。
前面提到的测试诊断数据库的编写需要对待测电路的故障诊断机理有深入的了解。待测的电路板很多类型属于数模混合，而数模混合电路的故障诊断是个难点。离散事件系统(discrete event systems，以下简写为DES)理论可提供一种统一的对数字和模拟电路测试都有效的途径。DES理论用于数模混合电路的故障诊断，其主要作用有以下几个方面:
①检查电路的可测性。DES理论用离散数学中集合的和与积运算定义电路的可测，性，也即验证通过可观测的事件能否达到预期的故障隔离度。具体步骤是首先人为确定状态集合T，T中的每一个元素是由若干个状态组成的集合，而每一个状态即对应电路一个元件的故障或正常状态;再找到若干可观测事件，根据每一个事件发生时电路可能和不可能所处的状态建立对应该事件的分区(一个集合)，分区由两个子集合组成，其中一个包含事件发生后电路可能所处的所有状态，另一个包含事件发生后电路不可能所处的所有状态;接下去对可观测事件对应的分区依次逐一进行集合的积运算，最后得到的结果Tout(还是一个分区)如果比预期的T"更精细"，那未电路才是可测的。如电路不可测，则必须增加可观测的事件，否则诊断结果达不到预期效果。电路可测性的内在含义是:只有任何两个不能被所观测的事件区分开的状态都在T中的同一元素内时，则电路才可测。显然，电路的可测，性决定于T和所有可观测事件。
②计算最小测试集minOES(T)。为了以较快的速度和较低的成本完成电路的故障诊断，需要找到最小测试集。若待诊断电路可测，则可考虑在不影响故障隔离度的前提下，去掉所有可观测事件中的部分事件，剩余事件的集合即为EElinoES(T)。可以证明minOES(T)不是唯一的，但对于每一个minOES(T)，从中移走任一元素都将使得待诊断电路不可测。至于哪一个minOES(T)是最理想的，主要从测试成本上考虑，成本越小的minOES(T)越理想。
③找到故障隔离率。在选择适当的可观测事件后，前述Tout中的所有状态对应的故障都可以检测，并且Tout中仅包含一个状态的元素对应的故障是可以定位的。所以故障隔离率P.=m/n很容易算出，m即是Tout中可以实现故障定位的状态数，n是Tout中包含的所有状态数。
从整体上看，系统软件设计面向测试过程，属开放式软件平台，通用化程度较高，程序易于开发且操作使用方便。但新的针对数模混合电路的故障诊断方法需要实践加以验证。
3. 结束语
基于VXI总线的电路板故障诊断系统具有任何传统仪器和手段不可比拟的优点，继承性好，适应性强，将具有广阔的应用前景。
1. 故障诊断系统的硬件
VXI(VME bus extensiON for instrumentation)总线是当前性能最先进的测控系统机箱底板总线之一，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、模块可重复使用、众多仪器厂家支持等优点。VXI总线标准及其产品的问世，在国内外自动测试领域掀起了一场新的革命，对国际自动化测试技术的发展产生了重大影响。成为当今测量与控制技术的发展方向口电路板故障诊断系统以系统控制器、VXI总线主机箱及其测试仪器模块为核心，辅以部分IEEE488程控仪器，而待测电路板通过转接器和适配器与系统连接。系统硬件组成方框图。
(1)系统控制器。选择外挂式主控计算机，它内配GPIB通信接口卡，通过GPIB-VXI翻译器与VXI总线主机箱相连。内嵌式计算机具有速度快、体积小和使用方便等优点，但其成本太高且不易升级，因此仍选用外挂式。
(2)VXI总线主机箱及其测试仪器模块。考虑到VXI总线所具有的优点，研制的电路板故障诊断系统选用了C尺寸13槽HPE8403A高性能VXI总线主机箱，其测试仪器模块可利用槽数为12个。虽然目前采购的测试仪器模块只有4个，但空余的槽为系统的扩充和功能完善提供了可能。
在VXI总线主机箱中采用HPE1406A命令模块为零槽模块，它通过GPIB.VXI翻译器与外接控制器相连接，具有翻译器和接口功能，提供公共系统资源和进行资源管理;采用HPE1418A(8通道D/A转换)模块为待测电路板提供所需的模拟信号;采用HPE1458A(96通道数字V0)模块与待测电路板的数据总线、地址总线和控制总线连接，完成对电路板的控制和读写操作;采用HPE1411B(5位半数字万用表)作为信号参数测试模块。
(3)IEEE488程控仪器。为了给待测电路板提供稳定的电压源同时又便于程序控制，选择台式仪器HPE3631A和HPE3632A作为系统的程控激励源。
(4)转接器和通用适配器。该部分主要为激励源和测量仪器设备与测试对象之间建立一个基本统一的连接与通信方式。由于待测电路板类型很多，仅仅采用单一适配器是无法满足测试要求的，所以在每一通用适配器与尽可能多的待测电路板相连接的基础上，设计了一个转接器。设计转接器是为了避免在更换通用适配器时电线和电缆的反复插拔和连接。所有激励源、VXI测量仪器模块的引出线都集中连接到转接器上，再通过一个96针接插口和通用适配器相连。由于待测电路板是标准设计，大部分都具有96针阳极接插口，因此通用适配器又可以与多种待测电路板连接，最终将故障诊断系统和待测电路板连接成完整的一体。
另外，为给待测电路板提供所需的时钟信号，系统还包括DF1631功率函数信号发生器1台，它通过电缆与转接器连接。以上前3个部分通过GPIB总线连接在一起，构成测试诊断系统的主框架。GPIB(general p11Epose inteRFace bus)是HP公司在70年代发明的一种8位并行接口，它能使上架式和台式仪器相互间，以及与宿主计算机间进行通信。由于它简单灵活，几乎所有的仪器制造商都使用这种接口[口，直到今天，它仍是由独立仪器构成的自动测试系统的首选接口。虽然GPIB总线数据传输率较低，但能够满足研制的测试诊断系统的技术要求。又出于性能价格比的考虑，所以电路板故障诊断系统以台式仪器为主，组成了GPIB和VXI总线混合的集成测试系统。系统使用的VXI卡式测量仪器设备和GPIB程控仪器设备符合国际标准，标准化、通用化、模块化程度较高，兼容性强，易进行系统扩展和更新换代，为以后系统的完善和发展打下坚实的基础。
2. 故障诊断系统的软件设计
故障诊断系统的软件设计平台选择了HPVEE，基本操作环境为Windows 98。Windows 98支持32位程序开发，由于它是一个多任务操作系统环境，因此各任务间既易于转换又可方便地交换信息，为用户提供方便、良好的操作界面，是一个较理想的操作系统。系统软件平台选用了图形化编程语言HPVEE，它是目前用于测试与测量中最富有成效的编程语言。VEE(visual engineering mviroment)是一种面向仪器控制的模块化编程语言，也是目前面向VXI总线测试系统主要的软件开发环境之一，它能处理日常性的任务，如仪器控制、测量处理和测试报告，简化在测试开发过程中所遇到的任务：系统集成、调试、结构化编程设计和文档处理。同时，用其他语言，如C/C++、VC、VB、FORTRAN等编写的程序可以很容易地与HPVEE程序结合在一起，这对今天的测试开发尤其重要。总之，VEE可以大大缩短测试软件的开发时间。
从系统软件通用性要求出发，软件设计采用面向测试的智能化自动测试系统决策平台，其总体结构方框图见图2。以下就软件的各主要组成部分作简要说明：
(1)系统和电路板信息显示。在进入系统软件主控模块后，通过人机界面可调用系统信息或待测电路板信息显示子程序，用来向操作员显示整个系统的组成及状态和待测电路板的有关信息。如果要求输入的电路板类型没有包含在系统诊断范围内，则自动加以提示。
(2)系统设备自检。该子程序对系统设备进行自检，通过后可进入测试诊断程序，否则中止程序进一步执行，退回到软件主控模块并报告出错。
(3)电路板功能测试程序。该子程序对待测电路板进行故障检测。故障检测时首先根据测试诊断数据库提供的信息对所需要的程控电源和测量仪器设备进行初始化并启动共工作，接着对待测电路板进行初始化（如需要），然后依据测试诊断数据库中的要求进行测试。将测量结果和测试诊断数据中的有关数据相比较，比确定故障检测是否完成。若没有检测出故障，则报告并回到软件主控模块；若检测出电路存在故障，则报告并进入电路板诊断程序。
(4)电路板诊断程序。同样仪据测试诊断数据库，按照基本与功能测试程序相同的方法完成故障隔离和故障定位。
(5)电路板测试诊断数据库。该数据库是和待测电路板一一对应的，在对某类型电路板进行测试诊断之前，必须建立与它对应的数据库。也就是说，系统软件中有多少数据库就可以诊断多少类型的电路板。数据库源程序由Delphi软件编写，其内容主要包括诊断步骤、模拟激励、数字激励、信号类型、测试节点、测试位置、特征范围、正确情况、错误情况和提示信息等。在进行测试时，系统测试诊断程序读取数据库的某一数据，该数据包含上面提到的诊断步骤、模拟激励、提示信息各项内容，然后依照数据内容对待测电路板施加激励并读取响应，将结果和预期值比较以决定下一步骤。可见，数据库的正确建立是相当重要的，它是整个软件部分的核心。
(6)测试诊断结果报告。显示并打印待测电路板的测试诊断结果。
前面提到的测试诊断数据库的编写需要对待测电路的故障诊断机理有深入的了解。待测的电路板很多类型属于数模混合，而数模混合电路的故障诊断是个难点。离散事件系统(discrete event systems，以下简写为DES)理论可提供一种统一的对数字和模拟电路测试都有效的途径。DES理论用于数模混合电路的故障诊断，其主要作用有以下几个方面:
①检查电路的可测性。DES理论用离散数学中集合的和与积运算定义电路的可测，性，也即验证通过可观测的事件能否达到预期的故障隔离度。具体步骤是首先人为确定状态集合T，T中的每一个元素是由若干个状态组成的集合，而每一个状态即对应电路一个元件的故障或正常状态;再找到若干可观测事件，根据每一个事件发生时电路可能和不可能所处的状态建立对应该事件的分区(一个集合)，分区由两个子集合组成，其中一个包含事件发生后电路可能所处的所有状态，另一个包含事件发生后电路不可能所处的所有状态;接下去对可观测事件对应的分区依次逐一进行集合的积运算，最后得到的结果Tout(还是一个分区)如果比预期的T"更精细"，那未电路才是可测的。如电路不可测，则必须增加可观测的事件，否则诊断结果达不到预期效果。电路可测性的内在含义是:只有任何两个不能被所观测的事件区分开的状态都在T中的同一元素内时，则电路才可测。显然，电路的可测，性决定于T和所有可观测事件。
②计算最小测试集minOES(T)。为了以较快的速度和较低的成本完成电路的故障诊断，需要找到最小测试集。若待诊断电路可测，则可考虑在不影响故障隔离度的前提下，去掉所有可观测事件中的部分事件，剩余事件的集合即为EElinoES(T)。可以证明minOES(T)不是唯一的，但对于每一个minOES(T)，从中移走任一元素都将使得待诊断电路不可测。至于哪一个minOES(T)是最理想的，主要从测试成本上考虑，成本越小的minOES(T)越理想。
③找到故障隔离率。在选择适当的可观测事件后，前述Tout中的所有状态对应的故障都可以检测，并且Tout中仅包含一个状态的元素对应的故障是可以定位的。所以故障隔离率P.=m/n很容易算出，m即是Tout中可以实现故障定位的状态数，n是Tout中包含的所有状态数。
从整体上看，系统软件设计面向测试过程，属开放式软件平台，通用化程度较高，程序易于开发且操作使用方便。但新的针对数模混合电路的故障诊断方法需要实践加以验证。
3. 结束语
基于VXI总线的电路板故障诊断系统具有任何传统仪器和手段不可比拟的优点，继承性好，适应性强，将具有广阔的应用前景。
