专利名称：电路板在线故障诊断仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子检测装置，具体地说是一种电路板在线故障诊断仪。
背景技术：
作为复杂装备的重要组成部分，电子设备具有系统复杂、技术含量高、故障率高等特点，一旦电子设备发生故障，将极大地影响整个装备的正常运行，因此采用合适的技术手 段对电子设备中的电路板进行快速、准确的故障定位，进而及时修复是具有重要意义的。电路板故障诊断设备的研制已有多年历史，目前主要有对元器件进行逐个测试的 在线故障诊断仪和对电路板进行测试的故障诊断仪两种检测装置。检测电子元器件的故 障诊断仪是基于后驱动技术，利用夹具对被测电路板上的所有电子元器件进行逐个测试， 以查找出有故障的元器件。这种检测设备无需了解被测电路板即可进行故障诊断，但是其 所用夹具无法适用于目前普遍采用的表贴式电子元器件，因而造成使用范围的局限，而且 这种检测设备的故障诊断准确率也相对较低。电路板故障诊断仪是通过对电路板端口进行 测试从而定位故障的检测设备。这种检测设备在对被测电路板的电路原理进行分析的基 础上，基于对被测电路板施加激励信号以测试其响应的方法进行电路板的故障诊断。相对 于前者，这种检测设备无需夹具，适用于多种类型的电路板。但是这种检测设备的检测前 提是在设备的测试流程库中要预先设置有相应电路板的测试流程，否则就不能进行诊断测 试。这类检测仪器主要是基于PCI、CompactPCI、PXI、VXI、ISA、IEEE488. 2等总线类型的故 障诊断仪。其中，PCI、ISA为计算机内部总线，ISA总线出现较早，现已不用，PCI总线速度 较快，但是只能用于台式计算机中，无法满足便携性的要求；IEEE488. 2总线属于独立仪器 控制总线，但其接口独立仪器价格较高，不能实现便携式应用，不适于推广使用；基于VXI、 PXI和CompactPCI总线类的故障诊断仪是一套以计算机、工控机为基础的完全独立的测试 系统，有独立机箱，性能较好，但是，VXI适于大型通用测试项目，成本极高，便携性差。PXI 和CompactPCI的结构较小，但其总线不能更改设计，不能适应被测信号的多样性、被测对 象数量和种类的多样性以及激励信号的多样性，因而也不适宜实用。

发明内容
本发明的目的就是提供一种电路板在线故障诊断仪，以克服现有技术存在的不 足，提高电路板在线故障诊断设备的适用性、便携性和低成本性，从而满足使用需要。本发明是这样实现的一种电路板在线故障诊断仪，包括有用于进行在线信号处 理及故障诊断的上位机和用于为被测电路板提供所需信号并上传测试信息的下位机，所述 上位机与所述下位机采用串行总线进行连接和通信；所述下位机包括有CPU板，用于对整个系统进行控制；开关电源板，用于为下位机及被测电路板提供正常工作所需各类电源；继电器开关矩阵板，与所述开关电源板组成程控电源，用于向被测电路板加载电源及大功率信号；模拟开关矩阵板，用于向被测电路板的指定管脚传送模拟信号，并把由被测电路板产生的被测信号传回所述CPU板；数字信号板，用于向所述下位机中的各功能电路板加载数字信号，并根据不同被 测对象实现数字电平转换；A/D与D/A板，用于对被测信号进行数字采样，并向被测电路板加载模拟电信号；接口设备，用于连接被测电路板，并对不同接口进行转换；以及探测笔，用于测试被测电路板的中间节点；所述CPU板、所述开关电源板、所述继电器开关矩阵板、所述模拟开关矩阵板、所 述数字信号板以及所述A/D与D/A板以系统总线方式互相联接，所述接口设备分别与所述 继电器开关矩阵板和所述A/D与D/A板电连接，所述探测笔与所述CPU板电连接。本发明设计了一种上位机与下位机结构的便携式在线故障诊断系统，上位机与下 位机通过串行总线进行通信，采用双机通讯方式。上位机可采用笔记本电脑，构成本发明诊 断仪的控制系统，通过人机界面的管理，向下位机发出控制指令、收集下位机的响应信息， 并对下位机发送的数据进行自动处理，结合故障诊断专家系统进行电路板的故障诊断，实 现故障的隔离与定位。下位机负责具体的硬件管理，主要完成各模块及各功能电路板硬件 电路的初始化、系统自检、诊断对象识别，并根据上位机的指令对各类信号进行转接，为诊 断对象提供所需的各类信号，向上位机提供有关的测试信息等。下位机还设有被测电路板 的承载体，在上位机的控制下，完成对被测电路板激励信号的加载和响应信号的采集。这种 双机分工负责的测试系统具有便携性好、成本低、适用性强的特点，能够有效解决现有检测 设备存在的不便携带、不能适应被测信号的多样性和成本高等问题。本发明中的下位机是采用模块化原理设计构成，包括有CPU板、开关电源板、继电 器开关矩阵板、模拟开关矩阵板、数字信号板、A/D与D/A板和接口设备等，各功能电路板以 系统总线方式互相联接。其中，CPU板用于对整个系统进行控制；开关电源板为下位机及被 测电路板提供正常工作所需的各类电源；继电器开关矩阵板与开关电源板组成程控电源， 用以向各被测电路板加载电源及大功率信号；模拟开关矩阵板是把D/A电路产生的模拟信 号传到被测电路板的指定管脚，再把被测信号经由A/D电路传回CPU板，模拟开关矩阵板可 实现5X72路开关切换；数字信号板向承载被测电路板的72芯插座进行数字信号加载，并 根据不同的被测对象实现数字电平转换；A/D与D/A板用于对被测信号进行数字采样，并产 生模拟电信号对被测电路板进行加载；接口设备用于连接被测电路板，并可对被测电路板 的不同接口进行转换；探测笔用于对被测电路板的中间节点进行测试。在下位机中，除接口 设备和探测笔以外，其它各功能电路板相对独立，并以系统总线方式互相联接，采用ISA标 准插座或72芯插座接插于装置的底板上。所述CPU板是由单片机模块分别连接A/D模块、D/A模块和I/O模块组成。所述探测笔与所述CPU板中的所述A/D模块的输入端相连接。本发明的优点在于1、可利用探测笔及上位机中的专家库测试系统软件，实现对 电子元器件的在线全自动智能故障诊断；2、采用上位机、下位机相互通讯的方式，以便携 的上位机作为控制平台，利用串行接口和通用总线对下位机进行控制，节约了成本，提高了 系统的实用性；3、采用模块化和集成化的设计思想，集测量系统、激励信号源、通用程控开关电源、智能检测等多项功能于一体，实现了对多种电路板的自动故障在线诊断，其扩展性 好，自动化和智能化程度高，功能完备；4、具有良好的开放式体系结构。本发明应用智能自动测试技术，采用通用总线技术和故障诊断专家系统来实现多 种测试功能，具有通用性，符合模块化、通用化、标准化和网络化以及开放式设计的原则，满 足软件重用性、仪器无关性、功能扩展性和跨平台运行等性能要求。本发明故障诊断仪的系统功能强，通用性强，体积小，配备灵活，操作简单，故障诊 断率高，适合于各行业电路板的在线故障诊断与定位。


图1是本发明结构框图；图2是下位机中CPU板的结构框图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括有上位机1和下位机2两个部分，其中上位机1采用便携 式笔记本电脑，内装故障诊断专家系统软件。上位机1是人机交互的平台，其功能主要包括 激励信号的产生控制和测试数据采集与分析推理等，结合故障诊断专家系统进行电路板或 元器件的故障诊断。当被测电路板接到下位机的接口设备上之后，由上位机1控制下位机 2向被测电路板施加各种激励信号，然后进行响应信号的采集；根据采集结果，启动故障诊 断专家系统，将故障定位到可更换元器件。下位机2包括有CPU板5、开关电源板6、继电器开关矩阵板7、模拟开关矩阵板8、 数字信号板9、A/D与D/A板10、接口设备11和探测笔12等部分，其中CPU板5、开关电源 板6、继电器开关矩阵板7、模拟开关矩阵板8、数字信号板9以及A/D与D/A板10均为功能 电路板结构，并以系统总线方式互相联接。各功能电路板采用ISA标准插座或72芯插座接 插于装置的底板13上，各电路板之间功能相对独立。如图2所示，下位机中的CPU板5包括有单片机模块15、A/D模块16、D/A模块17 和I/O模块18等部分。其中的单片机模块15通过I/O模块18与下位机中的其它各功能 电路板相连接，实现对整个下位机系统的控制。A/D模块16的输入端分别与探测笔12以及 A/D与D/A板10相连接，A/D模块16的输出端与上位机2相连接；D/A模块17是一个波形 发生器，其输出端与探测笔12以及A/D与D/A板10相连接。CPU板5中的单片机模块15，用来控制下位机各功能电路板协调一致地工作，并进行上、下位机间的通讯。单片机模块15采用80C196KB单片机系统开发，单片机的P3、P4 口 作为单片机与外设之间的地址/数据总线，扩展了 30KEPR0M(27C256)、32KRAM(62256)，电 路控制信号由Pl 口及P2 口部分引脚提供，主要控制面板及模拟信号放大倍数。串行口由 P2 口部分引脚及高速输入引脚HSI用作串行中断线实现，用来与上位机进行通讯。由于本 发明中RAM、R0M占用了大量地址，CPU板5的其它外设地址相对不够，为此采用了可编程逻 辑阵列GAL16V8进行地址扩展，产生了 ER0M、RAM、DA、IO及MG、CK等外设的片选信号。CPU 板5中的A/D模块16主要由12位A/D转换器AD574A实现，用来对从探测笔12以及A/D与 D/A板10采集来的模拟信号进行A/D转换，能够实现查询或中断两种转换方式。另外在模 拟信号进入AD574A前设有放大器，以便实现大范围模拟量的转换，其中放大器由MAX308及0P-07组成，其放大倍数可由软件设置。CPU板5中的D/A模块17由DAC1230及一个波形发 生器5G8038实现，用来产生加载到下位机的模拟信号。DA1230采用了 12位双极性输出方 式，波形产生器由两个MAX308组成，采用了正弦波频率幅度可调输出方式，幅度可通过软 件进行设置。CPU板5中的I/O模块18主要由74HC273构成，其输入直接接至80C196KB数 据总线上，输出与下位机中的各功能电路能电路板相接，用以提供控制信号，控制数据。I/O 模块18是CPU板5与其它各功能电路板连接的重要桥梁。下位机中的开关电源板6负责为下位机及被诊断对象提供正常工作所需的各类电源。由于被诊断对象的电源种类较多，下位机自身也需要有+5V和士20V的电源，如果用 传统的模拟电源方式设计，电源模块的体积将十分庞大，重量也不能符合系统便携式的设 计要求，因此在开关电源板6中采用了 AC-DC、DC-DC变换电路及分体式的设计方案，用5块 开关电源组合成系统电源模块，这在很大程度上提高了电源系统的可靠性和可维修性，并 加强了电源电路的电磁屏蔽，避免了各开关电路之间的相互干扰。下位机中的继电器开关矩阵板7是把每一路电源信号自动转接至对应的接口位置，实现电源信号和大功率电信号的程控加载。该板由96个固体继电器及相应驱动电路组 成，整个电路分为两个电路模块，分别控制72芯插座中的相关管脚。在继电器没有动作时， 每个管脚都与模拟开关电路和数字信号电路相接；在继电器动作时，就接入相应电源。继电 器开关矩阵板7中的控制部分由三级管9013和集成电路74HC595、MAX351组成。下位机中的模拟开关矩阵板8是将多通道模拟信号自动转接到诊断对象相应的 管脚。设计的5X72大型模拟开关矩阵电路，传输电信号范围从-20V +20V，由16路模拟 开关集成电路MAX306组成。模拟开关矩阵电路共分5组，其中一组用来传头由万用信号发 生器产生的波形信号，其余四路传递直流模拟电压信号。由于模拟开关矩阵电路和数字信 号电路的输出直联在一起，因此在对被测电路板进行信号加载时，数字信号和模拟信号不 能同时加在同一管脚上。下位机中的数字信号板9由驱动数码管74HC595、开关电路MAX313和光电耦合器 等元器件组成，主要功能是为72芯插座的每一个管脚提供数字信号，并且对不同的数字逻 辑进行信号转换。数字信号由光电耦合器电路产生，经由开关电路MAX313接至继电器开关 矩阵板7及接口设备11中的插座管脚上。下位机中的A/D与D/A板10包括由MAX306等组成的1X72路模拟开关构成的 A/D采样传输电路，用以把每一个管脚上的电信号传输到CPU板5上的A/D模块，由单片机 模块15计算出其电压值，再由接成电压跟随器形式的0P07和接成正相电压放大器形式的 0PA548等构成的电压功率放大电路，把由CPU板5上的D/A模块17传来的电压信号进行电 压值和功率的放大，然后再传到模拟开关矩阵电路。为了能传输0-80V的电压信号，在每一 个管脚上都接有电阻分压电路，以保证最大传输电压在-20V-+20V范围内。下位机中的接口设备11是连接下位机和被测电路板的电路系统，负责对不同的 被测电路板的接口进行转换。本发明中共有20至72、36至72、44至72的三种接口转换模 式，选用标准的72芯插座，与被测电路板所用插座相同。如果需要测试其它接口类型的电 路板，则只需更换相应的插座进行扩展即可。接口设备11可单独制成一个接转盒，并与下 位机的主机箱用专用接线和标准SCSI连接线联接，连接线为双接头形式，以便于携带。由于有些被测电路板的某些故障模式不能用自动测试的方法通过标准72芯插座读取信号，所以本发明在下位机中设置了探测笔12，利用探测笔作为人工辅助检测的工具。在电路板故障诊断过程中，首先利用上位机中的特征库对被测电路板进行自动识别，然后通过故障诊断专家系统检测电路板在输入信号激励下各输出信号，对于仅靠输入 输出信号难以将故障隔离至元器件的情况，系统进行自动分析后，找出需要辅助测试的测 试点，装置上位机上以图形方式提示用户将探测笔12移至该测试点，对辅助测试点的信号 进行采集。采集后，系统进一步分析确定下一个辅助测试点。如此反复，直至将故障隔离定 位在故障元器件。本发明的工作过程是首先将被测电路板插到接口设备11上，实现与下位机2的 连接。开关电源板6为下位机中的各功能电路板供电，开关电源板6由五块开关电源模块 组合而成，可以给相关功能电路板提供不同的工作电压。数字信号板9与继电器开关矩阵 板7相连，它产生的数字信号送到继电器开关矩阵板7的输入端，为被测电路板提供所需的 测试数字信号。CPU板5上的D/A模块17产生的各种波形信号送到A/D与D/A板10的电 压功率放大电路，经电压与功率放大后，再传输到模拟开关矩阵板8，为被测电路板提供所 需的模拟信号。模拟开关矩阵板8接收到A/D与D/A板10传送来的波形信号后，其中一路 将该信号送入继电器开关矩阵板7的输入端，其余四路在CPU板5中的单片机模块15的控 制下，分别将开关电源板6所产生的直流模拟电压信号送到继电器开关矩阵板7的输入端。 这样，被测电路板所需的各种数字信号、波形信号和直流模拟电压信号就均被送到了继电 器开关矩阵板7的不同输入端。但是由于模拟开关矩阵板8和数字信号板9的输出直联在 一起，因此，在对被测电路板进行信号加载时，数字信号和模拟信号不能同时加在同一管脚 上，继电器开关矩阵板7要在CPU板5的控制下将这两类信号分时送达。继电器开关矩阵 板7的输入端与模拟开关矩阵板8和数字信号板9相连接，继电器开关矩阵板7的输出端 与接口设备11上的72芯插座相连接。在CPU板5上的单片机模块15的控制下，继电器开 始动作，分别将被测电路板所需的各种数字和模拟信号送到72芯插座的不同管脚，从而实 现对被测电路板施加激励信号的目的。被测电路板的输入端在接收到72芯插座上的数字信号、波形信号和直流电压后 开始工作，它所产生的响应信号经与其输出端相连的72芯插座的相应管脚送到A/D与D/A 板10的A/D采样传输电路，该电路将响应信号传输到CPU板5上的A/D模块16，该模块将 接收到的响应信号进行A/D转换，再由单片机模块15计算出转换后数字信号对应的电平数 值，然后单片机模块15将计算结果经RS232串行总线发送到上位机1，由上位机1中的故障 诊断专家系统对发送的数据进行分析。
权利要求
一种电路板在线故障诊断仪，其特征在于，包括有用于进行在线信号处理及故障诊断的上位机(1)和用于为被测电路板提供所需信号并上传测试信息的下位机(2)，所述上位机(1)与所述下位机(2)采用串行总线进行连接和通信；所述下位机(2)包括有CPU板(5)，用于对整个系统进行控制；开关电源板(6)，用于为下位机及被测电路板提供正常工作所需各类电源；继电器开关矩阵板(7)，与所述开关电源板(6)组成程控电源，用于向被测电路板加载电源及大功率信号；模拟开关矩阵板(8)，用于向被测电路板的指定管脚传送模拟信号，并把由被测电路板产生的被测信号传回所述CPU板(5)；数字信号板(9)，用于向所述下位机(2)中的各功能电路板加载数字信号，并根据不同被测对象实现数字电平转换；A/D与D/A板(10)，用于对被测信号进行数字采样，并向被测电路板加载模拟电信号；接口设备(11)，用于连接被测电路板，并对不同接口进行转换；以及探测笔(12)，用于测试被测电路板的中间节点；所述CPU板(5)、所述开关电源板(6)、所述继电器开关矩阵板(7)、所述模拟开关矩阵板(8)、所述数字信号板(9)以及所述A/D与D/A板(10)以系统总线方式互相联接，所述接口设备(11)分别与所述继电器开关矩阵板(7)和所述A/D与D/A板(10)电连接，所述探测笔(12)与所述CPU板(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的电路板在线故障诊断仪，其特征在于所述CPU板(5)是由单 片机模块(15)分别连接A/D模块(16)、D/A模块(17)和I/O模块(18)组成。
3.根据权利要求2所述的电路板在线故障诊断仪，其特征在于所述探测笔(12)与所述 CPU板(5)中的所述A/D模块(16)的输入端相连接。
全文摘要
本发明涉及一种电路板在线故障诊断仪，包括有用于进行在线信号处理及故障诊断的上位机和用于为被测电路板提供所需信号并上传测试信息的下位机，上位机与所述下位机采用串行总线进行连接和通信；下位机包括有CPU板、开关电源板、继电器开关矩阵板、模拟开关矩阵板、数字信号板、A/D与D/A板、接口设备以及探测笔，各功能电路板以系统总线方式互相联接，接口设备与继电器开关矩阵板和A/D与D/A板电连接，探测笔与CPU板电连接。本发明通用性强，配备灵活，操作简单，故障诊断率高，适合于各行业电路板的在线故障诊断与定位。
文档编号G01R31/28GK101806857SQ20101015584
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者刘焕照, 刘耀周, 张永鹏, 方兴桥, 王振生, 赵昉 申请人:中国人民解放军总装备部军械技术研究所