关于仿真的军用电路板故障诊断系统研究

由于传统的军用电子装备故障诊断所需故障信息获取困难，且系统建立周期较长，因而提出建立一种基于仿真的电路板故障诊断系统来解决这些问题。该系统以智能测试和故障诊断技术作为研究对象，分析了在智能故障诊断系统中周到的故障模式分析、电路仿真、特征提取和故障定位等技

随着军用电子装备性能的日益提高，其复杂程度也相应提高，电子设备的电路板功能越来越强大，但结构越来越复杂，种类也越来越繁多，这就对电路板的故障诊断技术提出了更高的要求，对电路的故障诊断也就成了电子设备维修保障的难点。

况且由于军用新装备列装时间短，生产数量较少，使用地区分布广，同时牵涉到保密等问题，相对的故障统计信息和维修经验相对较少，如果完全通过实装进行实验或运行来积累装备故障诊断所需的维修经验，会对装备造成较大的损耗，且周期较长，不利于装备在使用寿命期内发挥其最大的效能，极大地限制了电子设备智能故障诊断系统的发展，而基于电路故障仿真正是解决该问题的最佳选择。

电路故障仿真技术的发展使得人们可以借助电路仿真软件实现对电路板故障模拟的相关测试诊断。通过电路仿真分析工具能在计算机上提供军用电子装备电路实际的工作过程，可满足用户在计算机上完成电路的原理图输入、功能仿真、特性测试、故障设置和响应分析等。

1总体设计方案

本系统的总体设计思路如下：首先利用电路故障仿真技术建立装备电路的仿真系统，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故障诊断系统。

从故障建模、故障注入，到电路仿真、数据分析，最终建立故障诊断系统。本系统的设计主要分为分析部分、输入部分、仿真部分和输出部分四部分组成。电路板仿真故障诊断系统总体设计流程如图1所示。

1.1  分析邵分 
 

　　FMEA（Failure Mode and Effects Ahalysis，故障模式和影响分析）分析指对系统中每一故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度进行分类，将发生概率高、危害度大的故障选作故障集，而不必对所有元件的硬故障都予以考虑，有针对性地建立模型进行仿真，使大规模电路仿真得到了简单化、实用化。通用元器件故障模式的确定，可参考引用权威的故障模式统计报告，如国产电子元器件可引用GJB299-C，国外电子元器件可引用MIL-HDBK-217F。

　　1.2输入部分

　　根据FMEA分析，设置元器件故障参数。画电路图，标注各元件名称及参数值，标注各元件节点及节点编号等；建立电路的输入文件，输入文件有两种形式：一种是网表形式；另一种是原理图形式。

　　1.3电路仿真部分

　　通过FMEA分析知道了系统中最容易发生故障的元件或子电路，并建立其故障模型，利用仿真软件PSpice对电路进行仿真，采用灵敏度分析找出对电路测试点输出影响最大的元件，并设置故障模式，再用蒙特卡罗分析法获取电路在各个状态模式下的信号波形。

　　1.4输出部分

　　利用小波分析的“数学显微镜”等功能对电路输出信号的故障特征进行提取，并进行归一化处理，而后输入BP神经网络完成故障诊断。这样既可以减少BP神经网络输入数目，简化神经网络结构，缩短训练时间，又提高了辨识故障类别的能力。

　　2关键技术

　　2.1故障诊断系统搭建

在实际设计中，该系统设计是基于LabVIEW平台开发的，内嵌数据库软件ACCESS，仿真工具PSpice，各种算法的开发工具Matlab，VC++6.0作为主程序的开发工具，主要负责各个软件之间的调度协调。整个系统由四个功能模块、一个主控模块和人机界面组成。系统结构组成框图如图2所示。

 

　　2.2 Matlab读取PSpice的仿真数据

　　利用PSpice的电路仿真功能，使用PSpice提供的元器件及故障模型，对电路进行直流分析、交流分析等，然后将所得到的输出文件，尤其是波形文件导入Matlab中进行数据分析，例如可以进行频谱分析、去噪等处理进行小波分析，提取某一区间的波形特征，可以进一步使用神经网络进行特征的模式识别。

　　PSpice的输出文件有．out格式和．dat格式两种，再将这些文件导入Matlab中进行处理，对故障进行定位。PSpice波形文件可以使用．PLOT语句在．out文件中显示。现在将PSpiee的波形文件导入Matlab中进行处理。

　　在PSpice窗口中选择File／Export／Text，在Export Text Data对话框中输入保存路径和保存的文件名，为了使Matlab读取数据方便，一般将该文件的保存路径设置为Matlab安装目录中的work文件夹。此时，Matlab对该文件的读取有两种方法：

　　（1）启动Matlab，单击File／Import Data，在Import窗口中选择先前保存的．txt文件，在Import Wizard对话框中选择Column separator为Space（空格），在Matlab的引导下将．txt文件的数据导人．dat矩阵中，就可以使用Matlab对PSpice的波形数据进行处理了。

　　（2）直接通过Matlab提供的函数编写M文件，打开．txt文件，选择import data函数：

　　

　　第一种方法将PSpice输出的文本格式的波形文件保存在ans矩阵中，在Matlab工作空间（WorkspaceBrowser）中双击ans矩阵就可以看到波形文件包含的内容了。第二种方法是将波形文件的内容存放在用户自己定义的矩阵y中，此时就可以通过对矩阵y的操作来实现对PSpice输出波形文件的进一步处理。

　　2.3 VC++6.0与Matlab混合编程

　　Matlab引擎是一组函数，通过这组函数，用户可以．在自己的应用程序中实现对Matlab的控制，来完成复杂的计算和图像绘制等任务，这就相当于把Matlab当作一个计算引擎。VC++与Matlab混合编程部分程序如下：

　　

　　以上就完成了Matlab引擎的启动，需要注意的是在运行完毕后应使用engClose（ep）函数关闭引擎。

　　在确定输入参数符合要求后，使用Switch语句和if语句进行判断使用的小波变换类型，运行相应的程序，使用engEvalString（）函数可以执行Matlab命令，从而实现对PSpice输出波形文件进行绘图或者小波变换。

　　3 结 语

　　以某新型导弹二次电源为研究对象，运用电路故障仿真技术在计算机上完成了电路的功能仿真和故障模拟，建立了装备电路的仿真系统和诊断维修系统，实现了主要电路元件级的故障诊断。实际应用结果显示，该故障诊断系统具有通用性、扩展性较强等特点，能支持维修人员在计算机上对电路的任意元件设置故障，进行故障模拟和维修教育训练，有效地提高了该新型装备电路的维修效率和质量，用户根据不同的需求扩展为其他装备的电路板故障诊断系统，为装备电路板的维修保障提供了有效手段。

　　编辑：jq