基于FPGA的数字电路故障诊断系统
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一
研美 （ （ ＿ Ｉ
基 于Ｆ Ｐ ＧＡ＠数 字 电路 故 障诊 断 系统
天地 （ 常州 ）自动化股份有 限公 司 庄 波
【 摘要】舟绍 了一种采用 向量法对数字 电路进行故障诊断的 系统 ，通过 向被测电路发送测试向量 ，接收被测电路对激励的响应结果 ，然后将该结果与正常工 作电路的相 应 结果进行 比对 的方法，验 证被测电路的功能 以及诊断故障。参考 目前 的一系列 测试 系统，给出 了系统的硬件结构和具体软 件流程 。该 系统拥有２ ５ ６ 路独立的１ ０通道 ，各个 通道的输 出电压均可独立设置，输 出频率最高可达５ ０ ＭＨ ｚ ，可以完成对 目 前 主流的数字电路 的诊断任 务，提高数 字电路 测试诊断 的效率。 【 关键词】Ｆ Ｐ ＧＡ ；数字 电路；计 算机测控；故障诊断
１ 引言
当今 社 会数 字 『 路 已经遍 布 人 们生 活 的 各 个 角 落 ，数 字 电路 广‘ 泛 应用 于 通 信 、娱 乐 、 工业 生 产 等 ： 同领 域 。随 着 数 字 电路 的 不 断发 展 ， 电路 的 测试 和 故 障 诊断 成 为 其 设 计和 生 产 维 修 的重 要组 成 部 分 。 目前 国 内 部分 国防 单位 使 用 的数 字 电 路板 具 有 高性 能 、高功 耗 、高集 成 度 等特 点 ， 比 如战 斗 机 上 二 从 俄 罗斯 等 围 引进 的 实现 关 键功 能 的 数 字 电路 板 Ｉ 。 而使 用 年 限及 次 数 等 因 素 不可 避 免 的会 对 这些 电路 板造 成 损 伤 ，导 致 包 含这 些 数 字 电路 板 的 设备 无 法 正常 使 用 ， 因此 对 数字 电 路板 的性 能测 试 及故 障检 测 尤 为蘑 要 。 ２ ． 系 统 结 构 ２ ． １系 统 总 体 结 构 本 文 介 绍 ｒ一种 采 用 向 量 法 对 数 字 电 路 进 行 故障 诊断 的系 统 ， 通过 向被 测 电路 发 送 测试 向 量 ，接 收 被 测 电路 对 激励 的响 应 结 果 ，然 后将 该 结 果 与正常 工 作 电路 的相 应 结 果进 行 比对 ，从 而 验 证 被测 电路 的 功 能 以及 诊 断 故障 ］ 该 系统 兼 容 目前主 流 的 采用 Ｔ Ｔ ［ ， Ｃ Ｍ Ｏ ｓ 等 电平 逻 辑 的 数字 电 路 。其 系 统 结 构 如 图 ｌ 所示。
铺 盘
显
１
子 系统
计 总
算 线 母
Ｐ Ｘ Ｉ
子系统 ｂ 澜
电 被 Biblioteka 机 桥 扳 路
器
接
牝
子系统 ｌ
子 系统
圈 １ 系统 硬 件 结 构
本 系统 ＝ 要 由 计 算 机 和 ８ 个 下位 机 子 系 统 两 部 分 构 成 每 个 ｆ系 统 包 含 ３ ２ 路Ｉ Ｏ 端 口 ，负 责 完 成测 试 向 蹙 的发 送 和接 收 ， 计 算机 根 据 用户 建 立 的测 试 任 务 ，控 制 Ｆ位机 子 系 统 ，并 示处 理 被 测 数 字 电 路 的 响应 结 果 。系 统 选 用 Ｐ Ｘ Ｉ ６ ５ ３ ４ 来 完成 计 算 机 下位 机 予系统 之 间 的数 据 通信 ， Ｐ ｘ Ｉ ６ ５ ３ ４ 足Ｎ Ｉ 公司的 ‘ 款高速数字１ ０ 卡 。它 将 复 杂的Ｐ ｘ Ｉ 总 线 转 换 为 相 对 简 单的 ｌ ６ 位 同 步 并行 总 线 供 下位 机 设计 人 员开 发 ，而 为 ｋ位机 设计 人 员 提 供 ｒ犬 量 Ａ Ｐ Ｉ 函 数 从 而 简 化 底 层 驱 动 的开 发过 程 ， 让 设计 人 员将 更多 精 力集 中 在 其它 应 用 功能 上 的 开 发 。各 个 子 系统 通 过母 板 挂 接到 １ ６ 位 数据 总 线 上。 由于Ｐ Ｘ Ｉ ６ ５ ３ ４ 的数字Ｉ Ｏ 驱 动 能力 有 限 ， 本 系统 通 过 母 板 来 提 高 数 据 总 线 的 驱 动 能 力 ，
并 且进 行 电平 逻 辑 的 转 换 和 提 供 同 步 时 钟 。 ２ ． ２ Ｆ 他 机 子 系 统 结 构
发送缓存Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 。测 试 开 始 后 ， Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 从 发 送 缓 存 Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 读 取 数据 通 过 发 送 调 理 电路 ， 同 时 将 接 收 调理 电路 接 收 的 被测 电路 的 响应 数 据 存入 接 收 缓 存Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 。测 试 完成 后 ，Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 从 接 收 缓存 ５ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 中 读 取测 试 结 果通 过数 据 总 线上 传给 计 算机 。 ２ ． ２ ． １控 制 芯 片 本系统选用Ａ Ｌ Ｔ Ｅ Ｒ Ａ 公司Ｃ ｙ ｃ ｌ ｏ ｎ ｅ Ｉ Ｉ Ｉ 系 列 芯 片Ｅ Ｐ ３ Ｃ ２ ５ Ｆ ３ ２ ４ Ｃ ８ 作 为 下位 机 子 系 统 的 主 控 制 芯 片 。该 芯 片 具 有 ２ ｌ ５ 个可编程Ｉ Ｏ口， ２ ４ ６ ２ ４ 个逻辑 单元，４ 个 锁 相 环 。相 比于 Ａ Ｒ Ｍ ， Ｄ Ｓ Ｐ 等主流微处 理 芯 片 ，Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 具 有 更 高 速 度 的 优 势 ， 且 其 内 部 Ｐ Ｉ Ｌ 锁相 环资源 可 以为系统 提供 不同 的１ ： 作 频 率 。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 丰富的 ｌ ０ 资源 可 以满 足 系 统 在 测 试 多 输 入 输 出的 数 字 电路 时 的 需 求 。 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 是整个数 字电路故障诊 断系统 卜 位机 子 系 统 的 核 心 ，测 试 向 量 的 发 送 和接 收 ， 以及 计 算 机 的 通 信 均 由Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 编程实现。 ２ ． ２ ． ２ 发 送 调 理 电路 发送 调 理 电路 完 成测 试 向 量 的 电压转 换 ， 由 于Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 输 出的 是０ 和３ ． ３ ｖ 的 电压 ，为满 足 测试 不 同 数 字 电路 的 需求 ，需要将 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 输 出的 电压转 换为 被 测数 字 电路所 能识 别的 电压 。本系统 选用 ，系统 采 用Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｌ 公 司的高性 能管脚 驱动 ： 芷 ： 片Ｅ Ｌ １ ０ ５ ６ 作 为 发送 驱 动 芯片 ，可 输 出 电压 范 围 １ ２ Ｖ ＋ １ ２ Ｖ ，驱 动 电流 可达 １ ４ ０ ｍ Ａ ，最高 频率 可达６ ０ ￣ Ｉ ｚ 。 ２ ． ２ ． ３ 接 收 调 理 电路 接收 调 理 电路 实现 埘 被测 数 字 电路 响应 向量 的 比 较 ，将 响 应 向 量 转 变 为Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 兼 容 的 电 乎 。 系 统采 用 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ 订 公司的Ｅ １ ２ ２ ５ ２ 作 为接 收 比 较 芯 片 ，该 比 较 芯 片 含 有 两 个 独 立 的 比较 器 ，带宽可达５ ０ Ｍ Ｈ ｚ ， 电平 范 围 为一 １ ２ Ｖ ＋ ｌ ２ Ｖ ， 电路 原 理 如 图３ 所示 。
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天地 （ 常州 ）自动化股份有 限公 司 庄 波
【 摘要】舟绍 了一种采用 向量法对数字 电路进行故障诊断的 系统 ，通过 向被测电路发送测试向量 ，接收被测电路对激励的响应结果 ，然后将该结果与正常工 作电路的相 应 结果进行 比对 的方法，验 证被测电路的功能 以及诊断故障。参考 目前 的一系列 测试 系统，给出 了系统的硬件结构和具体软 件流程 。该 系统拥有２ ５ ６ 路独立的１ ０通道 ，各个 通道的输 出电压均可独立设置，输 出频率最高可达５ ０ ＭＨ ｚ ，可以完成对 目 前 主流的数字电路 的诊断任 务，提高数 字电路 测试诊断 的效率。 【 关键词】Ｆ Ｐ ＧＡ ；数字 电路；计 算机测控；故障诊断
１ 引言
当今 社 会数 字 『 路 已经遍 布 人 们生 活 的 各 个 角 落 ，数 字 电路 广‘ 泛 应用 于 通 信 、娱 乐 、 工业 生 产 等 ： 同领 域 。随 着 数 字 电路 的 不 断发 展 ， 电路 的 测试 和 故 障 诊断 成 为 其 设 计和 生 产 维 修 的重 要组 成 部 分 。 目前 国 内 部分 国防 单位 使 用 的数 字 电 路板 具 有 高性 能 、高功 耗 、高集 成 度 等特 点 ， 比 如战 斗 机 上 二 从 俄 罗斯 等 围 引进 的 实现 关 键功 能 的 数 字 电路 板 Ｉ 。 而使 用 年 限及 次 数 等 因 素 不可 避 免 的会 对 这些 电路 板造 成 损 伤 ，导 致 包 含这 些 数 字 电路 板 的 设备 无 法 正常 使 用 ， 因此 对 数字 电 路板 的性 能测 试 及故 障检 测 尤 为蘑 要 。 ２ ． 系 统 结 构 ２ ． １系 统 总 体 结 构 本 文 介 绍 ｒ一种 采 用 向 量 法 对 数 字 电 路 进 行 故障 诊断 的系 统 ， 通过 向被 测 电路 发 送 测试 向 量 ，接 收 被 测 电路 对 激励 的响 应 结 果 ，然 后将 该 结 果 与正常 工 作 电路 的相 应 结 果进 行 比对 ，从 而 验 证 被测 电路 的 功 能 以及 诊 断 故障 ］ 该 系统 兼 容 目前主 流 的 采用 Ｔ Ｔ ［ ， Ｃ Ｍ Ｏ ｓ 等 电平 逻 辑 的 数字 电 路 。其 系 统 结 构 如 图 ｌ 所示。
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子 系统
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子系统 ｂ 澜
电 被 Biblioteka 机 桥 扳 路
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本 系统 ＝ 要 由 计 算 机 和 ８ 个 下位 机 子 系 统 两 部 分 构 成 每 个 ｆ系 统 包 含 ３ ２ 路Ｉ Ｏ 端 口 ，负 责 完 成测 试 向 蹙 的发 送 和接 收 ， 计 算机 根 据 用户 建 立 的测 试 任 务 ，控 制 Ｆ位机 子 系 统 ，并 示处 理 被 测 数 字 电 路 的 响应 结 果 。系 统 选 用 Ｐ Ｘ Ｉ ６ ５ ３ ４ 来 完成 计 算 机 下位 机 予系统 之 间 的数 据 通信 ， Ｐ ｘ Ｉ ６ ５ ３ ４ 足Ｎ Ｉ 公司的 ‘ 款高速数字１ ０ 卡 。它 将 复 杂的Ｐ ｘ Ｉ 总 线 转 换 为 相 对 简 单的 ｌ ６ 位 同 步 并行 总 线 供 下位 机 设计 人 员开 发 ，而 为 ｋ位机 设计 人 员 提 供 ｒ犬 量 Ａ Ｐ Ｉ 函 数 从 而 简 化 底 层 驱 动 的开 发过 程 ， 让 设计 人 员将 更多 精 力集 中 在 其它 应 用 功能 上 的 开 发 。各 个 子 系统 通 过母 板 挂 接到 １ ６ 位 数据 总 线 上。 由于Ｐ Ｘ Ｉ ６ ５ ３ ４ 的数字Ｉ Ｏ 驱 动 能力 有 限 ， 本 系统 通 过 母 板 来 提 高 数 据 总 线 的 驱 动 能 力 ，
并 且进 行 电平 逻 辑 的 转 换 和 提 供 同 步 时 钟 。 ２ ． ２ Ｆ 他 机 子 系 统 结 构
发送缓存Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 。测 试 开 始 后 ， Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 从 发 送 缓 存 Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 读 取 数据 通 过 发 送 调 理 电路 ， 同 时 将 接 收 调理 电路 接 收 的 被测 电路 的 响应 数 据 存入 接 收 缓 存Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 。测 试 完成 后 ，Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 从 接 收 缓存 ５ Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 中 读 取测 试 结 果通 过数 据 总 线上 传给 计 算机 。 ２ ． ２ ． １控 制 芯 片 本系统选用Ａ Ｌ Ｔ Ｅ Ｒ Ａ 公司Ｃ ｙ ｃ ｌ ｏ ｎ ｅ Ｉ Ｉ Ｉ 系 列 芯 片Ｅ Ｐ ３ Ｃ ２ ５ Ｆ ３ ２ ４ Ｃ ８ 作 为 下位 机 子 系 统 的 主 控 制 芯 片 。该 芯 片 具 有 ２ ｌ ５ 个可编程Ｉ Ｏ口， ２ ４ ６ ２ ４ 个逻辑 单元，４ 个 锁 相 环 。相 比于 Ａ Ｒ Ｍ ， Ｄ Ｓ Ｐ 等主流微处 理 芯 片 ，Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 具 有 更 高 速 度 的 优 势 ， 且 其 内 部 Ｐ Ｉ Ｌ 锁相 环资源 可 以为系统 提供 不同 的１ ： 作 频 率 。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 丰富的 ｌ ０ 资源 可 以满 足 系 统 在 测 试 多 输 入 输 出的 数 字 电路 时 的 需 求 。 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 是整个数 字电路故障诊 断系统 卜 位机 子 系 统 的 核 心 ，测 试 向 量 的 发 送 和接 收 ， 以及 计 算 机 的 通 信 均 由Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 编程实现。 ２ ． ２ ． ２ 发 送 调 理 电路 发送 调 理 电路 完 成测 试 向 量 的 电压转 换 ， 由 于Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 输 出的 是０ 和３ ． ３ ｖ 的 电压 ，为满 足 测试 不 同 数 字 电路 的 需求 ，需要将 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 输 出的 电压转 换为 被 测数 字 电路所 能识 别的 电压 。本系统 选用 ，系统 采 用Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｌ 公 司的高性 能管脚 驱动 ： 芷 ： 片Ｅ Ｌ １ ０ ５ ６ 作 为 发送 驱 动 芯片 ，可 输 出 电压 范 围 １ ２ Ｖ ＋ １ ２ Ｖ ，驱 动 电流 可达 １ ４ ０ ｍ Ａ ，最高 频率 可达６ ０ ￣ Ｉ ｚ 。 ２ ． ２ ． ３ 接 收 调 理 电路 接收 调 理 电路 实现 埘 被测 数 字 电路 响应 向量 的 比 较 ，将 响 应 向 量 转 变 为Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 兼 容 的 电 乎 。 系 统采 用 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ 订 公司的Ｅ １ ２ ２ ５ ２ 作 为接 收 比 较 芯 片 ，该 比 较 芯 片 含 有 两 个 独 立 的 比较 器 ，带宽可达５ ０ Ｍ Ｈ ｚ ， 电平 范 围 为一 １ ２ Ｖ ＋ ｌ ２ Ｖ ， 电路 原 理 如 图３ 所示 。
