基于FPGA的便攜式VI曲線航空設(shè)備電路測試裝置設(shè)計(jì)方案

引言

隨著晶體管和集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，航空電子設(shè)備的電路板集成度越來越高，因此對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的難度也越來越大。特別是在缺乏電路原理圖及相關(guān)資料的情況下，要完成其健康狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷更是難上加難，給航空維修單位帶來了很大的壓力。VI（Voltage-Intensity）曲線測試是一種不加電的故障診斷技術(shù)，通過在線路節(jié)點(diǎn)之間注入一定幅度和頻率的周期信號(hào)，在顯示坐標(biāo)上形成一條電流隨電壓變化的關(guān)系曲線，即VI曲線。VI曲線的形狀由被測節(jié)點(diǎn)之間的特性阻抗決定，通過比較好壞電路板（器件）上相同節(jié)點(diǎn)之間的VI曲線，可以發(fā)現(xiàn)特性阻抗發(fā)生改變的節(jié)點(diǎn)，從而確定故障器件。

目前，對便攜式VI曲線航空設(shè)備電路板測試裝置的研究較少，不能滿足外場環(huán)境下的應(yīng)急測試需求。因此，本文提出了一種放置于手提式機(jī)箱中的便攜式VI曲線電路板測試裝置的設(shè)計(jì)方案，以FPGA為主控器件設(shè)計(jì)測試板件，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像繪制。

設(shè)計(jì)方案

1. 總體架構(gòu)

整個(gè)測試裝置由以下幾個(gè)部分組成：

• 測試板件：以FPGA為主控器件，負(fù)責(zé)生成激勵(lì)信號(hào)、采集電流信號(hào)，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

• 上位機(jī)：采用迷你工控機(jī)，負(fù)責(zé)接收電壓電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在顯示屏上實(shí)時(shí)繪制VI曲線。

• 手提式機(jī)箱：用于裝載測試板件和上位機(jī)，便于攜帶和使用。

2. 主控芯片選型及其作用

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一種用戶可編程的邏輯芯片，其內(nèi)部包含大量的邏輯門、寄存器和IO資源，通過編程可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字電路功能。FPGA具有靈活性高、可重編程、并行處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

2.1 主控芯片型號(hào)

北京微電子技術(shù)研究所提供的7系列FPGA為核心的宇航電子產(chǎn)品，在可靠性、安全性與兼容性方面取得了突破，非常適合用于航空設(shè)備的測試裝置。具體型號(hào)可以選用BQVR、BQR2V、BQR5V、BQR7V、BQR7K等系列FPGA，這些型號(hào)的FPGA具有高性能、高可靠性、高安全性等特點(diǎn)，可以滿足航空設(shè)備測試裝置對大規(guī)模、高性能、高可靠、高安全FPGA應(yīng)用需求。

2.2 在設(shè)計(jì)中的作用

1. 生成激勵(lì)信號(hào)：FPGA通過編程可以生成多種類型、多種頻率和幅度的激勵(lì)信號(hào)，用于注入到被測電路板節(jié)點(diǎn)之間，從而獲取電流隨電壓變化的關(guān)系曲線。

2. 采集電流信號(hào)：FPGA通過內(nèi)部集成的ADC（Analog-to-Digital Converter）模塊，可以采集被測電路板在各種激勵(lì)信號(hào)下的電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

3. 數(shù)據(jù)傳輸：FPGA通過USB接口將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理。

4. 并行處理：FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，可以在短時(shí)間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的采集和處理，從而提高測試效率和準(zhǔn)確性。

3. 激勵(lì)信號(hào)生成模塊

激勵(lì)信號(hào)生成模塊是測試裝置的核心部分之一，用于生成各種類型的激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的類型、頻率和幅度可以根據(jù)被測電路板的特點(diǎn)和測試需求進(jìn)行調(diào)整。

3.1 激勵(lì)信號(hào)類型

激勵(lì)信號(hào)類型包括正弦波、方波、三角波等，可以根據(jù)被測電路板的特點(diǎn)和測試需求進(jìn)行選擇。正弦波信號(hào)具有平滑的波形和穩(wěn)定的頻率，適用于大多數(shù)電路板的測試；方波信號(hào)具有陡峭的上升沿和下降沿，適用于需要快速響應(yīng)的測試；三角波信號(hào)則具有線性變化的特性，適用于需要測量線性關(guān)系的測試。

3.2 激勵(lì)信號(hào)頻率和幅度

激勵(lì)信號(hào)的頻率和幅度可以根據(jù)被測電路板的特點(diǎn)和測試需求進(jìn)行調(diào)整。頻率范圍可以從幾赫茲到幾百千赫茲，幅度范圍可以從幾毫伏到幾伏。通過調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的頻率和幅度，可以獲取不同條件下的VI曲線，從而更全面地了解被測電路板的狀態(tài)。

3.3 激勵(lì)信號(hào)生成方式

激勵(lì)信號(hào)生成方式可以通過FPGA內(nèi)部集成的DAC（Digital-to-Analog Converter）模塊實(shí)現(xiàn)。FPGA通過編程控制DAC模塊的輸出電壓，從而生成所需的激勵(lì)信號(hào)。此外，還可以通過外部信號(hào)源生成激勵(lì)信號(hào)，并將其輸入到FPGA進(jìn)行采集和處理。

4. 電流信號(hào)采集模塊

電流信號(hào)采集模塊用于采集被測電路板在各種激勵(lì)信號(hào)下的電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

4.1 電流信號(hào)采集方式

電流信號(hào)采集方式可以通過FPGA內(nèi)部集成的ADC模塊實(shí)現(xiàn)。FPGA通過編程控制ADC模塊的輸入通道和采樣率，從而采集所需的電流信號(hào)。此外，還可以通過外部電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將其輸入到FPGA進(jìn)行采集和處理。

4.2 電流信號(hào)采集精度

電流信號(hào)采集精度是測試裝置的重要性能指標(biāo)之一。通過選用高精度ADC模塊和電流傳感器，可以提高電流信號(hào)的采集精度。同時(shí)，還可以通過優(yōu)化FPGA的采樣算法和濾波算法，進(jìn)一步提高電流信號(hào)的采集精度和抗干擾能力。

5. 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)從FPGA傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像繪制。

5.1 數(shù)據(jù)傳輸接口

數(shù)據(jù)傳輸接口采用USB接口，具有傳輸速度快、可靠性高、易于連接等優(yōu)點(diǎn)。FPGA通過USB接口將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和顯示。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可以采用自定義協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。自定義協(xié)議可以根據(jù)測試裝置的特點(diǎn)和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有靈活性高、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)；標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議則具有通用性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。在選擇數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時(shí)，需要綜合考慮測試裝置的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性等因素。

6. 數(shù)據(jù)處理與圖像繪制模塊

數(shù)據(jù)處理與圖像繪制模塊用于接收上位機(jī)傳來的電壓電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像繪制。

6.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等步驟。通過數(shù)據(jù)濾波可以去除噪聲和干擾信號(hào)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；通過數(shù)據(jù)校準(zhǔn)可以將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓電流值；通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以將電壓電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需的格式和單位。

6.2 圖像繪制

圖像繪制采用上位機(jī)的顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制。通過繪制以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)的VI曲線圖，可以直觀地顯示被測電路板在不同激勵(lì)信號(hào)下的電流隨電壓變化的關(guān)系。同時(shí)，還可以通過比較不同電路板或不同測試條件下的VI曲線圖，發(fā)現(xiàn)被測電路板的狀態(tài)變化和故障情況。

7. 裝置外觀與便攜性設(shè)計(jì)

測試裝置需要具備良好的外觀設(shè)計(jì)和便攜性，以便于攜帶和使用。

7.1 外觀設(shè)計(jì)

外觀設(shè)計(jì)可以采用簡潔明了的風(fēng)格，通過合理的布局和顏色搭配，提高裝置的美觀性和易操作性。同時(shí)，還可以采用防震、防塵等措施，提高裝置的可靠性和耐用性。

7.2 便攜性設(shè)計(jì)

便攜性設(shè)計(jì)可以通過采用手提式機(jī)箱、輕量化材料等措施實(shí)現(xiàn)。手提式機(jī)箱可以方便地?cái)y帶和存放測試裝置；輕量化材料可以減輕裝置的重量，提高便攜性。此外，還可以通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布線方式，進(jìn)一步提高裝置的緊湊性和便攜性。

結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA的便攜式VI曲線航空設(shè)備電路板測試裝置的設(shè)計(jì)方案。該裝置以FPGA為主控器件，通過生成激勵(lì)信號(hào)、采集電流信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和圖像繪制等步驟，實(shí)現(xiàn)了對被測電路板的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。通過選用高性能、高可靠性、高安全性的FPGA型號(hào)，以及優(yōu)化各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式，提高了測試裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，通過良好的外觀設(shè)計(jì)和便攜性設(shè)計(jì)，提高了裝置的易用性和便攜性。該裝置可以廣泛應(yīng)用于航空設(shè)備的電路板測試與故障診斷領(lǐng)域，為航空維修單位提供有力的技術(shù)支持和保障。