船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 帥，趙雨田，彭 新，歐陽暉

應(yīng)用研究

船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 帥，趙雨田，彭 新，歐陽暉

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

船舶電氣設(shè)備中的重要電路板卡是設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行的核心組成部分，對(duì)板卡進(jìn)行定期檢測是提升可靠性、驗(yàn)證可靠性的根本手段。傳統(tǒng)的板卡人工檢測方式效率低、操作步驟復(fù)雜、接口通用性差，難以滿足多型號(hào)、快速化板卡檢測的需求。提出一種船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了檢測系統(tǒng)需求，介紹了其組成和工作原理。測試系統(tǒng)經(jīng)過長期使用檢驗(yàn)，具有檢測效率高、自動(dòng)化程度高、接口通用性強(qiáng)擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，可較好的滿足船舶電氣設(shè)備電路板卡快速檢測需求。

電氣設(shè)備 電路板卡 自動(dòng)檢測

0 引言

船舶電氣設(shè)備是全船供電、控制、動(dòng)力、通信、導(dǎo)航的基本組成[1]。而電氣設(shè)備中的重要板卡，又是電氣設(shè)備的運(yùn)行的核心部件，板卡功能是否正常，會(huì)直接影響設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性[2]。必須確保所有電氣設(shè)備電路板卡硬件完好、功能正常。

實(shí)際中，存在以下情況會(huì)導(dǎo)致使用中的電路板卡或存放的備件板卡產(chǎn)生故障[3]:

1）環(huán)境因素。多數(shù)備件板卡長期處于船舶、庫房貯存狀態(tài)，電子元器件在長期不通電的情況下，溫度、濕度、鹽霧氣氛等環(huán)境會(huì)對(duì)電子元器件壽命造成較大影響。

2）物理損壞。設(shè)備板卡從生產(chǎn)到使用，經(jīng)過了制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、試驗(yàn)、存儲(chǔ)及船上長期振動(dòng)考驗(yàn)。這些環(huán)節(jié)均可能造成板卡上器件管腳疲勞、靜電擊穿、密封層損壞、器件裂紋、磕碰等物理性損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落或接觸不良。

3）超壽期使用。部分電子元器件生產(chǎn)時(shí)間、使用壽命、存儲(chǔ)壽命底數(shù)不明，部分器件已超過使用壽命指標(biāo)但仍在繼續(xù)使用。

為保證船舶電氣設(shè)備板卡功能正常，需定期對(duì)使用中的多型號(hào)電路板卡進(jìn)行全面功能檢測[4-5]。

1 檢測需求

傳統(tǒng)的板卡檢測通常是生產(chǎn)階段，在試驗(yàn)室條件下，人工搭建試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)板卡的每路輸入引腳施加指定類型的激勵(lì)信號(hào)，并逐一采集判斷輸出引腳信號(hào)狀態(tài)是否正確。這種傳統(tǒng)的人工檢測方式，存在以下缺點(diǎn)導(dǎo)致難以廣泛實(shí)施：

1）檢測效率低：人工板卡檢測過程需專業(yè)技術(shù)人員操作，用時(shí)久，效率低；

2）自動(dòng)化程度低：板卡試驗(yàn)臺(tái)架操作部件多，需外加指定測試信號(hào)源，操作流程復(fù)雜，自動(dòng)化程度低，且檢測結(jié)果易受人為因素影響；

3）通用性較差：需對(duì)每型被測板卡搭建單獨(dú)的試驗(yàn)臺(tái)架，且不同板卡試驗(yàn)臺(tái)架的接口、資源不通用，檢測不同型號(hào)板卡需配備大量試驗(yàn)臺(tái)架。

P-NENs是一組明顯異質(zhì)性的腫瘤，可以表現(xiàn)為惰性的緩慢生長、低度惡性、高轉(zhuǎn)移性等不同的生物學(xué)特征。WHO報(bào)道的NEC G3級(jí)占比為2%～3%[2]，本組NEC占5.6%，比例稍高。

船舶各電氣設(shè)備種類較多，內(nèi)部電路板卡型號(hào)接口不同、功能復(fù)雜，為解決傳統(tǒng)人工板卡檢測方式的缺點(diǎn)，需設(shè)計(jì)一套船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1）便捷：用戶只需通過軟件平臺(tái)進(jìn)行簡單操作，即可快速完成指定板卡的全面檢測；

2）自動(dòng)：系統(tǒng)對(duì)板卡的檢測完全自動(dòng)，檢測過程由計(jì)算機(jī)完成，檢測結(jié)果自動(dòng)報(bào)表顯示；

3）通用：該系統(tǒng)可檢測至少15種不同類型的板卡，在需要擴(kuò)充檢測范圍時(shí)，只需增加部分硬件和接口，并在軟件平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)配置即可；軟件平臺(tái)具有通用性，可對(duì)新增的被測板卡添加測試用例；

4）可對(duì)所有型號(hào)被測板卡建立數(shù)據(jù)庫。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述需求，本文設(shè)計(jì)了船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)，其硬件組成架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)控制及處理主要由服務(wù)器主機(jī)、交換機(jī)、PXI控制箱、示波器、萬用表、數(shù)字電源、矩陣開關(guān)、顯示器、打印機(jī)等組成，硬件主要配置如表1所示。

a）直流電源：輸出電壓DC 0～600 V，可滿足被測板卡激勵(lì)中最大DC600 V的要求；同時(shí)滿足小電壓高精度正負(fù)電源輸出能力。

b）交流電源：選用交流數(shù)字電源，單/三相輸出可設(shè)置，頻率、幅值可調(diào)，最大輸出電壓：350 V，功率：780 W。

d）信號(hào)測量：采用數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)板卡的所有輸出信號(hào)進(jìn)行測量，并可對(duì)重要信號(hào)波形顯示分析。

e）資源連接：上述儀器儀表的對(duì)外通道數(shù)量一般為2～4路，遠(yuǎn)少于被測板卡待測信號(hào)數(shù)量。需在儀器和板卡之間采用輔助切換裝置進(jìn)行信號(hào)切換，系統(tǒng)控制切換裝置將板卡每一路被測信號(hào)依次切換至儀器儀表接口，以時(shí)分復(fù)用的方式完成測試。采用數(shù)采對(duì)輔助切換裝置所有繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，可確保使用時(shí)輔助切換裝置自身功能正常。

圖2所示為船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)硬件電氣原理圖。

圖1 硬件組成架構(gòu)圖

表1 硬件主要配置

圖2 硬件電氣原理圖

3 軟件層級(jí)設(shè)計(jì)

船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)操作軟件基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)，后臺(tái)測試軟件基于LabView開發(fā)。軟件整體采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自底向上逐層抽象，分別為驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層、參數(shù)層和交互層。

1）驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層軟件由各儀器儀表驅(qū)動(dòng)庫及接口適配裝置輸入輸出驅(qū)動(dòng)軟件組成，部署在各儀器儀表及接口適配裝置內(nèi)。各儀器儀表的驅(qū)動(dòng)層采用廠家預(yù)制的成熟驅(qū)動(dòng)庫方案，整合精簡后直接加入驅(qū)動(dòng)層。接口適配裝置輸入輸出驅(qū)動(dòng)軟件為嵌入式軟件，置于底層ARM內(nèi)核互聯(lián)型微控制器中。

2）協(xié)議層

協(xié)議層完成以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、提取和轉(zhuǎn)換。協(xié)議層部署在后臺(tái)計(jì)算機(jī)中，一方面將指定數(shù)據(jù)按照各儀器儀表及接口適配裝置支持的通信協(xié)議打包，形成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文并送入驅(qū)動(dòng)層；另一方面對(duì)各儀器儀表及接口適配裝置上傳的監(jiān)測及狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)文，依據(jù)協(xié)議校驗(yàn)和解析數(shù)據(jù)報(bào)文，提取所需的參數(shù)。

3）參數(shù)層

參數(shù)層部署在后臺(tái)計(jì)算機(jī)中，完成報(bào)文參數(shù)與實(shí)際顯示參數(shù)的數(shù)值及數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，并將用于顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送給交互層。同時(shí)，獲取交互層輸入的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)數(shù)值及數(shù)據(jù)類型依據(jù)協(xié)議層的需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的參數(shù)送至協(xié)議層。

4）邏輯層

邏輯層執(zhí)行具體測試功能的時(shí)序邏輯。

5）交互層

交互層部署在后臺(tái)計(jì)算機(jī)中，采用瀏覽器模式進(jìn)行交互，可實(shí)現(xiàn)多終端即時(shí)交互，便于多屏動(dòng)態(tài)顯示及調(diào)度。在交互層升級(jí)及調(diào)整時(shí)，可實(shí)現(xiàn)只在后臺(tái)計(jì)算機(jī)中更新，無需在交互終端依次更新，減輕后期維護(hù)難度。

軟件層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件層級(jí)結(jié)構(gòu)圖

以某型電氣設(shè)備電路板卡為例，該型板卡輸入?yún)?shù)為1路DC±15 V電源（A）、2路AC 0～100 V電壓模擬量（B）、2路AC 0～3.3 mA電流模擬量（C），輸出參數(shù)為1路DC 0～5 V的模擬量（D）。對(duì)電路板卡執(zhí)行測試時(shí)，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)在軟件各層及硬件終端中的數(shù)據(jù)流如圖4所示。

板卡測試邏輯部署在交互層與邏輯層，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)板卡檢測的軟件全流程如圖5所示。

圖4 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

圖5 板卡測試功能軟件流程圖

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)操作便捷性，前端交互系統(tǒng)功能采用模塊化與扁平化分區(qū)設(shè)計(jì)，如圖6所示。各交互功能模塊具體功能如下：

1）板卡檢測：該模塊實(shí)現(xiàn)板卡的自動(dòng)識(shí)別、系統(tǒng)自檢，幫助并引導(dǎo)用戶完成板卡型號(hào)確認(rèn)及插槽固定。依據(jù)用戶的測試需求，調(diào)用匹配的測試用例，向各個(gè)儀器下發(fā)測試參數(shù)，同時(shí)采集板卡的反饋數(shù)據(jù)，比對(duì)測試結(jié)果并給出測試報(bào)告。測試結(jié)束后，引導(dǎo)用戶安全退出。

2）統(tǒng)計(jì)分析：軟件系統(tǒng)保存各板卡的歷次測試結(jié)果。利用可靠性分析算法，評(píng)估板卡性能退化情況，并對(duì)板卡的壽命進(jìn)行預(yù)測。

3）板卡管理：存儲(chǔ)各板卡的物理信息、接口信息、圖像信息及性能參數(shù)信息，同時(shí)建立索引及搜索機(jī)制，使用戶能夠通過圖像識(shí)別、參數(shù)篩選等方式快速查找需要的板卡。

4）使用幫助：幫助用戶定位測試機(jī)柜及測試臺(tái)中各儀器的位置，并提供每臺(tái)儀器的功能及詳細(xì)手冊(cè)查詢服務(wù)，幫助和引導(dǎo)用戶使用及維護(hù)。

5）用戶管理：存儲(chǔ)和管理使用人員口令及生理特征信息，配置各用戶角色及使用權(quán)限。用戶角色分三種：系統(tǒng)管理員、板卡管理員、測試員。

測試系統(tǒng)后臺(tái)啟動(dòng)后，用戶通過交互接口可直接訪問系統(tǒng)主界面，圖7所示為系統(tǒng)交互主界面圖，圖8所示為板卡檢測子界面圖。

圖6 交互功能結(jié)構(gòu)圖

圖7 系統(tǒng)交互主界面圖

圖8 板卡檢測子界面圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖9 自動(dòng)檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)，如圖9所示。該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，即控制臺(tái)和資源柜。控制臺(tái)裝配有PXI控制箱、主機(jī)、顯示屏以及定制切換裝置等，資源柜中布置了通用儀器儀表，如示波器、數(shù)字萬用表、精密交直流電源等。

控制臺(tái)面板中央為顯示器，用于顯示測試軟件界面以及數(shù)據(jù)。顯示器的左側(cè)為手動(dòng)測試的儀器接口，配備了數(shù)字萬用表接口、示波器接口、直流電源接口、精密電源接口、交流電源接口。右側(cè)自上而下分別為電源指示燈、板卡識(shí)別攝像頭、打印模塊以及光驅(qū)、USB接口。控制臺(tái)桌面兩側(cè)為板卡測試卡槽區(qū)，每塊板卡的卡槽接口都有文字及指示燈提示。中間為人員操作區(qū)，放置鼠標(biāo)鍵盤。簡潔大方，整體感強(qiáng)。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，15型被測板卡均可在10～20 s內(nèi)完成單板全面功能自動(dòng)檢測，并打印生成檢測報(bào)告。

6 結(jié)論

針對(duì)船舶電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)控制需求進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套電氣設(shè)備電路板卡自動(dòng)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件基于服務(wù)器及標(biāo)準(zhǔn)化儀器儀表，軟件基于LabView和數(shù)據(jù)庫，具有檢測速度快、自動(dòng)化程度高、邏輯處理能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行了板卡檢測功能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)檢測結(jié)果有效、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、人機(jī)交互便捷，能較好地滿足船舶電氣設(shè)備電路板卡快速化、自動(dòng)化的檢測需求。

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Design of automatic detection system for circuit board of marine electrical equipment

Yu Shuai, Zhao Yutian, Peng Xin, Ouyang Hui

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

U665

A

1003-4862（2023）02-0020-04

2022-06-23

于帥（1988-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)、電氣監(jiān)控、故障診斷、健康管理。E-mail: happyyushuai@qq.com