基于FPGA的便攜式VI曲線航空設備電路測試裝置設計方案

引言

隨著晶體管和集成電路技術的不斷發展，航空電子設備的電路板集成度越來越高，因此對其進行狀態監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資料的情況下，要完成其健康狀態監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，通過在線路節點之間注入一定幅度和頻率的周期信號，在顯示坐標上形成一條電流隨電壓變化的關系曲線，即VI曲線。VI曲線的形狀由被測節點之間的特性阻抗決定，通過比較好壞電路板（器件）上相同節點之間的VI曲線，可以發現特性阻抗發生改變的節點，從而確定故障器件。

目前，對便攜式VI曲線航空設備電路板測試裝置的研究較少，不能滿足外場環境下的應急測試需求。因此，本文提出了一種放置于手提式機箱中的便攜式VI曲線電路板測試裝置的設計方案，以FPGA為主控器件設計測試板件，并通過USB接口將數據傳輸給上位機進行數據處理和圖像繪制。

設計方案

1. 總體架構

整個測試裝置由以下幾個部分組成：

• 測試板件：以FPGA為主控器件，負責生成激勵信號、采集電流信號，并通過USB接口將數據傳送給上位機。

• 上位機：采用迷你工控機，負責接收電壓電流數據，進行數據處理，并在顯示屏上實時繪制VI曲線。

• 手提式機箱：用于裝載測試板件和上位機，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，其內部包含大量的邏輯門、寄存器和IO資源，通過編程可以實現復雜的數字電路功能。FPGA具有靈活性高、可重編程、并行處理能力強等優點，非常適合用于信號處理、數據采集和控制系統。

2.1 主控芯片型號

北京微電子技術研究所提供的7系列FPGA為核心的宇航電子產品，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備的測試裝置。具體型號可以選用BQVR、BQR2V、BQR5V、BQR7V、BQR7K等系列FPGA，這些型號的FPGA具有高性能、高可靠性、高安全性等特點，可以滿足航空設備測試裝置對大規模、高性能、高可靠、高安全FPGA應用需求。

2.2 在設計中的作用

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

2. 采集電流信號：FPGA通過內部集成的ADC（Analog-to-Digital Converter）模塊，可以采集被測電路板在各種激勵信號下的電流信號，并將其轉換為數字信號進行后續處理。

3. 數據傳輸：FPGA通過USB接口將采集到的電壓電流數據傳送給上位機，實現數據的實時傳輸和處理。

4. 并行處理：FPGA具有強大的并行處理能力，可以在短時間內完成大量數據的采集和處理，從而提高測試效率和準確性。

3. 激勵信號生成模塊

激勵信號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信號。激勵信號的類型、頻率和幅度可以根據被測電路板的特點和測試需求進行調整。

3.1 激勵信號類型

激勵信號類型包括正弦波、方波、三角波等，可以根據被測電路板的特點和測試需求進行選擇。正弦波信號具有平滑的波形和穩定的頻率，適用于大多數電路板的測試；方波信號具有陡峭的上升沿和下降沿，適用于需要快速響應的測試；三角波信號則具有線性變化的特性，適用于需要測量線性關系的測試。

3.2 激勵信號頻率和幅度

激勵信號的頻率和幅度可以根據被測電路板的特點和測試需求進行調整。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。通過調整激勵信號的頻率和幅度，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。

3.3 激勵信號生成方式

激勵信號生成方式可以通過FPGA內部集成的DAC（Digital-to-Analog Converter）模塊實現。FPGA通過編程控制DAC模塊的輸出電壓，從而生成所需的激勵信號。此外，還可以通過外部信號源生成激勵信號，并將其輸入到FPGA進行采集和處理。

4. 電流信號采集模塊

電流信號采集模塊用于采集被測電路板在各種激勵信號下的電流信號，并將其轉換為數字信號進行后續處理。

4.1 電流信號采集方式

電流信號采集方式可以通過FPGA內部集成的ADC模塊實現。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。此外，還可以通過外部電流傳感器將電流信號轉換為電壓信號，并將其輸入到FPGA進行采集和處理。

4.2 電流信號采集精度

電流信號采集精度是測試裝置的重要性能指標之一。通過選用高精度ADC模塊和電流傳感器，可以提高電流信號的采集精度。同時，還可以通過優化FPGA的采樣算法和濾波算法，進一步提高電流信號的采集精度和抗干擾能力。

5. 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊用于將采集到的電壓電流數據從FPGA傳輸到上位機進行數據處理和圖像繪制。

5.1 數據傳輸接口

數據傳輸接口采用USB接口，具有傳輸速度快、可靠性高、易于連接等優點。FPGA通過USB接口將采集到的電壓電流數據實時傳輸給上位機，實現數據的實時處理和顯示。

5.2 數據傳輸協議

數據傳輸協議可以采用自定義協議或標準協議。自定義協議可以根據測試裝置的特點和需求進行設計，具有靈活性高、傳輸效率高等優點；標準協議則具有通用性強、易于實現等優點。在選擇數據傳輸協議時，需要綜合考慮測試裝置的特點、數據傳輸速度和可靠性等因素。

6. 數據處理與圖像繪制模塊

數據處理與圖像繪制模塊用于接收上位機傳來的電壓電流數據，進行數據處理和圖像繪制。

6.1 數據處理

數據處理包括數據濾波、數據校準和數據轉換等步驟。通過數據濾波可以去除噪聲和干擾信號，提高數據的準確性和可靠性；通過數據校準可以將采集到的電壓電流數據轉換為實際的電壓電流值；通過數據轉換可以將電壓電流數據轉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的顯示屏進行實時繪制。通過繪制以電壓為橫坐標、電流為縱坐標的VI曲線圖，可以直觀地顯示被測電路板在不同激勵信號下的電流隨電壓變化的關系。同時，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，發現被測電路板的狀態變化和故障情況。

7. 裝置外觀與便攜性設計

測試裝置需要具備良好的外觀設計和便攜性，以便于攜帶和使用。

7.1 外觀設計

外觀設計可以采用簡潔明了的風格，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，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 便攜性設計

便攜性設計可以通過采用手提式機箱、輕量化材料等措施實現。手提式機箱可以方便地攜帶和存放測試裝置；輕量化材料可以減輕裝置的重量，提高便攜性。此外，還可以通過優化內部結構設計和布線方式，進一步提高裝置的緊湊性和便攜性。

結論

本文提出了一種基于FPGA的便攜式VI曲線航空設備電路板測試裝置的設計方案。該裝置以FPGA為主控器件，通過生成激勵信號、采集電流信號、數據傳輸、數據處理和圖像繪制等步驟，實現了對被測電路板的狀態監測和故障診斷。通過選用高性能、高可靠性、高安全性的FPGA型號，以及優化各個模塊的設計和實現方式，提高了測試裝置的準確性和可靠性。同時，通過良好的外觀設計和便攜性設計，提高了裝置的易用性和便攜性。該裝置可以廣泛應用于航空設備的電路板測試與故障診斷領域，為航空維修單位提供有力的技術支持和保障。