基于嵌入式系统的电路板故障检测电路设计文献综述

文 献 综 述

1. 研究背景及意义

在这个科学技术越来越发达的时代，无论军事还是民用的器件都越来越精细化。

于是随着集成电路的发展,使得电路板上器件的密集度愈来越高,随之产生的问题就是对密集芯片引脚以及其内部功能模块的探测也变得越来越难,而采用传统的、探针测试已经无法满足这一变化。芯片封装密集化,引脚的增加,加之印制电路板的密度也越来越大,芯片之间的互连测试急需解决,同时芯片内部功能模块的故障检测也成为了一个难题。故障诊断技术的发展也越来越受到重视^[1]。

故障诊断(FD)始于机械设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断(CMFD)^[2]。面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异常情况后对、设备的故障进行分析、诊断。设备故障诊断是随设备管理和设备维修发展起来的。欧洲各国在欧洲维修团体联盟(FENMS)推动下，主要以英国倡导的设备综合工程学为指导；美国以后勤学(Logistics)为指导；日本吸收二者特点，提出了全员生产维修(TPM)的观点。美国自1961年开始执行阿波罗计划后，出现一系列因设备故障造成的事故，导致1967年在美国宇航局(NASA)倡导下，由美国海军研究室(ONR)主持成立了美国机械故障预防小组(MFPG)，并积极从事技术诊断的开发^[3]。

嵌入式系统从出现至今已有40多年的历史，其发展轨迹呈现出硬件和软件交替发展的双螺旋式。早在电子数字计算机出现之前就有了把计算装置嵌入到系统和设备的嵌入式系统，如把计算机嵌入到导弹等武器和航天器中^[4]。但是直到20世纪70年代末（集成电路化的第三代计算机时期），随着电子技术的发展，嵌入式计算机才逐步兴起。近几年来，随着计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点^[5]。

而本课题作为一个典型特例。将嵌入式技术应用到故障诊断仪中。嵌入式故障诊断仪通过产生待测电路板的激励信号，通过分析输出信号来判断待测电路板的故障原因，并定位故障且完成数据存储。故障诊断平台可产生9种待测电路板正常工作时所需的激励信号，在诊断软件的自动化控制和管理下，实现不同类型电路板的故障诊断，并给出

故障电路板的相关可靠信息，为工业控制设备的维修提供依据^[6][7]。

因此，嵌入式故障诊断仪成为可能，也极大的简化了诊断流程，提高了诊断效率。

1. 相关研究的现状

根据知识处理途径上的不同，智能诊断系统可分为两大类：一是基于符号推理的智能诊断方法 ，如专家系统；另一类是基于数值计算的智能诊断方法，如神经网络，它是当今智能诊断的一个主要研究领域 。

基于符号推理方法的专家系统利用知识进行从故障表象到本质的推理，是对人类逻辑思维方式的计算机模拟。知识是专家系统的核心，其显示表示使专家系统具有概念明确、长于定性分析、推理路径清晰 、易于用户参与 、便于解释等显著优点 。存在的问题主要表现在：缺乏有效的诊断知识表达方式、不确定性 推理方法 ，推理效率低；存在知识获取“瓶颈”问题、知识“窄台阶”问题，易出现 “匹配冲突” 、“组合爆炸”及“无穷递归”等问题，学习能力、自适应能力差；诊断求解过程是一个在超高维空间的搜索过程，对于复杂的诊断对象，由于搜索空间大、搜索速度慢，使得在线诊断困难、实时性差^[8]。目前，人们正在积极寻求解决这些局限性的方法，如：采取机器学习的方 法解决知识获取的瓶颈问题；采用并行处理和分布式系统结构，提高其准确性、实时性；采取多种知识表示方法和多种求解策略，提高系统的灵活性。

基于数值计算方法的神经网络将已有数据和已知故障模式作为样本，通过学习得出数据量与故障模式 间的映射关系，实现了对人类经验思维的模拟。与专家系统相比 ，基于神经网络的故障诊断系统具有如下优点：具有统一的内部知识表示形式，大量知识规则 都可通过对范例的学习存储于一个相对小得多的神经网络的连接权重中，便于知识库的组织与管理，通用性强 、知识容量大^[9]；便于实现知识的自动获取，能够自适应环境的变化；推理过程为并行的数值计算过程，避免了“匹配冲突” 、“组合爆炸”及“无穷递归”等问题，推理速度快 ；具有联想、记忆、类比等形象思维能力，克服了传统专家系统中存在的 “知识 窄台阶” 等问题 ，可以工作于所学习过的知识以外的范围；将知识表示、存储和推理三者融为了一体。但 是，由于神经网络只是从已知样本中得到解决问题的能力，故仍存在一些局限性，表现在：对奇异模式的判断能力较差、对结论及其过程缺

乏解释能力 、忽视 了领域专家的经验知识等 。目前，为了提高神经网络 在实用中的学习和诊断性能 ，主要是从神经网络模型 本身的改进和模块化神经网络诊断策略两个方面开展 研究 ；同时，与模糊逻辑的结合研究也是一个引人注目的研究热点^[10]。

本案作为一个特例，综合应用了嵌入式ARM与FPGA可编辑器件技术。

嵌入式系统如今的研究趋势有以下极大方面：1.强大的硬件开发工具和软件包的支持。如三星在推广ARM7、ARM9的同时还提供开发板与支持包（BSP）^[11]。2.向可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展。注入32位、64位RISC芯片等被应用。3.网络互连成为趋势。4.精简内核、算法。5.提供有好的多媒体人机界面^[12]。

而如今的ARM32位体系结构被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。从诞生起，ARM体系经历了6个版本。从1到6，ARM体系的指令集功能不断扩展、增强。相关的，ARM处理器也随之变化发展。如今主流的处理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore等几个系列以及其他厂商基于ARM体系的处理器^[13][14]。除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM处理器都有各自的特点和应用领域。

而FPGA器件经过近20年的发展，已成为主流的可编辑逻辑器件之一。资源更加丰富，使用越来越方便^[15]。将来的可编辑逻辑器件，密度会更高，速度会更快，功耗会更低，同时还会增加更多的新功能，向着继承了可编辑逻辑、CPU、存储器等组件的可编程单片系统（System On Programmable Chip，SOPC）方向发展。从而是设计工程师们的工作变得轻松^[16]。

参考文献

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