CN116165574A - 基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法，包括以下步骤：S1、选取一个无故障电路模型，作为应用对象；S2、测试信号生成模块生产的激励信号经过检测模块施加到应用对象上的两个不同节点，获得两个不同节点的电路响应信号；S3、建立离散时间的信号模型A和离散时间的信号模型B；S4、根据信号模型A和信号模型B中的点与点的匹配方式，求出具有最小距离的路径K′；S5、根据获得的路径K′，求出一系列的距离D_ij，选取其中最大的距离作为故障检测的阈值D_f；对待检测电路模型进行步骤S2‑S4，将距离D_ij与步骤S5获得的阈值D_f进行比较，若D>D_f，则认为电路处于故障状态，反之，则电路正常。

Description

基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法及检测 系统

技术领域

本发明属于电子设备故障检测技术领域，具体涉及一种基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法及检测系统。

背景技术

随着科学技术的发展和进步，电子设备在各个领域得到了广泛的应用，如航空航天、军事领域等。电子设备是部队中必不可少的装备组成部分，因为其集成性和携带方便的优点,在日常训练和演习作战中发挥着重要效能。在现代化战争中发挥着不可替代的作用。

而电路板是各型电子设备的关键组成部分，然而无论是组成器件、电路还是系统由于受到工艺水平、使用情况及工作环境等因素的影响，产生故障是无法避免的。并且随着电路集成性日益增加，各种装备的故障或事故对各行业的影响显著增大，特别是在军事等重要领域，装备中的电路板一旦出现故障将会造成不可挽回的军事损失甚至有可能丧失战争优势。因此为了保证装备的正常运行，提前进行故障检测是必不可少的。

但以往仅依靠人工与仪表相结合的检测方法越来越显得力不从心并且效率低下，而且电路板的制造者和使用者通常情况下是不同的人，所以在使用者在不清楚电路结构原理、缺乏基本技术资料的情况下，用万用表等仪器来确定电路板是否有故障是十分困难的。传统的检测手段，其不足主要表现为以下几点：

(1)检测方法简单，效率低

检测人员通常采用万用表手动调整，反复测量各节点电压或电流是否正常，通过手动测量、肉眼观测和反复比对来实现对电路板的故障检测，该方法劳动强度大、耗费时间长，并且效率低。

(2)故障检测结果依赖先验知识

以往检测方法的检测对象大都是结构原理清楚的电路，即电路中的元器件参数、电路结构以及运行状态都是已知的，所以在检测之前中需要获取很多知识资料，如电路中元器件参数及其正常范围，而检测结果主要依赖检测人员的电路检修经验。因此传统方法不能有效地进行结构未知的电路检测。

(3)故障检测依赖个人主观

以往实际故障检测时往往通过人眼对信号的差异进行识别比对，信号分析过程中并未采用某种具体方法，因而相应的故障判定结果存在很大的个人主观性。因此其故障检测能力基本取决于技术人员的技术水平和丰富的检测经验。

因此，研究新技术条件下电路板故障检测的手段和方法，提高装备维护的快速性、降低设备的保障成本、提高部队作战能力，对电路板进行及时的检测与维修十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于离散序列和非对称式距离的电子设备故障检测方法以及检测系统。

本发明的第一个目的是提供一种基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法，包括以下步骤：

S1、选取一个无故障电路模型，作为应用对象；

S2、测试信号生成模块生产的激励信号经过检测模块施加到步骤S1的应用对象上的两个不同节点，获得两个不同节点的电路响应信号；

S3、通过响应信号特征提取模块分别采集步骤S2获得的两个不同节点电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值构成信号特征曲线，即获得离散时间的信号模型A和离散时间的信号模型B；

S4、根据步骤S3获得的信号模型A和信号模型B中的点与点的匹配方式，构造一条连续路径K＝k₁，k₂…k_m，其中，线段k_i两端分别对应X、Y中的数据点，并定义一个映射函数f_i:(x,y)→K，将点对间关系映射到路径K中，然后求出具有最小距离的路径K’；

S5、根据步骤S4获得的路径K’，求出一系列的距离D_ij，选取其中最大的距离作为故障检测的阈值D_f，即D_f＝max{D_ij}；

S6、将与步骤S2相同的激励信号经过检测模块施加到待检测电路模型上，获得电路响应信号；

S7、采集步骤S6获得的电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值构成信号特征矢量，即获得离散时间的信号模型C；

S8、根据步骤S7获得的信号模型C和步骤S3获得的信号模型A中的点与点的匹配方式，构造一条连续路径N＝n₁，n₂…n_m，其中，线段n_i两端分别对应X、Y中的数据点，并定义一个映射函数f_i:(x,y)→N，将点对间关系映射到路径N中，然后求出具有最小距离的路径N’；

S9、根据步骤S8获得的路径N’，求出一系列的距离D，将距离D与步骤S5获得的阈值D_f进行比较，若D>D_f，则认为电路处于故障状态，反之，则电路正常。

优选的，步骤S4中，所述路径K中的数据点按下列2个约束条件进行匹配：

(1)端点对齐，A序列的第一点a₁和B序列的第一点b₁对齐，最后点a_m和b_m对齐，即：

(2)单调性，路径沿时间轴方向单调前进，即：

本发明的第二个目的是提供一种电子设备故障检测系统，包括：

测试信号生成模块，用于根据外部输入的信号参数生成测试激励信号数据，并发送至检测模块；

响应信号特征提取模块，用于采集经模数转换器输出的被测电路的电路响应信号，并对获取的电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值进行特征提取，获得特征曲线，并发送至显示模块和特征曲线相似度比较模块；；

特征曲线相似度比较模块，用于将获取的响应信号特征提取模块的未知板曲线和无故障板曲线进行相似度对比，判断待测板是否在容差允许范围内；

检测模块，用于获取测试信号生成模块生成的激励信号，将获取的激励信号作用于被测电路上，并转换成被测电路的电路响应信号后输出；

模数转换器，用于将检测模块获取的电路响应信号进行模数转换后发送至响应信号特征提取模块；

适配器，用于对源电阻和被测器件的阻抗进行匹配，均衡电压的分配，使响应信号特征提取模块获取的信号曲线便于后续的比较。

显示模块，用于显示响应信号特征提取模块获得的特征曲线。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过采样定理，建立基于离散时间上的信号模型，便于比较计算和储存，然后在相似度距离度量中选用欧式距离，并提出改进的非对称距离检测方法，本发明提供的检测方法无需获取电路设备元器件的参数即可完成检测，降低了检测的难度，计算条件不在过分苛刻，计算时不在要求离散序列的点必须在时间上一一对应，降低了检测条件，而且算法复杂程度较低，算法程序相对简单易懂，应用于检测系统中更加便捷。检测序列的长度不必保持相同，检测范围更广，算法计算的精度更高。

附图说明

图1为正常电路模型图；

图2为改进的距离表现图；

图3为本发明提供的电子设备故障检测系统框架图；

图4为信号生成流程图；

图5为电压电流采集电路图；

图6为源电阻控制电路图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被直立阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法，具体包括以下步骤：

S1、选取一个无故障电路模型，如图1所示，作为应用对象，其中T为测试节点；

S2、测试信号生成模块生产的激励信号经过检测模块施加到步骤S1的应用对象上的两个不同节点，获得两个不同节点的电路响应信号；

S3、通过响应信号特征提取模块分别采集步骤S2获得的两个不同节点电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值构成信号特征曲线，即获得离散时间的信号模型A和离散时间的信号模型B，a₁、a₂、b₁、b₂分别是信号序列上离散的点，则欧氏距离必须满足以下条件，即a₁b₁＝a₂ b₂＝a_ib_j且顺序点要一一对应，也就是对称的距离算法。而改进的非对称式距离算法则只需保证两序列之间的第一个数据点和最后一个数据点对齐匹配，且支持不同长度序列的相似度计算，即满足非对称式的要求。如图2所示；

只要a₁、b₁对齐，最后一个点a_m、b_m对齐，那么则可比较a₂b₁与a₂b₃，如果离散时间的间隔越小，那么a₂b₁与a₂b₃的距离相差越小，算法的精准度越高；

S4、根据步骤S3获得的信号模型A和信号模型B中的点与点的匹配方式，构造一条连续路径K＝k₁，k₂…k_m，其中，线段k_i两端分别对应X、Y中的数据点，并定义一个映射函数f_i:(x,y)→K，将点对间关系映射到路径K中，然后求出具有最小距离的路径K’，即

所述路径K中的数据点按下列2个约束条件进行匹配：

(1)端点对齐，A序列的第一点a₁和B序列的第一点b₁对齐，最后点a_m和b_m对齐，即：

(2)单调性，路径沿时间轴方向单调前进，即：

S5、根据步骤S4获得的路径K’，求出一系列的距离D_ij，选取其中最大的距离作为故障检测的阈值D_f，即D_f＝max{D_ij}；

S6、将与步骤S2相同的激励信号经过检测模块施加到待检测电路模型上，获得电路响应信号；

S7、采集步骤S6获得的电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值构成信号特征矢量，即获得离散时间的信号模型C；

S8、根据步骤S7获得的信号模型C和步骤S3获得的信号模型A中的点与点的匹配方式，构造一条连续路径N＝n₁，n₂…n_m，其中，线段n_i两端分别对应X、Y中的数据点，并定义一个映射函数f_i:(x,y)→N，将点对间关系映射到路径N中，然后求出具有最小距离的路径N’；

S9、根据步骤S8获得的路径N’，求出一系列的距离D，将距离D与步骤S5获得的阈值D_f进行比较，若D>D_f，则认为电路处于故障状态，反之，则电路正常。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种电子设备故障检测系统，具体包括：

测试信号生成模块，用于根据外部输入的信号参数生成测试激励信号数据，并发送至检测模块；

测试信号生成模块控制硬件中的测试信号生成，根据外部输入的信号参数生成测试激励信号数据。测试信号生成模块负责产生测试激励信号，自动调整灵敏度选项利用了第二章中的测试信号生成技术，即电路故障灵敏度模型的测试激励。主要有正弦波、方波等测试波形，其决定了信号生成的函数，激励信号的电压幅度、频率这些参数可由用户自行设定，可对设置的激励参数自动调整优化，提高测试效率。

响应信号特征提取模块，用于采集经模数转换器输出的被测电路的电路响应信号，并对获取的电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值进行特征提取，获得特征曲线，并发送至显示模块和特征曲线相似度比较模块；

响应信号特征提取模块主要负责响应信号的采集。响应信号特征提取模块提取被测电路的响应信号特征曲线，并利用显示设备将其显示在屏幕上。实际的电路板故障检测往往提取电路板上关键节点的电压响应信号作为故障判定依据，由上节知，在硬件层面，数据采集端口负责信号的采集，而在软件层面响应信号数据的获取是通过采集通道完成的。因而响应信号特征提取模块首先建立数据采集通道，进而对通道进行设置，主要包括采样触发方式(上升沿触发或下降沿触发)、采样模式(连续采样或有限次采样)以及采样次数。得到的信号数据作为响应信号特征被上层软件存储起来，并以曲线形式输出到显示控件中。

特征曲线相似度比较模块，用于将获取的响应信号特征提取模块的未知板曲线和无故障板曲线进行相似度对比，判断待测板是否在容差允许范围内；若是，则待测板正常，反之，则存在故障。

检测模块，用于获取测试信号生成模块生成的激励信号，将获取的激励信号作用于被测电路上，并转换成被测电路的电路响应信号后输出；

模数转换器，用于将检测模块获取的电路响应信号进行模数转换后发送至响应信号特征提取模块；

适配器，用于对源电阻和被测器件的阻抗进行匹配，均衡电压的分配，使响应信号特征提取模块获取的信号曲线便于后续的比较。

显示模块，用于显示响应信号特征提取模块获得的特征曲线。

外在的测试信号可以使电路节点的阻抗特性显现出来，并可以反映电路正常与否。测试信号的不同，相应响应信号也随之改变，由于方波、锯齿波的谐波分量较多，检测时会引起自激，因此得到的响应信号曲线不稳定。为此，平台的测试信号采用正弦波。

测试信号主要从频率、相位和电压幅度这三个变量影响着测试的质量。电压可选择的范围及频率范围越宽，则测试质量越好。具体实现过程如图4所示，首先上层软件产生一组电压数据，然后将数据送到信号缓冲区，这些数字信号在输出时钟的控制下发出，经DAC转换为离散的测试信号。

信号数据采集的质量高低是硬件设计的主要环节，因为采集得到的电压响应信号是形成信号特征曲线的基础。为了防止被测点的电压过高，对数据采集设备或传感器造成损坏，可在采集设备和被测点之间增加电压跟随器，因为跟随器输出电压与输入电压相同，并具有缓冲和隔离作用及很好带载能力，可以起到一定的防护作用。如图5所示，被测点A的电压通过电压跟随器LM324和数据采集卡的AI8端口连接。

现有测试仪大多采用专门的电路来对电流进行测量，开销较大。本发明实施例将电流的采集转化为电压的采集，通过采集标准电阻两端的电压，再换算为电流，减少了相应的硬件开销。如图5所示，测试仪内部设计有高精度的参考电阻Rr，其两端的电压差经仪表放大器AD620AN放大后送数据采集卡AI1端口实现采集，然后经上层软件换算得到电路电流大小。

为了使平台硬件设备可以与不同的被测对象适配需要进行适配的开发，适配器开发前要确定适配器的设计方案，本发明采用在电路中增加控制电路来解决适配问题。数据采集接口选用USB-6211，其可满足各种集成电路的电压要求，保证了较宽的测试电压与频带和稳定的信号输出。源电阻可用来和被测器件的阻抗进行匹配，均衡电压的分配，使获取的信号曲线便于后续的比较，增强系统的测试能力。

对于非线性器件，源电阻过大会导致响应电压和电流信号过小，使得测试误差增大；源电阻过小则会导致响应电压信号和电流信号的相位差异变小，不能充分描述被测器件的阻抗特性。系统选用4种电阻(10、100、1k和10k)作为源电阻组件，3个继电器开关控制着3个电阻的接入，以改变源电阻的大小，如图6所示。

以继电器1为例，继电器往下闭合，会使10k电阻接入电路；继电器往上闭合，10k电阻不接入电路。继电器开关的控制信号与USB-6211的数字输出控制端相连。通过给控制端送入不同的信号，可得到不同阻值的源电阻。这种方案通过改变电阻的方式来合理分配电压，适配器可以将这些信号调理到平台的范围之内，满足平台的输入范围。

本发明提供的检测系统的工作原理是获取合适的测试激励，设定电路的激励信号参数，传感器或检测装置直接作用于无故障电路，并能按照一定规律将获取的信号转换成为同一种或者其它类型的数量值输出，通常为电信号，被测信号由传感器转换成相应的电信号，检测系统的硬件部分负责采集相关的原始数据，把数据进行调理、放大，然后把数据有效的输入到计算机里面，数据录入以后，就要由计算机对数据进行处理，为此预先要把改进的距离算法程序输入到计算机中，计算机是按程序的指示和要求对数据进行处理的，获得检测点的电压信号模型，利用阈值的确定方法，获得阈值，并以此作为无故障的距离判定标准，并获取电路正常情况下的瞬态响应信号作为时间序列参照，然后直接对可疑故障电路响应进行测量，激励信号要保持不变，获取电路可疑情况下的瞬态响应信号，由计算机按照预先设计的程序对两个信号模型进行计算，获得距离，将与阈值进行比较，若，则认为电路处于故障状态，反之，则电路正常。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取一个无故障电路模型，作为应用对象；

S2、测试信号生成模块生产的激励信号经过检测模块施加到步骤S1的应用对象上的两个不同节点，获得两个不同节点的电路响应信号；

S3、通过响应信号特征提取模块分别采集步骤S2获得的两个不同节点电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值构成信号特征曲线，即获得离散时间的信号模型A和离散时间的信号模型B；

S4、根据步骤S3获得的信号模型A和信号模型B中的点与点的匹配方式，构造一条连续路径K＝k₁，k₂…k_m，其中，线段k_i两端分别对应X、Y中的数据点，并定义一个映射函数f_i:(x,y)→K，将点对间关系映射到路径K中，然后求出具有最小距离的路径K′；

S5、根据步骤S4获得的路径K′，求出一系列的距离D_ij，选取其中最大的距离作为故障检测的阈值D_f，即D_f＝max{D_ij}；

S6、将与步骤S2相同的激励信号经过检测模块施加到待检测电路模型上，获得电路响应信号；

S7、采集步骤S6获得的电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值构成信号特征矢量，即获得离散时间的信号模型C；

S8、根据步骤S7获得的信号模型C和步骤S3获得的信号模型A中的点与点的匹配方式，构造一条连续路径N＝n₁，n₂…n_m，其中，线段n_i两端分别对应X、Y中的数据点，并定义一个映射函数f_i:(x,y)→N，将点对间关系映射到路径N中，然后求出具有最小距离的路径N’；

S9、根据步骤S8获得的路径N’，求出一系列的距离D，将距离D与步骤S5获得的阈值D_f进行比较，若D>D_f，则认为电路处于故障状态，反之，则电路正常。

2.如权利要求1所述的基于离散序列和非对称式距离电子设备故障检测方法，其特征在于，步骤S4中，所述路径K中的数据点按下列2个约束条件进行匹配：

(1)端点对齐，A序列的第一点a₁和B序列的第一点b₁对齐，最后点a_m和b_m对齐，即：

(2)单调性，路径沿时间轴方向单调前进，即：

3.一种电子设备故障检测系统，其特征在于，包括：

测试信号生成模块，用于根据外部输入的信号参数生成测试激励信号数据，并发送至检测模块；

响应信号特征提取模块，用于采集经模数转换器输出的被测电路的电路响应信号，并对获取的电路响应信号中的时间相等间隔的若干个响应瞬时值进行特征提取，获得特征曲线，并发送至显示模块和特征曲线相似度比较模块；

特征曲线相似度比较模块，用于将获取的响应信号特征提取模块的未知板曲线和无故障板曲线进行相似度对比，判断待测板是否在容差允许范围内；

检测模块，用于获取测试信号生成模块生成的激励信号，将获取的激励信号作用于被测电路上，并转换成被测电路的电路响应信号后输出；

模数转换器，用于将检测模块获取的电路响应信号进行模数转换后发送至响应信号特征提取模块；

适配器，用于对源电阻和被测器件的阻抗进行匹配，均衡电压的分配，使响应信号特征提取模块获取的信号曲线便于后续的比较；

显示模块，用于显示响应信号特征提取模块获得的特征曲线。

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