基于FPGA的便携式VI曲线航空设备电路测试装置设计方案

引言

随着晶体管和集成电路技术的不断发展，航空电子设备的电路板集成度越来越高，因此对其进行状态监测和故障诊断的难度也越来越大。特别是在缺乏电路原理图及相关资料的情况下，要完成其健康状态监测与故障诊断更是难上加难，给航空维修单位带来了很大的压力。VI（Voltage-Intensity）曲线测试是一种不加电的故障诊断技术，通过在线路节点之间注入一定幅度和频率的周期信号，在显示坐标上形成一条电流随电压变化的关系曲线，即VI曲线。VI曲线的形状由被测节点之间的特性阻抗决定，通过比较好坏电路板（器件）上相同节点之间的VI曲线，可以发现特性阻抗发生改变的节点，从而确定故障器件。

目前，对便携式VI曲线航空设备电路板测试装置的研究较少，不能满足外场环境下的应急测试需求。因此，本文提出了一种放置于手提式机箱中的便携式VI曲线电路板测试装置的设计方案，以FPGA为主控器件设计测试板件，并通过USB接口将数据传输给上位机进行数据处理和图像绘制。

设计方案

1. 总体架构

整个测试装置由以下几个部分组成：

• 测试板件：以FPGA为主控器件，负责生成激励信号、采集电流信号，并通过USB接口将数据传送给上位机。

• 上位机：采用迷你工控机，负责接收电压电流数据，进行数据处理，并在显示屏上实时绘制VI曲线。

• 手提式机箱：用于装载测试板件和上位机，便于携带和使用。

2. 主控芯片选型及其作用

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种用户可编程的逻辑芯片，其内部包含大量的逻辑门、寄存器和IO资源，通过编程可以实现复杂的数字电路功能。FPGA具有灵活性高、可重编程、并行处理能力强等优点，非常适合用于信号处理、数据采集和控制系统。

2.1 主控芯片型号

北京微电子技术研究所提供的7系列FPGA为核心的宇航电子产品，在可靠性、安全性与兼容性方面取得了突破，非常适合用于航空设备的测试装置。具体型号可以选用BQVR、BQR2V、BQR5V、BQR7V、BQR7K等系列FPGA，这些型号的FPGA具有高性能、高可靠性、高安全性等特点，可以满足航空设备测试装置对大规模、高性能、高可靠、高安全FPGA应用需求。

2.2 在设计中的作用

1. 生成激励信号：FPGA通过编程可以生成多种类型、多种频率和幅度的激励信号，用于注入到被测电路板节点之间，从而获取电流随电压变化的关系曲线。

2. 采集电流信号：FPGA通过内部集成的ADC（Analog-to-Digital Converter）模块，可以采集被测电路板在各种激励信号下的电流信号，并将其转换为数字信号进行后续处理。

3. 数据传输：FPGA通过USB接口将采集到的电压电流数据传送给上位机，实现数据的实时传输和处理。

4. 并行处理：FPGA具有强大的并行处理能力，可以在短时间内完成大量数据的采集和处理，从而提高测试效率和准确性。

3. 激励信号生成模块

激励信号生成模块是测试装置的核心部分之一，用于生成各种类型的激励信号。激励信号的类型、频率和幅度可以根据被测电路板的特点和测试需求进行调整。

3.1 激励信号类型

激励信号类型包括正弦波、方波、三角波等，可以根据被测电路板的特点和测试需求进行选择。正弦波信号具有平滑的波形和稳定的频率，适用于大多数电路板的测试；方波信号具有陡峭的上升沿和下降沿，适用于需要快速响应的测试；三角波信号则具有线性变化的特性，适用于需要测量线性关系的测试。

3.2 激励信号频率和幅度

激励信号的频率和幅度可以根据被测电路板的特点和测试需求进行调整。频率范围可以从几赫兹到几百千赫兹，幅度范围可以从几毫伏到几伏。通过调整激励信号的频率和幅度，可以获取不同条件下的VI曲线，从而更全面地了解被测电路板的状态。

3.3 激励信号生成方式

激励信号生成方式可以通过FPGA内部集成的DAC（Digital-to-Analog Converter）模块实现。FPGA通过编程控制DAC模块的输出电压，从而生成所需的激励信号。此外，还可以通过外部信号源生成激励信号，并将其输入到FPGA进行采集和处理。

4. 电流信号采集模块

电流信号采集模块用于采集被测电路板在各种激励信号下的电流信号，并将其转换为数字信号进行后续处理。

4.1 电流信号采集方式

电流信号采集方式可以通过FPGA内部集成的ADC模块实现。FPGA通过编程控制ADC模块的输入通道和采样率，从而采集所需的电流信号。此外，还可以通过外部电流传感器将电流信号转换为电压信号，并将其输入到FPGA进行采集和处理。

4.2 电流信号采集精度

电流信号采集精度是测试装置的重要性能指标之一。通过选用高精度ADC模块和电流传感器，可以提高电流信号的采集精度。同时，还可以通过优化FPGA的采样算法和滤波算法，进一步提高电流信号的采集精度和抗干扰能力。

5. 数据传输模块

数据传输模块用于将采集到的电压电流数据从FPGA传输到上位机进行数据处理和图像绘制。

5.1 数据传输接口

数据传输接口采用USB接口，具有传输速度快、可靠性高、易于连接等优点。FPGA通过USB接口将采集到的电压电流数据实时传输给上位机，实现数据的实时处理和显示。

5.2 数据传输协议

数据传输协议可以采用自定义协议或标准协议。自定义协议可以根据测试装置的特点和需求进行设计，具有灵活性高、传输效率高等优点；标准协议则具有通用性强、易于实现等优点。在选择数据传输协议时，需要综合考虑测试装置的特点、数据传输速度和可靠性等因素。

6. 数据处理与图像绘制模块

数据处理与图像绘制模块用于接收上位机传来的电压电流数据，进行数据处理和图像绘制。

6.1 数据处理

数据处理包括数据滤波、数据校准和数据转换等步骤。通过数据滤波可以去除噪声和干扰信号，提高数据的准确性和可靠性；通过数据校准可以将采集到的电压电流数据转换为实际的电压电流值；通过数据转换可以将电压电流数据转换为所需的格式和单位。

6.2 图像绘制

图像绘制采用上位机的显示屏进行实时绘制。通过绘制以电压为横坐标、电流为纵坐标的VI曲线图，可以直观地显示被测电路板在不同激励信号下的电流随电压变化的关系。同时，还可以通过比较不同电路板或不同测试条件下的VI曲线图，发现被测电路板的状态变化和故障情况。

7. 装置外观与便携性设计

测试装置需要具备良好的外观设计和便携性，以便于携带和使用。

7.1 外观设计

外观设计可以采用简洁明了的风格，通过合理的布局和颜色搭配，提高装置的美观性和易操作性。同时，还可以采用防震、防尘等措施，提高装置的可靠性和耐用性。

7.2 便携性设计

便携性设计可以通过采用手提式机箱、轻量化材料等措施实现。手提式机箱可以方便地携带和存放测试装置；轻量化材料可以减轻装置的重量，提高便携性。此外，还可以通过优化内部结构设计和布线方式，进一步提高装置的紧凑性和便携性。

结论

本文提出了一种基于FPGA的便携式VI曲线航空设备电路板测试装置的设计方案。该装置以FPGA为主控器件，通过生成激励信号、采集电流信号、数据传输、数据处理和图像绘制等步骤，实现了对被测电路板的状态监测和故障诊断。通过选用高性能、高可靠性、高安全性的FPGA型号，以及优化各个模块的设计和实现方式，提高了测试装置的准确性和可靠性。同时，通过良好的外观设计和便携性设计，提高了装置的易用性和便携性。该装置可以广泛应用于航空设备的电路板测试与故障诊断领域，为航空维修单位提供有力的技术支持和保障。