一種通信設備故障自動診斷系統的設計和實現＊

徐志軍 李 淵

（1.海司信息化部 北京 100841）（2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

高科技的廣泛應用，使通信設備愈來愈具備完備的功能，同時結構也日趨復雜，其故障特征、診斷方式和診斷要求都在發生變化，更換功能板策略受著經濟因素的制約，隨著通信設備的更新換代備用板可能尚未使用就已過時，所以實現通信設備故障的快速自動診斷定位是現場維修保障的重要課題。

通信設備故障自動診斷系統的研制目的是及時解決該設備的維修保障問題，以滿足部隊對其迅速、準確、及時排除故障的要求，保證部隊通信可靠不中斷。為此，系統應具備以下功能：

1）整機診斷功能。為故障自動診斷系統的主要功能，在系統診斷軟件的控制之下，通過檢測電纜提供給整機檢測所需的控制信號和相關的數據信號，通過檢測探頭采集必要的數據，如電壓、阻抗、頻率甚至波形信號，然后在系統軟件的控制下進行故障的分析診斷，將故障初步壓縮至某一部件板。

2）單板檢測功能。在整機檢測將故障分析至部件板之后，將該部件板脫離原設備，插入檢測系統的單板檢測接口進行檢測。將測量得到的信號與數據庫中的標準信號作比較和分析，以此判斷部件板的故障情況。

3）人機交互功能。系統能夠提供操作幫助，指導操作員完成檢測診斷過程。

4）數據管理與維護功能。能對該設備基本信息、故障信息、維護記錄等數據進行有效管理和維護。

2 總體方案

圖1 系統功能結構圖

系統的功能結構如圖1所示。根據要求，系統可以完成整機和單板的檢測，系統對整機測量控制是通過探頭接觸來實現的，而對電路板測量控制是通過專用接口來實現。測量時，通過寬帶可控信號源模塊為整機或單板提供必要的信號驅動。測量所采集的原始數據以一定的數據格式發送到故障自動診斷軟件模塊，完成故障自動診斷。

各模塊所完成的功能如下：

1）數據采集與測量模塊。主要任務是測量、采集整機和單板各種信號數據。由于某通信設備具有模塊化結構，結構緊湊，剩余空間小，所以整機數據采集傳感電路和電路級數據采集傳感電路采用探頭式設計。而單板的檢測采用的是插入式，數據采集主要通過交換矩陣自動從接口電路采集相應信號。采集的信號包括電壓、阻抗、頻率、波形等數據。

2）接口模塊。接口模塊主要任務是提供單板工作的母環境。被測部件板種類多、電氣參數不同，接口模塊起到檢測系統和部件板間連 接線控制的作用，在檢測不同部件板時實現信號復用。

3）寬帶可控信號源模塊。整機的檢測和各種部件板的檢測都離不開輸入信號驅動，由于各種部件板沒有統一標準，信號需求差別較大，為了滿足所有部件板對信號的需求，對各個部件板輸入信號進行了分析。根據對信號的分析歸納結果，寬帶可控信號源模塊至少要提供一路1獨立信號用于激勵器；兩路頻率覆蓋范圍達到50kHz～80MHz的信號，50Ω阻抗匹配時輸出幅度在0～－31.5dBm可調。

4）故障自動診斷軟件模塊。主要完成故障自動診斷過程，包括故障自動診斷分析、故障自動診斷指導、故障自動診斷結果等功能。系統綜合考慮了在該設備故障自動檢測時數據采集電路的通用性和故障自動診斷程序的專用性，將設計生產、使用維修、設備教學等部門的經驗集中起來，組成故障自動診斷知識庫并由推理程序實現具體的診斷過程，同時應具備自學習功能，及時更新知識庫。

圖2 系統結構

根據系統功能模塊劃分，所設計的系統結構如圖2所示。系統硬件主要完成寬帶可控信號源模塊、單板接口、數據測量及數據采集。系統軟件主要完成故障自動診斷實現，以及人機界面和信息系統管理。

故障自動診斷的控制由軟件實現，軟件完成最佳的測試流程（測試策略）選擇，然后采用人機結合方式，提示維修人員測試電路節點在發射機某種工作狀態下的電氣參數數據（如電壓、頻率、波形等），這時硬件通過測量接口測量該點的電氣數據，并由數據采集接口送入微機中和已存貯的正常數據進行比較，判斷出故障所在部件。由于該通信設備模擬、數字電路混合，模擬電路工作頻率高、動態范圍大，尤其是功率放大部分，功率大、電壓高、頻率寬，所以還必須對測試數據進行預處理。

3 系統設計

3.1 硬件設計

系統的硬件主要完成數據采集和信號產生功能，系統通過硬件采集設備數據，硬件還提供了單板工作母環境的接口，同時通過該接口測量單板參數，還可以產生該設備主機及單板測試所需信號。

系統硬件組成結構如圖3所示。系統硬件由控制模塊和測量模塊組成。控制模塊由嵌入式微處理器控制電路、USB接口、轉換矩陣、交換單元等部件組成。測量模塊包含多功能自動測量模塊、數字頻率自動測量模塊、虛擬示波器、數字功率計、單元接口電路及邏輯檢測、寬帶可控信號源模塊等部分，系統各成分作用如下。

1）嵌入式微處理器控制電路。整個測量系統的初始化、探頭的內部切換、寬帶可控信號源模塊的頻率和幅度控制、發射機檢測信號調理控制等都在嵌入式ARM處理器控制下工作。

圖3 硬件結構框圖

2）多功能自動測量模塊。本系統主要測試工具之一，它可以完成電壓阻抗自動測量功能，且提供了與計算機通信的接口。

3）數字頻率自動測量模塊。用于對信號頻率的高精度測量。

4）數字虛擬示波器。本系統主要測試工具之一，用于高頻信號波形檢測和信號譜分析，通過高速USB口與計算機通信。

5）數字功率計。為發射機的發射功率測量提供通過式通道。

6）單元接口電路及邏輯檢測。分析發射機單元模塊控制電路邏輯關系。

7）寬帶可控信號源模塊。采用頻率合成技術產生必要的標準信號。

8）USB接口。完成計算機對各部件的控制信號轉接。9）電源。提供整個系統的電源。

3.2 軟件設計

根據總體分析，系統軟件所完成的任務是接收系統硬件部分所采集、測量的相關信號與數據，并將相關數據進行標準化處理；然后進行故障分析，輸出故障分析結果，并進一步提示用戶下一步操作，指導用戶完成故障自動診斷，故障自動診斷可最終精確到元器件。

圖4 系統軟件結構圖

軟件總體結構如圖4所示，主要由四個部分組成：

1）故障自動診斷是軟件的核心功能模塊，主要由整機診斷和單元診斷兩部分組成，完成整機診斷和單元診斷功能。當整機診斷將故障定位至某模塊，進一步再確定到某一單元（單板）后，系統應自動轉入單元診斷模塊進行進一步診斷。診斷模塊還具備故障自動診斷指導功能，指導操作員更換備件，完成故障自動診斷過程。

2）設備管理完成軟件對硬件的控制。主要包括兩項任務：一是設備初始化，完成硬件使能、硬件設備自檢和參數設置；二是設備控制，可啟用的儀器包括多功能自動測量模塊、數字頻率自動測量模塊、數字功率計、虛擬示波器等。

3）信息管理完成對設備信息、故障信息、維修信息的維護與管理，包括對相關數據表的增、刪、改、查等操作。

4）系統管理完成系統的登錄、退出、用戶管理、數據庫備份與還原等功能。

4 系統實現

通信設備故障自動診斷的實現是通過不斷的人機交互來完成的。診斷過程中，系統隨時提示用戶觀測發射機狀態及參數，知道用戶正確觀測方法，若有需要，操作員可以調看相關結構框圖、原理圖、實物圖、操作演示錄像來確保正確操作。每一步驟診斷結束后，系統會提示用戶全部可能故障，提供用戶進行假設驗證，并記錄用戶行為，全部診斷結束后，系統會給出用戶故障原因，故障解決方案，并顯示整個故障自動診斷過程，供用戶復查。故障自動診斷實現步驟如下。

第一步，根據系統要求，操作員輸入整機可觀察參數值，即射頻輸出指示和反射功率指示等信息，系統開始診斷過程，根據參數表內容，判斷是否存在故障現象，若存在故障現象，則與規則表內容進行匹配，列出所有可能的故障模塊，提示用戶進行模塊選擇。

第二步，操作員根據經驗或隨機選擇故障假設，系統根據用戶選擇，根據故障表和節點表內容，提示用戶對相關節點進行測量，若測量值正常，則拒絕假設，將本次測量模塊從可能故障模塊中刪除，提示用戶進行下一個假設，重復第二步。若測量值不正常，系統進一步根據節點關系表判斷是否有其他模塊的輸入會影響到本模塊的輸出，如果有，提示操作員測量相關節點參數。若相關節點參數不正常，可拒絕本次假設，將本次測量模塊從可能故障模塊中刪除，同時將相關節點所在模塊添加到可能故障模塊列表，再重復第二步。若相關節點參數正常，則接受假設，判定故障發生在本模塊。再根據規則類型，判斷是否是終點規則，若為終點規則，故障自動診斷到此結束，否則進行下一步。第三步，確定故障模塊后，采用與第二步類似的方法將故障范圍縮小到模塊中的某一單元，若有需要，再進行下一步單元測試。

第四步，將故障單元拆卸，插入系統單元檢測接口，系統自動測量相關單元參數值，若有需要，系統提示操作員測量某節點參數值，根據這些參數值進行故障判斷。采用與第二步相同的推理策略，不斷縮小可能故障原因范圍，直到抵達終點，將故障定位到某元件，或拒絕所有假設。

5 結語

通信設備故障自動診斷系統以解決該設備維修的實際需要為主研思想，綜合運用數字信號處理技術、微處理器技術、USB總線技術、Windows環境下的通信編程技術、數據庫編程技術等先進技術進行研制。系統樣機測試和應用試驗結果表明，系統性能指標達到預期要求，能保證該設備的故障自動診斷速度和準確度。

系統電路設計先進、功能完善、自動化、智能化程度高，界面友好、故障顯示清楚、使用操作方便。在日常的電子設備保養和現場搶修中一機多用，方便快捷，可使通信設備保持在一個較高的完好率，保障了設備使用中的連續性。

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