基于PCI采集卡的某制導電子箱檢測系統(tǒng)設計

摘要：針對某制導電子箱的檢測需求，開發(fā)了基于PCI采集卡的自動檢測系統(tǒng)。介紹了基于M系列PCI采集卡以及信號調理等單元電路的硬件設計，應用虛擬儀器技術在VC++平臺中完成數據采集卡操作程序和系統(tǒng)測試軟件的設計，應用專家系統(tǒng)故障診斷、ADO數據庫技術完成智能故障診斷系統(tǒng)設計。經實驗測試表明，系統(tǒng)實現了模塊化高效智能的自動測試與故障診斷任務，具有開發(fā)周期短、穩(wěn)定可靠等特點。

關鍵詞：PCI采集卡；自動測試系統(tǒng)；虛擬儀器；專家系統(tǒng)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.014

引言

提高武器裝備的狀態(tài)監(jiān)控、性能檢測和故障診斷水平，已經成為目前技術保障部門急需解決的問題。由于PC軟硬件技術相對成熟，其可靠性、精度、性價比都非常好，目前的PC主板主要是PCI插槽，PCI總線是最快的計算機局部總線標準之一，它具有支持線性突發(fā)傳輸、極小的存取延遲、獨立于處理器工作、兼容性強等優(yōu)點[1-2]。根據某型導彈制導電子箱的檢測需求，針對傳統(tǒng)的檢測維護手段通用性差、自動化程度低等缺陷，以NI公司的PCI采集卡為硬件基礎，應用虛擬儀器、故障診斷、數據庫等技術開發(fā)制導電子箱檢測與故障診斷系統(tǒng)，實現多種激勵信號的產生、多路信號的采集與處理以及系統(tǒng)故障診斷功能。

硬件系統(tǒng)總體設計

基于模塊化、標準化、可靠性高、維修性強和使用性好的基本設計思想，開展系統(tǒng)的全局設計[3]。

檢測儀結構設計采用便攜式、一體化設計，將可編程電源、工控主板、數據采集卡等模塊全部安裝到便攜式機箱內，并考慮了電源散熱和硬盤避震的問題。采用PCI總線方式，整個設備由機箱、工控計算機單元、PCI數據采集卡和模擬輸出控制卡、程控電源、點火電路以及調理電路組成，如圖1所示。工控機作為系統(tǒng)的指揮中心，控制PCI板卡按照一定時序實現電源輸出、發(fā)射諸元輸出以及檢測信號的采集，自動完成所有信號的檢測、存儲、分析及報表生成。

在硬件接口上考慮多種保護和隔離措施，防止損壞電子箱及檢測儀，主要手段是相關接口部分增加必要的保護電路（如：限流保護、過壓保護等）。

自動測試系統(tǒng)要可靠地完成自動測試任務，首先必須保證其自身正確可信，因此在自動測試系統(tǒng)設計過程中，需要考慮其本身狀態(tài)的檢查問題，系統(tǒng)自檢包括輸出電源自檢（通斷、正、負、正常幅值控制）、板卡自檢以及信號通道自檢[4]。

系統(tǒng)設計實現

程控電源

由于檢測儀需要給制導電子箱提供不同數值的穩(wěn)壓電源，所以采用定制的程控直流開關電源，穩(wěn)定可靠、控制簡單、精度高。通過PCI-6259控制繼電器來控制接入電源控制端的不同電阻值來控制電源輸出電壓，如圖2所示。

電源輸出電壓同時反饋到M系列板卡的輸入端，通過PCI-6259采集卡進行采集，實時監(jiān)控程控電壓輸出情況。同時也對電源工作電流進行監(jiān)控，一旦大電流（≥2.8A）持續(xù)時間超過200ms，切斷電源，報警，并給出報警數據。

輸入激勵信號的實現

M系列多功能采集卡PCI-6259有48路DIO，可以輸出輸入TTL電平的開關量，其中32路時鐘關聯DIO（時鐘1MHz）可以實現數字脈沖或開關量信號的輸出；同時它還具有4路16位精度的模擬輸出，可以根據軟件設定，生成任意形狀、頻率的波形，輸出為雙極性-10V～+10V，滿量程時絕對精度3.23mV。

信號采集

采集前需要對信號進行調理，模擬信號通過分壓方式進行信號比例衰減，使信號電壓符合采集電壓范圍要求。數字信號通過電平轉換芯片變換信號特征使得數字信號符合設計要求，設計中采用MAX1488芯片來完成，如圖3所示。

根據需求可以分為以下幾類信號進行采集：

（1）周期信號采集：周期信號的周期采用PCI記時/計數器卡測量。非TL/CMOS電平信號需經過電平轉換、衰減處理后，接記時/計數器卡。高速信號的幅值采用PCI數字化儀檢測。

（2）點火信號、點火電流采集：點火信號脈寬要求為50ms±3ms，實際采集時可以按照≥20kS/s的采樣速率進行采集，誤差精度為0.6ms。

（3）波特率SK和串行碼SD信號的采集：SK、SD信號波形采用M系列采集卡AI通道采集，采樣速率≥10kS/ s，在軟件中進行處理分析。

（4）電源直流信號采集：26V工作電源電壓、產品二次電源+5V、±15V等直流信號經過衰減調理后采用M系列采集卡的AI通道進行采集，采樣速率100kS/s。

（5）電源紋波檢測：二次電源的紋波檢測采用M系列采集卡采集電源信號后，測量信號的峰峰值得到。

信號的測試

（1）信號時序測試：系統(tǒng)中信號到來時刻的測量，采用同一計時/計數器作為時鐘，信號到來時刻讀出該計時/計數器的時間即可。

（2）負載電路測試：制導電子箱的負載均為大功率電阻和組合邏輯芯片，需要根據需求將其接入測試電路中。以點火負載為例，通過對負載電阻兩端電壓的采集，完成點火電流的測試。如圖4所示，通過PCI-6259產生控制信號控制繼電器來控制點火電阻的通斷，通過M系列采集卡采集點火電阻兩端電壓得出點火電流。

（3）電壓、電流信號的測試：通過M系列采集板采集，通過PCI總線接口傳輸到工控機完成測量。

系統(tǒng)軟件設計

采用虛擬儀器技術的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)，大都采用LabVIEW作為軟件的開發(fā)環(huán)境[5]。雖然LabVIEW具有獨特方便的圖形化編程方式口，但它在底層模型的編寫、Windows API（應用編程接口）操作等方面不夠靈活，且軟件的封裝性不好。考慮到這些因素以及后續(xù)故障診斷的開發(fā)，本系統(tǒng)使用面向對象的Visual C++6.0來進行軟件開發(fā)[6-7]。軟件部分包括數據采集卡操作程序、系統(tǒng)測試軟件和故障診斷系統(tǒng)。

測控軟件設計

M系列PCI數據采集卡具有完善的設備驅動軟件（Advantech DLL drivers 動態(tài)鏈接庫），可在Windows標準開發(fā)環(huán)境下安裝使用。用戶可在VC++中，通過調用動態(tài)鏈接庫中的庫函數，方便地實現對PCI數據采集卡的底層控制。測試系統(tǒng)軟件組成如圖5所示。

（1）主控子系統(tǒng)：主控子系統(tǒng)主要起調度和信息傳遞的作用，因此必須建立消息循環(huán)機制，以及和操作員的聯系通道。

（2）系統(tǒng)自檢校準子系統(tǒng)：系統(tǒng)啟動后，首先自動運行自檢程序，對系統(tǒng)的主控制器（計算機）、PCI硬件模塊、調理模塊進行基本功能檢測，給出測試結果。若某個模塊出現故障，自動給出發(fā)生故障的模塊信號和代碼，提示用戶進行必要的檢查和維修。

（3）系統(tǒng)初始化子系統(tǒng)：系統(tǒng)自檢完成并工作正常后運行系統(tǒng)初始化軟件，完成各個部分的初始參數、對各測試判斷標準進行設置，使系統(tǒng)的各個部分進入準備工作狀態(tài)。

（4）數據采集子系統(tǒng)：主要完成對采集模塊的初始化、參數配置等工作，并負責有效地采集數據及流盤。

（5）輸出控制子系統(tǒng)：控制數據采集卡、可編程直流電源為被測系統(tǒng)提供正常工作電壓、開關控制信號、信號源等。

（6）數據管理系統(tǒng)：根據用戶要求，按照一定名稱、時序、特定文件格式對測試所得數據進行保存和管理。

（6）數據分析子程序：可將保存在硬盤中的采集數據及波形回放，進行后續(xù)分析、對比、處理。

（8）報告生成子系統(tǒng)：每項測試完成之后，按照用戶給定的報告內容和格式自動生成結果報告，實現全自動化的測試與測量過程。

（8）用戶信息管理子系統(tǒng)：對用戶信息進行管理。用戶管理功能包括用戶登陸、創(chuàng)建用戶、修改密碼、刪除用戶。

制導電子箱的檢測采用分系統(tǒng)測試，分為設備自檢、系統(tǒng)自檢、檢測維修測試、發(fā)射測試、電路板測試，不同的測試項目需要對應的設置和不同的激勵信號，完成測試后，如果有不正常數據則進入故障診斷系統(tǒng)，進行故障定位，并給出維修建議。

故障診斷系統(tǒng)設計

故障診斷系統(tǒng)采用基于知識的專家系統(tǒng)，它集中了制導電子箱的可能故障現象和故障原因，通過推理確定出故障所在位置及可能原因，該系統(tǒng)獨立于測試程序并嵌入到測試程序中的應用程序。

診斷系統(tǒng)主要由知識庫、知識獲取、推理機、知識庫管理系統(tǒng)、解釋機制、人機接口模塊組成，如圖6所示[8]。系統(tǒng)采用Visual C++ 6.0完成故障診斷系統(tǒng)人機界面和整體控制程序的設計，采用ACCESS 2003建立知識庫，通過ADO數據庫技術進行知識管理與維護。

知識的表示是專家系統(tǒng)的核心問題之一，根據制導電子箱故障特點，為了方便推理，采用帶可信度因子的產生式規(guī)則的表示法，該方法可以有效地表達啟發(fā)式知識、經驗知識[9]。形式如下：

IF A THEN B with CF （R）

其中A為規(guī)則前提，B為結論，CF為可信度。這種方式對一個故障現象對應有多個互相獨立的故障結論的推理起來很方便。

知識庫設計與管理也是專家系統(tǒng)核心部分，本系統(tǒng)將數據庫與知識庫統(tǒng)一設計，采用ACCESS數據表來存儲知識，利用ADO（ActiveX Data Object）技術來管理知識的存儲、編輯、刪改、更新查詢和安全保護等工作，靈活運用SQL語句和ADO三個核心對象可以方便地實現知識庫的維護與擴充[7]。

推理機采用事實驅動的正向推理方式，即從故障現象向故障原因推理得出故障結論[8]。系統(tǒng)讀取測試結果數據庫中的數據，通過比較選出不正常數據作為征兆事實并按一定的推理算法與知識庫中規(guī)則的前提條件進行匹配推理，若匹配成功，則將該規(guī)則的結論部分作為中間結果繼續(xù)與知識庫中的規(guī)進行匹配，直到得出最后的結論；若匹配不成功，則以交互方式引導檢測人員選擇相近的規(guī)則選項進行故障診斷，同時給出前述診斷推理過程，最后在得出故障結論的同時給出維修建議。

結論

應用PCI采集卡來開發(fā)便攜式檢測系統(tǒng)，它可直接與PC工控機連接，硬件設計較簡單；在工控機中應用虛擬儀器、專家系統(tǒng)故障診斷以及數據庫技術，在Visual C++開發(fā)平臺完成測控系統(tǒng)程序設計以及故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)，實現自動測試與智能故障診斷。經實驗測試表明，系統(tǒng)很好地實現了模塊化高效智能的自動測試任務，具有硬件配置靈活、通用性強、開發(fā)周期短、自動化程度高以及穩(wěn)定可靠等特點。

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