基于BIT的挖掘機液壓系統測試系統研究

丁劍，張琦，徐宙，袁博

（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京 210007）

0 引言

工程機械是我軍工程兵部（分）隊實施工程保障的重要裝備之一，是我軍武器裝備的重要組成部分。平時廣泛用于市政工程、水利工程、搶險救災、反恐、維和等，戰時主要用于構筑軍路、機場、碼頭、指揮所、防御工事等，擔負遂行戰斗工程保障任務，其發展水平直接影響著軍隊工程保障能力。

隨著現代技術的發展，工程機械裝備的可靠性、維修性都有了相當程度的提高，對工程機械的實時狀態監測、故障檢測及診斷水平也提出了更高的要求。因此，測試性逐漸受到研究者的重視，測試性設計已經成為了工程機械設計中的一個重要內容。而機內測試（BIT）作為測試性設計的重要組成部分，作為一種重要的系統故障檢測方法，是提高裝備測試性水平的有效途徑。

1 BIT技術

機內測試（BIT）即系統或設備內部提供的檢測和隔離故障的自動測試能力，代表了一種新的“可測試性設計”概念。它要求在系統和設備設計的開始就同時考慮系統的測試問題，并同時進行系統的可測試性設計。機內測試通過良好的結構化和層次性設計，對測試單元、可置換組件和系統等各級故障實現故障檢測隔離自動化，大量減少了維修資料、通用測試設備、備件補給庫以及維修人員數量，從而降低產品全周期費用［1］。

機內測試是指系統和設備依靠自身的電路和程序，對自身的狀態進行檢測和監控，并對故障進行檢測和隔離。具有這種功能的設備叫做機內測試設備（built-in-test-equipment，BITE）。BIT在國內的翻譯還有機內自檢測、機內自測試、機內自檢等。下面是美軍MIL-STD-1309C對BIT 的定義［2］:

定義1:BIT就是系統、設備內部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力;

定義2:BIT的含義是系統主裝備不用外部測試設備就能完成對系統、分系統或設備的功能檢查、故障診斷與隔離以及性能測試，它是聯機檢測技術的新發展。

2 研究的方案

2.1 BIT測試系統總體設計

復雜系統的BIT設計一般采用分層集成式的系統結構。系統由元件級BIT，分系統級BIT，系統級BIT和外部測試設備自上而下，遞階而成。元件級BIT主要指設計于元件內部的自測試單元;分系統級主要由分系統級控制單元、信息處理單元、故障檢測單元和測試總線構成;系統級BIT主要由系統級控制單元、故障檢測隔離綜合分析單元、維修總線和智能診斷系統構成;外部測試設備主要進行綜合智能診斷、預測和決策。各級之間通過總線相連接。

分層集成組織結構的BIT，可以綜合利用下級BIT較強的信息獲取能力和上級BIT強大的信息處理能力，用來提高和改善BIT的性能。該組織結構既有利于實現橫向各BIT的并行測試，又便于實現縱向各級的測試復用，提高了測試效率，進而提高了測試性水平。其結構如圖1所示［3-4］:

圖1 分層集成式BIT系統結構

2.2 分系統級BIT設計

分系統BIT采用了單片機配合PSD加CPLD的結構組合，其主要包括數據采集模塊、檢測模塊、參數裝訂模塊機及信息處理模塊。與上層BIT及同級BIT之間采用總線通訊的形式傳遞測試數據、參數信息、控制信息等。其核心數字電路包括單片機、PSD，CPLD，A/D，D/A，輸入通道包括流量傳感器信號調理電路、壓力傳感器信號調理電路、溫度傳感器信號調理電路和開關量輸入信號調理電路，輸出通道包括開關量輸出和模擬量輸出驅動電路，由其結構如圖2所示，其主要實現如下功能:

1）BIT功能。加電BIT，周期BIT，維修BIT等功能;

2）存儲功能。將檢測到的故障信息進行存儲;

3）通信功能。將信息通過總線或串行端口傳遞給同級或上級BIT。

圖2 分系統級BIT功能結構

由于采用微控制器加可編程外圍器件PSD和復雜可編程邏輯陣列CPLD的設計方案，大大提高了系統集成度，減少自身的體積和質量，提高系統硬件的可靠性及靈活性。

2.3 通訊技術設計

控制線局部網（controller area network，CAN），屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，CAN的應用遍及從高速網絡到低成本的多線路網絡。

某型挖掘機液壓系統的BIT系統，采用分層集成式的設計理念，有大量的控制與測試信息傳遞。基于CAN總線分布式的控制與測試方案很好的解決了布線復雜、安裝空間緊缺等問題，提升了系統的可靠性。CAN總線將各個分系統級別的BIT測試模塊聯接起來構成測控網絡，完成復雜的控制以及故障診斷隔離決策的任務。其結構如圖3所示:

圖3 CAN總線結構

分系統級測試模塊設計考慮了可測試性、安全性以及總線連接方式，具備測試能力，包括元件級測試和分系統級測試，以及相應的測試激勵方案。這種設計將常規測試與控制功能分散到各個智能節點，每個節點具有自檢單元，按系統要求工作，并將實時檢測、診斷等系統狀態信息通過CAN總線發送給系統級測試處理器節點。系統級測試處理器產生測試激勵信號，通過CAN總線與其他分系統級BIT協作，完成系統的控制、測試、故障診斷、故障隔離、優化協調等工作。

3 關鍵技術

3.1 主要關鍵技術

該方案的關鍵技術主要包括以下幾個方面:數據采集單元、測試點的優化、檢測隔離診斷技術、外部測試設備等。

1）數據采集單元。由于受到被測對象體積和質量的限制，BIT及其自診斷技術必須解決數據采集系統的小型化，以及多通道高精度的A/D和D/A變換等關鍵技術。

2）測試點的優化。測試點是故障檢測及隔離的基礎，測試點選擇的好壞直接影響到被測系統測試性的水平。測試點的選擇原則是測點要能保證使BIT故障檢測率和隔離率最優。測試點是測量系統或設備狀態信息或特征量的位置。合理的確定測試點，既可以提高故障檢測能力，減少故障檢測及隔離時間，也可以降低對測試設備的要求。

3）檢測隔離診斷技術。軟件BIT的實現主要是將診斷算法內嵌在BITE處理芯片中，采集到的數據不是傳到外部設備診斷，而是由BIT自身來實現診斷。因此，為完成內裝自診斷，必須解決故障知識庫和故障字典建立等關鍵技術。

4）外部測試設備。外部測試設備與BIT測試系統相結合，使得測試系統能夠在短時間內處理大量信息，提高BIT覆蓋率，使故障檢測隔離更加準確、迅速。外部測試設備的設計必須解決，接口通訊問題的解決和軟件的設計等關鍵技術。

3.2 關鍵技術的解決途徑

關鍵技術的解決途徑如下:

1）充分利用總線終端微處理器，通過邏輯程序控制采集單元的信號采集與處理。這樣就不需要對各單機部件增加太多的硬件電路，只需增強軟件的功能以達到采集單元的小型化。

2）選用INTEL公司16位單片機，利用80C196KB自帶的10位A/D轉換器和PWM輸出，實現高精度A/D轉換。其實現框圖4如圖所示:

圖4 高精度A/D轉化流程

3）對于測試點的優選，首先對某型挖掘機液壓系統進行故障模式與影響分析（FMEA），分析表格中詳細列出故障現象、故障影響、檢測方法等屬性。然后對液壓系統的測試點進行初選，并建立故障與測試的相關性矩陣。最后，利用自適應免疫遺傳算法，以故障檢測率、故障隔離率為約束，以全壽命周期費用為優化目標，對初選測試點進行優化。

4）在自診斷過程中，BIT系統對系統各個部分進行監測，主要運用3種BIT模式，即加電BIT，周期BIT，維修BIT，其中周期BIT的流程如圖5所示。通過3種模式BIT的綜合運用，有效監測系統運行狀況。具體診斷方法可采用基于故障字典的方法，收集測試設備測試中故障狀態的信息和定位方法，并對數據進行分類加工，提取故障模式和識別方法，通過理論分析和設定故障的仿真，建立一套從系統到單機的故障信息庫和故障字典;建立故障判斷和推理機制;基于所設計的故障判斷和推理機制，通過BIT單元獲取測試信號中的故障特征，在故障字典中進行匹配搜索，從而確定故障位置和故障原因。

5）外部測試設備可以選擇使用安裝虛擬儀器的便攜式PC機，通過總線適配器實現與系統的鏈接。其虛擬儀器軟件基于LabView環境編寫，主要由工況狀態監測、故障診斷專家系統和數據管理等幾個功能模塊組成。PC是整個BIT檢測系統的外部信息處理中心，對采集信息的輸出信號進行智能化分析與運算，包括數據線性化和溫度補償、傅里葉分析、自檢、自校準等復雜的操作，并將來自多個傳感器的數據信息進行融合處理，通過人機界面，系統設置、信號預處理、故障特征提取和智能推理，實現某型挖掘機液壓系統的進一步故障診斷隔離以及決策。

圖5 周期BIT實現流程

4 結語

組建基于BIT技術的某型挖掘機測試系統總體方案充分利用現有測試設備的固有資源，在盡可能少的附加硬件和軟件基礎上，以最少的費用使系統達到測試性設計的指標，滿足規定的測試性要求，提高了設備的測試性水平，為BIT技術在工程裝備測試中的應用奠定良好的基礎，并為將來智能BIT技術的使用提供支持，提高工程裝備的信息化水平。

［1］田仲，石君友.系統測試性設計分析與驗證［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［2］Cao PB，Xiao R B.Assembly planning using a novel immune approach［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technolo gy，2007，31（7）:770-778.

［3］溫熙森，徐永成，易曉山.智能理論在BIT設計與故障診斷中的應用［J］.國防科技大學學報，1999，21（1）:97-101.

［4］Scinvivas M，Patnaik L M.Adaptive probabilities of Crossover and Mutation in Genetic Algorithms［J］.IEEE Trams SMC，1994，24（4）:656-666.