機電控制電路在線故障檢測系統研制

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(解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

Design of Online Fault Testing System of Mechanical Electrical System

SUN Yan，LI Pei，YANG Xiaoqiang

(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

機電控制電路在線故障檢測系統研制

孫琰，李沛，楊小強

(解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

DesignofOnlineFaultTestingSystemofMechanicalElectricalSystem

SUNYan，LIPei，YANGXiaoqiang

(PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China)

摘要：現代機電設備中包含了大量的機電控制電路及元件，對其故障的準確判斷非常困難。利用設計了一種電路控制板在線故障檢測系統，以實現對電子元器件的在線無損傷檢測。檢測系統主要由上位機和下位機構成，上位機負責用戶交互和信息管理等功能；下位機是檢測系統的核心組成，包括微控制器、CPLD控制電路、信號采集板與測試接口電路等，完成電控元器件和電路板的故障信號采集等功能。采用嵌入式技術和VHDL語言進行了硬件設計與軟件開發，通過改進測試向量算法提高了測試的速率和故障覆蓋率，實現了系統良好的人機交互和電路故障測試分析功能。

關鍵詞：電控系統；故障檢測；測試向量算法

中圖分類號：TN407

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)10-0034-04

收稿日期：2015-06-25

基金項目：江蘇省青年科研基金資助項目(BK2012061)

Abstract：There are lots of electronic control components and cards in modern mechatronic devices. It is much difficult to detect and diagnose various faults of the machine. An online nodestructive fault detection system is developed so as to fulfill the fault detection and maintenance. The fault detection system consists of master and slave chassis together with communication unit. The embedded technique and VHDL language are used in the development of its firmware and software platform. The improved testing vector algorithm is proposed to upgrade the detection speed and fault coverage rate. The results present better human-machine interface and fault detection analysis function. The application shows that the system is general-purposed and more reliable，and have good promotion application prospect.

作者簡介：孫琰(1990-)，女，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向為機械工程。

Keywords：electricalcontrolsystem，faultdetection，testingvectoralgorithm

0引言

隨著電子技術、計算機技術和機電一體化技術的發展，現代機械設備的智能化、信息化和自動化程度越來越高，設備中大量應用了微處理器、控制板、通訊模塊、數模轉換元件等電子控制單元，極大地提高了機械設備的使用效能。國內外在電控系統的在線診斷方面進行了一些研究工作，其中美國從上世紀70年代開始這方面的研究，麻省理工學院的Beard博士采用的解析冗余代替硬件冗余，再由系統自組織使系統閉環穩定，最終根據觀測器的輸出比較獲取系統故障信息，這一思想標志著電控系統在線故障檢測系統的誕生。國內這方面的研究始于80年代初，如清華大學自動化系從1983年就開始了相關的研究探索。經過30多年的發展，電控系統在線故障檢測技術已經得到了深入廣泛的研究，并有一些新方法的提出。但總體而言，大部分成果還停留在計算機仿真或實驗階段，真正成功地將其應用于實踐的實例仍屬少數。本文旨在探索開發一種通用、便捷、可靠的電路檢測技術和方法，綜合應用在線測試技術和計算機技術對電控系統板卡、元器件進行不焊離、少拆卸和無損傷檢測維修，以解決當前工程裝備電控設備電路維修難題。

1測試系統總體及硬件單元設計

1.1　測試系統總體技術方案

測試系統由上位機、下位機和通訊模塊組成。上位機控制下位機產生測試激勵施加給被測器件，并對下位機采集到的輸出信號數據進行分析處理；通訊模塊由PCI接口板、數據轉接器和電纜組成，實現上位機和下位機的通訊功能，測試信號通過測試夾傳輸給被測器件。

系統結構采用一體化箱體結構，集成度高，便于野戰條件下搬運和運輸，同時箱體結構還具有很強的抗震、抗沖擊功能，能有效保護系統內部電路不受損害。測試系統總體結構如圖1所示。

圖1　測試系統總體結構

1.2　測試系統硬件設計

上位機由工控機、顯示屏、觸摸屏、鍵盤組成，主要完成采集信號的分析處理；下位機包括主板控制電路、分板測試電路以及PCI總線電路，主要完成測試電源的控制輸出和測試信號的產生、施加、采集等。主板電路包含CPLD控制電路、電源繼電器控制電路和6個總線插槽。分板測試電路包括4塊數字功能測試板、1塊V-I模擬測試板和1塊繼電器開關控制板，依次安插在主板插槽上。測試系統面板設置電源輸出端口和測試信號輸出接口，測試信號通過專用的電纜施加給待測器件。

2測試系統軟件設計

測試系統的軟件開發包括下位機軟件開發和上位機軟件開發。

2.1　下位機軟件開發

下位機軟件模塊處于系統軟件的最下層，采用CPLD進行邏輯控制，包括測試向量在向量存儲器的寫入、讀出邏輯，以及測試結果的采集和存儲，是硬件系統的控制核心。運用VHDL語言在QuartusII平臺對CPLD的控制程序進行了開發，限于篇幅，以通信模塊程序的開發說明下位機軟件設計過程。

通過通信模塊將主處理器、輔處理器采集到的數據按協議發送至上位機，根據檢測儀主機設計要求，對下位機軟件使能模塊的要求為：

a.波特率為9 600b/s。

b.主處理器發送數據時輔處理器等待，輔處理器發送數據時主處理器等待。

c.數據采集時一次采集13位，發送時一次發送8位。

通信模塊所采用的是異步通信方式，可以規定傳輸的一個數據是10位，其中最低位為啟動位(邏輯0低電平)，最高位為停止位(邏輯1高電平)，中間8位是數據位。使用11.059 2MHz的晶振1 152次分頻得到9 600b/s的波特率。

2.2　上位機軟件開發

上位機軟件主要用于完成測試系統和使用人員之間的交互，同時控制下位機完成測試，并對測試數據進行查詢等。因此要求軟件具有良好的人際交互性和測試可靠性。同時方便維護，特別是對不同工程裝備器件測試庫的擴充和升級。上位機軟件的操作界面和測試程序采用VisualStudio平臺進行開發，運用Access建立測試記錄數據庫，與軟件進行關聯。軟件結構圖如圖2所示。

圖2　軟件結構

軟件主要包含人機界面、底層測試程序和數據庫管理，測試程序由軟件自動控制生成，數據管理系統則管理測試過程中的數據信息。

測試時，依據裝備電控設備功能結構組件設置的導航菜單，進入該型裝備控設備檢測維修庫。測試流程如圖3所示。

圖3　測試流程

2.2.1數字功能測試算法與實現流程

依照所選裝備型號進行測試時，軟件首先調用被測器件在庫中的測試程序，再根據器件自身管腳連接狀況，通過軟件仿真對測試程序進行修正，最后將修正后的測試程序施加給被測器件，通過比較實測輸出與標準代碼是否一致判斷器件好壞。

測試首先要進行建庫，常用的建庫方式有2種，文本輸入建庫和軟件仿真建庫。對中小規模的數字電路進行測試向量建庫時常采用文本輸入建庫，而對于大規模集成電路的測試，文本建庫的方法工作量大，過程復雜，因此考慮用軟件仿真進行建庫。如何選擇測試向量的生成策略直接關系到測試的故障覆蓋率及測試速率。目前測試向量生成算法主要有布爾差分法、結構化D算法、以及仿生算法如遺傳算法、蟻群算法等。

由于蟻群算法具有通用性和魯棒性強的特點，將其運用到系統的數字電路測試向量生成時，具有較高的測試生成速度。但同時，為避免蟻群算法陷入局部最優解問題，對算法進行了改進。

假設共有M只螞蟻，電路中共有n個PI節點，由于整個路徑是由各個節點“0”或“1”構成，螞蟻的選擇就必須是這n個節點的“0”或“1”，直到選完N個節點組成一條路徑，節點i的第k只螞蟻根據式(1)規則來選擇“1”或“0”：

(1)

β=γ/s，s為故障數，值為“1”表示值不變，為“0”則取反。

為簡化模型，設定電路中相連的節點間路徑長度均為1，先按輸入扇出錐的劃分法對每個節點得到的信息素數量范圍進行劃定，由某個PO出發，向進行正向搜索，只要和PI有邏輯關聯，都在以PI為錐頂的輸入扇出錐范圍內。將這個范圍內的故障數看做螞蟻在經過該路徑所獲得的食物，再對各個PI節點進行信息素的標注，并由根據更新規則，對各節點的信息素不斷更新，更新規則為：

(2)

設計中，通過組合電路進行了仿真，并將改進后的測試結果跟之前的結果進行比較，如表1所示。

表1測試生成結果比較

電路序號門數故障數蟻群算法改進的蟻群算法測試時間/s故障覆蓋率/%測試時間/s故障覆蓋率/%1530.5291000.48610028142.36699.62.35298.9332546.55296.26.23586.7

由表1可知，用改進后的蟻群算法，測試時間減少，測試速率和故障覆蓋率有顯著提高。利用QuartusII進行測試向量的仿真建庫。在QuartusII中編輯出波形.vwf文件，再通過解析倒入到測試軟件中，仿真流程如圖4所示。

圖4　測試向量仿真流程

2.2.2V-I曲線測試功能設計

V-I曲線測試是將節點或器件每個引腳的實測曲線與標準曲線進行對比。通過學習功能建立的V-I曲線測試庫，將無故障電路中的節點或器件引腳的V-I曲線特性保存到測試庫中，測試時系統首先將器件的學習曲線及實測曲線的數據、引腳數、標準門限值、允許誤差范圍等存放在插件中，并計算學習曲線和實測曲線在每個測點的差值，將其與標準門限值進行比較，若與門限值的差值大于最大允許范圍，則認為是壞點。將全部測點比較之后得到壞點總數，總數大于允許數量則比較不符，反之則二者相符。2條V-I特征曲線的比較流程如圖5所示。

圖5　V-I特性曲線比較流程

2.3　應用特點分析

系統在對純數字電路控制系統的故障檢測與分析時，準確率比較高。比如在用來診斷某重型機械化橋PLC控制箱的電路故障中，通過比較測量向量信號，可以很容易地診斷出嵌入式PLC所存在的故障。

對于數字與模擬信號混合程度較高且比較復雜的電路，要求使用人員需對被測對象有較深的了解，選擇測試點序列時必須準確，信號的分類連接也要做好，檢測結果較純數字控制電路板要略差一些。主要原因在于模擬信號與數字信號的互相串擾及電平的誤識別等，還需對系統做進一步的優化改進。

對于純模擬信號電路，檢測結果也比較理想。實際使用時還必須擴展一些外部調理模塊，以擴大系統的適用范圍，提高其可靠性。

3結束語

基于CPLD技術、測試技術、數據采集與處理技術完成了上位機硬件的選型和下位機的電路設計，實現了以功能測試、V-I曲線測試功能為基礎的多項測試功能，滿足了機械設備電控系統元器件的快速、準確檢測需求。考慮到人機交互性和測試可靠性，采用VisualStudio平臺進行了軟件開發，并運用Access建立了測試記錄數據庫，與軟件進行關聯。設計了PCI驅動程序，實現了上位機與下位機的數據通信。研制的系統具有較強的通用性和擴展性，可對不同型號的機械裝備進行建庫，測試速率和準確性較高，為針對機械裝備電控系統的電路檢測提供了一種新的技術手段。

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