元素分析儀板級故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任帥男 韓萌萌

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)大型元素分析儀器的功能板卡的調(diào)試及故障檢測，搭建了一個(gè)專業(yè)的檢測調(diào)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含針對板卡功能拆分，底層硬件測試板的設(shè)計(jì)制作、下位機(jī)對接嵌入式程序的設(shè)計(jì)以及上位機(jī)測試系統(tǒng)的搭建。該上位機(jī)系統(tǒng)采用C#編程，在window平臺上運(yùn)行，與下位機(jī)測試板進(jìn)行CAN通信，通過專家經(jīng)驗(yàn)知識比對分析，實(shí)現(xiàn)了對下位機(jī)測試板的控制與功能模塊的故障分析，最后能夠生成專家性報(bào)告。應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)對元素分析儀器的功能板調(diào)試及故障檢測有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：故障檢測；專家經(jīng)驗(yàn)；功能板調(diào)試

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

嵌入式設(shè)備的調(diào)試及故障檢測是一種極具專業(yè)性的工作，尤其像元素分析儀器這種大型精密設(shè)備，需要擁有大量的軟硬件知識及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)才能完成[1]，同時(shí)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，對于缺乏專家經(jīng)驗(yàn)的人員來說，可能會造成系統(tǒng)的漏判及誤判，導(dǎo)致功能板上機(jī)后造成嚴(yán)重的故障，造成不可挽回的損失，因此板級的故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分有必要的[2]。

電路板級故障診斷及調(diào)試需要充分了解電路板的各個(gè)工作模塊及功能，故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了避免各個(gè)模塊之間相互影響，調(diào)試時(shí)首先需要對功能進(jìn)行拆分測試，對于各種功能現(xiàn)象進(jìn)行專業(yè)性判斷，發(fā)現(xiàn)功能板在生產(chǎn)或工作中出現(xiàn)的問題進(jìn)行精準(zhǔn)定位并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)給出專家性建議[3]。

1 基于stm32元素分析儀功能模塊分析

大型元素分析儀器的功能板塊分為主控上位機(jī)、原子化器模塊、氣控模塊、元素?zé)裟K及單色儀模塊，通過CAN總線進(jìn)行連接，各個(gè)模塊需要調(diào)試及故障檢測的主要設(shè)備功能分為：步進(jìn)電機(jī)的正常工作，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分工作，各路AD轉(zhuǎn)換通道，各路DA轉(zhuǎn)換通道，各路閥門開關(guān)控制量，以及各元素?zé)舻拈_關(guān)驅(qū)動。

通過功能電路分析需要將各個(gè)板卡功能模塊進(jìn)行拆分，以互不影響，單個(gè)調(diào)試為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 硬件測試板的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)硬件測試板首先需要對功能板卡的外接接口進(jìn)行接口分析，其中原子化器模塊電路板需要完成11路光耦開關(guān)的檢測，五路繼電器開關(guān)量輸出的檢測，六個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)檢測，石墨爐溫度控制DA轉(zhuǎn)換通路的檢測，氫化器輸出DA通路的檢測以及三路反饋AD通路的檢測；氣控模塊需要完成14路氣控閥的開關(guān)量檢測，兩路DA通道的檢測以及六路氣壓AD通路的檢測；元素?zé)魷y試部分需要完成三路光耦開關(guān)的檢測，兩路DA通道的檢測，三路開關(guān)元素?zé)糸_關(guān)量輸出檢測，以及8路元素?zé)綦娏黩?qū)動通路的檢測；單色儀測試部分需要完成兩路數(shù)字量開關(guān)的測試和一路DA通道的檢測。

在硬件測試板的設(shè)計(jì)中，針對元素分析儀板卡的被測量，提出相關(guān)設(shè)計(jì)方案。其中，步進(jìn)電機(jī)的測試引出板卡的步進(jìn)電機(jī)接口，外接測試電機(jī)；光耦開關(guān)的測試使用撥碼開關(guān)對光耦開關(guān)進(jìn)行開關(guān)量模擬操作；數(shù)字開關(guān)量輸出采用LED燈顯示的方法確定；對于DA轉(zhuǎn)換通路的測試引出測試引腳用于外部測量，對于AD轉(zhuǎn)換通路引出測試電源接口用于測試輸入；元素?zé)舻碾娏鳒y試使用大功率電阻進(jìn)行電流到電壓的轉(zhuǎn)換，用測試電阻電壓值表示元素?zé)綦娏髦怠Ｈ鐖D1所示，為設(shè)計(jì)好的測試板實(shí)物圖，其中包括所有元素分析儀功能板卡的接口以及與上位機(jī)的CAN接口總線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)STM32軟件程序的編寫以及上位機(jī)C#程序的編寫，兩者通過USB轉(zhuǎn)CAN總線進(jìn)行通信。

CAN通信協(xié)議使用擴(kuò)展幀格式，其中29位擴(kuò)展幀ID遵循該設(shè)備本身的協(xié)議格式，幀內(nèi)容包括源節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)地址、功能碼等信息，定義功能碼192為測試碼，上位機(jī)軟件發(fā)送192功能碼調(diào)用下位機(jī)單片機(jī)測試程序。在數(shù)據(jù)幀中對不同電路板進(jìn)行區(qū)分，CAN總線協(xié)議中一個(gè)報(bào)文含有8字節(jié)數(shù)據(jù)，規(guī)定第一字節(jié)數(shù)據(jù)為測試板卡區(qū)分，0x00為原子化器，0x01為氣控，0x02為元素?zé)簦?x03為單色儀。第二個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為測試功能區(qū)分，剩余的6個(gè)字節(jié)用于承載DA或AD數(shù)據(jù)信息。

下位機(jī)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)需要遵循不影響設(shè)備主功能的原則，將所有的測試代碼進(jìn)行函數(shù)封裝，調(diào)用其響應(yīng)功能函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，測試階段一律遵循上位機(jī)主動請求，下位機(jī)被動應(yīng)答的方式，以防止測試程序?qū)δ苣K功能本身的影響，上位機(jī)程序設(shè)計(jì)中包含專家經(jīng)驗(yàn)，如圖2所示，使用過程中通過點(diǎn)擊窗體按鈕，實(shí)現(xiàn)測試功能，之后勾選測試現(xiàn)象，點(diǎn)擊故障點(diǎn)分析按鈕，如圖3所示上位機(jī)通過現(xiàn)象的分析以及對其中上位機(jī)程序中專家經(jīng)驗(yàn)的比對生成專家性分析報(bào)告，標(biāo)記出可能存在的故障點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過專家經(jīng)驗(yàn)不斷更新該系統(tǒng)專家經(jīng)驗(yàn)知識庫，系統(tǒng)具有元素分析儀器板級調(diào)試和故障檢測的專家推理能力。通過不斷測試，證實(shí)了該診斷系統(tǒng)知識庫是基本合理的，推理機(jī)制是高效的，具備了較高的診斷能力，在元素分析儀設(shè)備的生產(chǎn)調(diào)試以及使用過程中的維修診斷有很高的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄂加強(qiáng)，龔金科，王耀南，劉孟祥，成至明.特種車輛柴油發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，4（13）：373-379.

[2]王禮軍.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)在故障診斷中的應(yīng)用[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，3（31）：470-472.

[3]王宏見.嵌入式故障診斷專家系統(tǒng)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2015.17-19.