基于內裝測試（BIT）技術(shù)的裝備控制系統故障診斷

引言

　　內裝測試(BIT)是20世紀70年代美國在軍用測試領(lǐng)域提出的全新的技術(shù)概念，其目的在于改善裝備的維修性、測試性和自診斷能力，同時(shí)也使裝備系統的機動(dòng)性和保障性得到很大改善。20世紀70年代以來(lái)，以航天航空等國防工業(yè)領(lǐng)域為代表，國內在內裝測試及自診斷技術(shù)方面，主要處于技術(shù)跟蹤和理論研究階段。進(jìn)入20世紀90年代，火箭、衛星、飛機等飛行器的測試設備研制開(kāi)發(fā)基本上都是圍繞著(zhù)VXI總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。同時(shí)，在一些裝備系統內部也出現了以自檢功能為表現形式的內裝測試及自診斷技術(shù)的雛形[1]。本文擬將BIT技術(shù)應用在某型裝備控制系統中，它能對裝備控制系統實(shí)現設備數字化，可利用設備上計算機和相關(guān)信息接口來(lái)收集設備的工作信息，可對各功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，及時(shí)發(fā)現故障，將故障定位到現場(chǎng)可更換單元，快速指導維修人員進(jìn)行換件維修。

　　內裝測試關(guān)鍵技術(shù)

　　在裝備控制系統上實(shí)現內裝測試及自診斷，應包括內裝測試設備研制和自診斷方法研究及實(shí)現兩大部份。其中內裝測試主要有兩個(gè)方面：一是在被測對象內安裝測試裝置，從而在少用或不用外圍測試設備的情況下，完成裝備控制系統的性能測試;另一方面是在被測對象的系統設計時(shí)，對各部件進(jìn)行自檢功能設計，使各部件具有自檢測試功能，在全系統測試時(shí)，綜合各部件自檢功能完成測試和信息采集;而自診斷技術(shù)則包含了故障特征提取、知識庫建立和推理機算法實(shí)現等內容。具體實(shí)現時(shí)，首先將內裝測試設備采集的信息通過(guò)通訊接口發(fā)送到地面的計算機，同時(shí)自診斷算法也在地面的計算機上實(shí)現。待兩方面技術(shù)成熟后，再將測試設備和診斷軟件全部?jì)妊b在裝備控制系統內部，這即是BIT技術(shù)，BIT技術(shù)消除了裝備控制系統地面測試時(shí)需要將設備上所有被測信號通過(guò)眾多的測試電纜引到地面來(lái)檢測的繁瑣，同時(shí)使地面測試設備變得不再龐大、復雜，同時(shí)縮短了裝備測試前的準備工作時(shí)間，滿(mǎn)足了操作人員對裝備快速響應的要求。隨著(zhù)計算機技術(shù)的廣泛應用，數字化已經(jīng)是電子設備研制的方向。設備數字化以后，使得利用設備上計算機和相關(guān)信息接口來(lái)收集設備的工作信息成為可能。這樣既可以簡(jiǎn)化測試設備及其與裝備的連接關(guān)系，同時(shí)又為實(shí)現內裝測試及自診斷創(chuàng )造了條件。

　　由于設備空間的限制，內裝測試和自診斷技術(shù)必須要實(shí)現設備的小型化，其中包括計算機系統小型化、多通道高精度A/D和D/A變換器小型化和通訊接口小型化等[2]。同時(shí)，為了實(shí)現完全意義上的內裝測試和自診斷，必須解決內裝激勵方法研究和內裝激勵設備設計的關(guān)鍵技術(shù);此外，為了解決傳統內裝測試存在的故障不可復現、不能識別間歇故障等問(wèn)題，必須解決大容量小型化內裝存儲設備設計的關(guān)鍵技術(shù);為了完成內裝自診斷技術(shù)研究，必須解決故障知識庫建立的關(guān)鍵技術(shù)[3]。這幾項關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現的好壞直接關(guān)系到內裝測試及自診斷系統性能的好壞。本文將主要對硬件設計和故障知識庫設計進(jìn)行詳細介紹。

　　BIT系統

　　內裝測試及自診斷系統包括信號調理模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊、故障診斷、自激勵模塊和通訊電纜輸出模塊六部分(見(jiàn)圖1)。模擬電壓采集中信號調理電路負責完成對信號的差分放大、濾波和限幅等調理工作。邏輯量、頻率量、時(shí)間量和脈沖量采集中的信號調理電路負責完成對信號的限幅和數據緩沖等調理工作。光電隔離主要是為了把所測量的信號和計算機相隔離，這樣可以確保數據采集的讀數不會(huì )受到接地電勢差或共模電壓的影響。數據存儲模塊主要用來(lái)存儲一些內裝測試及自診斷系統的診斷信息，包括測量的數字信息、設備上的模擬量信息、開(kāi)關(guān)量信息、頻率信息、脈沖信息、信號檢測的粗故障信息以及這些信息的相應編碼信息等功能。裝備控制系統自激勵模塊主要實(shí)現單片機系統對裝備上控制系統的信號自激勵，同時(shí)也可以使地面計算機通過(guò)通訊電纜實(shí)現地面對裝備的自激勵控制。RS232/485接口模塊可以實(shí)現上位機與PC機通訊。自檢模塊主要是實(shí)現系統的自檢功能，在設計上是使ADuC812的DA/AD通道形成回路，多余的DI/DO通道形成回路，從而對終端的模擬通道和數字通道的工作能力進(jìn)行自測試。DS12C887時(shí)鐘芯片主要是給系統提供標準時(shí)間基準，對存儲到Flash中的數據添加時(shí)間項，對PCM信息流傳輸的數據提供時(shí)間戳。本系統微處理器模塊選用ADI公司的ADuC812單片機(高性能的8通道5ms轉換時(shí)間、12位A/D轉換器、2個(gè)12位DAC，10.5kB的閃存E2PROM，具有3個(gè)16位計數/定時(shí)器和32條可編程I/O接口的8051/8052微控制器，256字節的SRAM)[4]。

　BIT系統硬件設計

　　BIT系統能完成模擬電壓、邏輯信號、頻率和時(shí)間的測量。

　　模擬電壓信號分壓

　　由于裝備控制系統的模擬量電壓范圍為±120V，因此將每一路模擬信號輸入到A/D轉換通道之前，為了減少轉換誤差，希望送來(lái)的模擬信號在A(yíng)/D轉換輸入的允許范圍內盡可能大，這就要求對采集到的信號的幅值進(jìn)行必要的調整，對信號進(jìn)行濾波、降壓等信號調理，選擇合適的放大倍數，使信號進(jìn)入模數轉換之前的電壓符合A/D轉換器的要求。

　　模擬電壓信號調理模塊是一個(gè)多路范圍為±120V電壓信號的調理模塊,用以將其外部輸入的不同幅值的電壓信號調整到0～5V范圍內，以保證A/D轉換精度。通常要用分壓網(wǎng)絡(luò )分壓，電路如圖2所示。

　　分壓網(wǎng)絡(luò )的電壓衰減量為輸出電壓與輸入電壓之比，也等于R1C1的并聯(lián)阻抗Z1與R2C2的并聯(lián)阻抗的分壓比。分壓網(wǎng)絡(luò )的分壓比為：

　　只要分壓網(wǎng)絡(luò )元件參數滿(mǎn)足R1C1=R2C2的關(guān)系，分布電容的影響就可不予考慮。因此輸入到A/D轉換器件的電壓值為：

為了減小對電源的影響，通常R2和R1的值較大，而A/D的輸入阻抗Ri的值并非無(wú)窮大，所以實(shí)際輸入到A/D轉換器的電壓為：

　　如果A/D的輸入阻抗Ri和R2接近，將給測量帶來(lái)較大誤差。解決的方法是在分壓網(wǎng)絡(luò )與A/D間加一射極跟隨器，由于射極跟隨器的輸入阻抗Ri近似無(wú)窮，對R2的影響不大，可有效的解決此問(wèn)題。

　　模擬電壓信號采集

　　經(jīng)過(guò)模擬電壓信號分壓后，其外部輸入的不同幅值的電壓信號被調整到0~5V范圍內，由于BIT系統中的微處理器其內包含了高性能的8路12位ADC采集系統，可直接實(shí)現裝備控制系統模擬信號的A/D采樣，采集系統由模擬多路開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、采樣保持電路(T/H)、ADC、+2.5V參考電壓和ADC轉換校正控制邏輯組成(見(jiàn)圖3)。