汽車電器系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電路多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)原理

摘要：論述了一套用于汽車電器系統(tǒng)振動(dòng)可靠性試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的電路多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LXI 總線模塊化虛擬儀器為核心，以LabWindows/CVI 為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，有效的結(jié)合計(jì)算機(jī)故障診斷技術(shù)，形成了一套可以獨(dú)立完成遠(yuǎn)程控制、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)故障診斷的試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，為汽車電器產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程的智能化、可溯性奠定了基礎(chǔ)。

1 引言

由于路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)這兩大激勵(lì)源的存在，汽車電器與電子系統(tǒng)故障占整車故障的比例極高，且呈逐年增加的趨勢(shì)。在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)車輛及其零部件進(jìn)行道路模擬振動(dòng)試驗(yàn)被認(rèn)為是加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。傳統(tǒng)的試驗(yàn)過(guò)程多采用人工值守，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行紀(jì)錄。這種方式存在以下問(wèn)題:

1. 試驗(yàn)環(huán)境惡劣，常伴有噪聲、濕熱等因素;

2. 時(shí)間長(zhǎng)，值守人員的工作負(fù)荷大;

3. 人工記錄數(shù)據(jù)，缺乏完整性和一致性;

4. 故障現(xiàn)象不具有可溯性，無(wú)法為故障分析提供充分的依據(jù);

這些不足之處在很大程度上影響了試驗(yàn)的有效性，無(wú)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入的分析。由于汽車電器系統(tǒng)自身控制原理復(fù)雜，包含的元器件數(shù)量種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多樣，借助自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備對(duì)整車電器系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控尚不具備通行的有效方法。本文著重論述了一種應(yīng)用于“汽車電器系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)臺(tái)”的適用于整車電器系統(tǒng)試驗(yàn)監(jiān)控及故障診斷的測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

2 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

汽車電器可靠性試驗(yàn)臺(tái)借助輔助試驗(yàn)設(shè)備施加電應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力，使臺(tái)架上的汽車電器系統(tǒng)模擬汽車道路試驗(yàn)的實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)。“汽車電器系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”以電路內(nèi)的可及節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控點(diǎn)，借助數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)各用電器回路內(nèi)電壓、電流、頻率等信號(hào)進(jìn)行跟蹤測(cè)量和記錄;通過(guò)應(yīng)用軟件對(duì)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，實(shí)現(xiàn)聲光電報(bào)警，并對(duì)典型故障的類型和位置做出診斷。

2.1 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)構(gòu)想

由于被試系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了基于“UUT(Unit Under TEST)分類”的系統(tǒng)規(guī)劃方式，如圖1 所示。針對(duì)UUT 類型展開(kāi)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。采用這種方法的原因在于：

1. 汽車電器系統(tǒng)的常規(guī)用電設(shè)備采用的是并聯(lián)方式，以每一用電器回路作為一個(gè)試驗(yàn)單元UUT，則整個(gè)被試系統(tǒng)即可作為一個(gè)由多個(gè)UUT 并行試驗(yàn)的電路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);

2. 汽車某些電器設(shè)備在其工作模式及故障形式上多具有共性，結(jié)合其自身特性及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求可將全部UUT 單元?jiǎng)澐譃闊艟?、電機(jī)、儀表等幾種典型分類;

3. 針對(duì)UUT 分類展開(kāi)設(shè)計(jì)而非針對(duì)單個(gè)UUT，可以減小系統(tǒng)復(fù)雜度，提高通用性。

圖1：系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)構(gòu)想

2.2 參數(shù)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，要對(duì)被試系統(tǒng)各用電器進(jìn)行全面的監(jiān)控和準(zhǔn)確的故障診斷，其前是：第一，能夠從系統(tǒng)中獲得足夠多的可及測(cè)試節(jié)點(diǎn)但不能破壞被試系統(tǒng)完好性;第二，信號(hào)I/O 接口必須連接可靠，能夠耐受高強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力而不先于被試系統(tǒng)發(fā)生故障。按UUT 類型確定待測(cè)信號(hào)和采樣節(jié)點(diǎn)，并以汽車電器實(shí)際使用的連接器作為信號(hào)輸出接口，設(shè)計(jì)采樣連接器接入電路可獲取監(jiān)控所需的信號(hào)。圖2 說(shuō)明了某一阻性電器單元的采樣方法。原狀態(tài)下汽車用電器單元Rx 直接與汽車電線束連接形成工作回路，其正負(fù)極回路電阻分別為r1、r2，阻值未知;試驗(yàn)時(shí)將包含圖示電路的“采樣連接器”接入，便可在不影響原電路工作的情況下獲得電路狀態(tài)參數(shù)。

圖2：阻性電器單元監(jiān)控原理

構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)處的電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，便可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障識(shí)別和定位。

3 系統(tǒng)測(cè)試儀器的合成

系統(tǒng)采用基于LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)總線的測(cè)量平臺(tái)。LXI 是一種適用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的新一代基于LAN 的模塊化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。LXI 模塊化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI 卡式儀器的小體積以及LAN 的高速吞吐率，并考慮了定時(shí)、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器要求。同時(shí)還具有諸多優(yōu)勢(shì)特性，例如：它是開(kāi)放的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)體系，具有向下兼容性，儀器開(kāi)發(fā)成本低，有很好的協(xié)同工作能力，具有可擴(kuò)展性等。其數(shù)據(jù)傳輸擺脫了傳統(tǒng)儀器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸距離和帶寬的限制，可以方便的實(shí)現(xiàn)儀器遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)距離高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。在惡劣的試驗(yàn)環(huán)境，如振動(dòng)試驗(yàn)的高噪聲環(huán)境條件下，因其在遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)勢(shì)，LXI 相對(duì)于其他總線平臺(tái)具有更好的適用性。

3. 1 主控制器

如圖3 所示，系統(tǒng)以工控機(jī)作為主控制器，通過(guò)LAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊控制，并完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等工作。作為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的主控制器，工控機(jī)同時(shí)擔(dān)負(fù)著可靠性試驗(yàn)應(yīng)力加載控制的任務(wù)。

3.2 LXI 虛擬儀器模塊

1)測(cè)試主機(jī)系統(tǒng)選用AGILENT 34980A 開(kāi)關(guān)/測(cè)量單元作為硬件平臺(tái)，通過(guò)內(nèi)置數(shù)字多用表對(duì)待側(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換和輸出。測(cè)試主機(jī)通過(guò)LAN 總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換。

2)多路轉(zhuǎn)換器由于待測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)以較為穩(wěn)定的直流模擬量信號(hào)為主，所以采用公共DMM 分時(shí)測(cè)量方式。通過(guò)兩個(gè)光電隔離ETF 開(kāi)關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)80 個(gè)通道的雙線測(cè)量。

3)抖動(dòng)測(cè)量模塊用于瞬斷監(jiān)控，檢測(cè)電路內(nèi)電壓瞬態(tài)跳變情況。

4)D/A 轉(zhuǎn)換模塊D/A 轉(zhuǎn)換器為被試系統(tǒng)工作器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如轉(zhuǎn)速表和車速表工作所需的電壓脈沖信號(hào)，燃油表、水溫表工作所需的電流信號(hào)。信號(hào)由主控計(jì)算機(jī)控制，由D/A 轉(zhuǎn)換器輸出，經(jīng)過(guò)調(diào)理后通過(guò)模擬量I/O 接口輸入被試系統(tǒng)。

5)數(shù)字示波器數(shù)字示波器通過(guò)LAN 總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，并通過(guò)模擬總線連接測(cè)試主機(jī)，與內(nèi)置儀表共用開(kāi)關(guān)模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)80 個(gè)測(cè)量通道的任意一路信號(hào)進(jìn)行高頻采樣和虛擬示波。

圖3：系統(tǒng)硬件構(gòu)成

3.3 關(guān)鍵問(wèn)題

1) 頻率信號(hào)的測(cè)量待測(cè)信號(hào)同時(shí)存在100Hz 以上和3Hz 以下的頻率信號(hào)，由于系統(tǒng)是公共DMM 等時(shí)掃描測(cè)量的方式，兩種信號(hào)需采用不同的采樣方式進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于高頻信號(hào)將系統(tǒng)掃描通道設(shè)置為頻率測(cè)量直接輸出。對(duì)于低于3Hz 低頻信號(hào)，由于其頻率過(guò)低頻率通道無(wú)法直接測(cè)量，因此需采用擬合的方式。此種方式對(duì)系統(tǒng)掃描頻率有較高要求根據(jù)

Nyquist 定理：

單通道采樣率應(yīng)由待測(cè)信號(hào)頻率上限決定;

故有：

若對(duì)80 個(gè)模擬通道進(jìn)行掃描采樣，開(kāi)關(guān)的總切換頻率應(yīng)大于480CH/s。系統(tǒng)將單次掃描的時(shí)鐘設(shè)計(jì)值為160ms，實(shí)際掃描頻率為500CH/s，實(shí)現(xiàn)了低頻信號(hào)的測(cè)量。

2)瞬斷監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)瞬斷作為一種電路瞬態(tài)現(xiàn)象，DMM 分時(shí)采樣方法采樣率過(guò)低，無(wú)法對(duì)該類信號(hào)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，而多通道并行的模擬量數(shù)據(jù)采*導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)冗余和過(guò)高的系統(tǒng)成本。系統(tǒng)使用了抖動(dòng)測(cè)量模塊以32 通道并行的數(shù)字量采樣方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各通道電壓跳變情況，單通道最高采樣率為0.1μs，根據(jù)汽車電器的試驗(yàn)電壓將監(jiān)控電壓閾值設(shè)定為10.5V/21V 可選。

4 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)選用LabWindows/CVI 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它具有交互式編程方法和豐富的庫(kù)函數(shù)，為開(kāi)發(fā)人員建立數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)虛擬儀器及網(wǎng)絡(luò)化儀器的快速途徑。

4.2 試驗(yàn)監(jiān)控中的多線程技術(shù)

Windows 是弱實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng).它通過(guò)線程的優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)搶先，通過(guò)對(duì)測(cè)試線程進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)設(shè)置來(lái)滿足大部分測(cè)試任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。試驗(yàn)監(jiān)控要求系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析各項(xiàng)功能同步完成。利用LabWindows/CVI 多線程中的線程池技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。以界面控制作為主線程，通過(guò)界面操作向其它線程發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)能夠?qū)τ脩舨僮骷皶r(shí)響應(yīng);數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、故障診斷作為輔助線程，與主線程同步執(zhí)行。在輔助線程中，實(shí)時(shí)顯示線程和數(shù)據(jù)分析線程通過(guò)管道消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制與數(shù)據(jù)采集線程進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信，實(shí)現(xiàn)線程間的數(shù)據(jù)共享。

4.3 故障診斷方法

按照邏輯識(shí)別原理：故障原因函數(shù)A 、故障特征函數(shù)X 和決策規(guī)則E 三者滿足布爾函數(shù)關(guān)系，故障診斷過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是從已知的X 、E 中解出A ，用邏輯語(yǔ)言表示為：其實(shí)現(xiàn)方法是將被試系統(tǒng)按UUT 工作特性劃分為6 種典型的監(jiān)控單元類型，并針對(duì)類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的故障識(shí)別子程序，其內(nèi)容包括：

1. 以監(jiān)控單元類型為對(duì)象建立典型故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)，即構(gòu)建故障原因函數(shù)A;

2. 用電路的可測(cè)物理量I、U、f 等參數(shù)對(duì)故障模式進(jìn)行描述，構(gòu)建故障特征函數(shù)X ;

3. 以邏輯判斷為基礎(chǔ)建立故障決策規(guī)則E ，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的故障識(shí)別子程序。

圖4：故障診斷簡(jiǎn)化流程圖

運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)發(fā)出采集指令并取回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理線程首先將各待測(cè)物理量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與閾值庫(kù)中UUT 狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超閾值數(shù)據(jù)便認(rèn)為有故障發(fā)生，開(kāi)始起動(dòng)該UUT 所屬類型對(duì)應(yīng)的故障識(shí)別子程序進(jìn)行故障診斷，診斷子程序執(zhí)行結(jié)束后實(shí)現(xiàn)診斷結(jié)果輸出并作記錄。圖4 說(shuō)明了系統(tǒng)的故障診斷過(guò)程。

4.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)以Microsoft SQL Server 為底層建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)SQL Toolkit 建立ODBC 數(shù)據(jù)源，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)信息存取的操作。系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)可由開(kāi)放的用戶界面生成，使用戶可以針對(duì)不同的試驗(yàn)對(duì)象對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)配置，從而確保了系統(tǒng)的靈活性和通用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)應(yīng)用于某汽車企業(yè)的振動(dòng)可靠性試驗(yàn)之中，解決了汽車電器系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程的智能監(jiān)控問(wèn)題。使用結(jié)果表明，系統(tǒng)可以正確的測(cè)量、顯示、記錄和回放各測(cè)試物理量;可以對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的診斷和報(bào)警，有效的改善了傳統(tǒng)試驗(yàn)監(jiān)控方法的諸多弊端，能夠滿足對(duì)被試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的工程要求;以LXI 總線儀器為基礎(chǔ)結(jié)合虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，是構(gòu)建綜合性測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的有效手段?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合使汽車電器系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的自動(dòng)監(jiān)控成為現(xiàn)實(shí)，使得試驗(yàn)過(guò)程變的智能化、科學(xué)化;為被試系統(tǒng)的故障機(jī)理分析，可靠性試驗(yàn)結(jié)果*價(jià)，汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和品質(zhì)改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：1.提出了一種基于LXI 總線的電路多參數(shù)測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建方案;2. 建立了基于UUT 分類的汽車電器故障實(shí)時(shí)診斷方法。