基于內(nèi)裝測試（BIT）技術(shù)的裝備控制系統(tǒng)故障診斷

引言

　　內(nèi)裝測試(BIT)是20世紀(jì)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，同時也使裝備系統(tǒng)的機(jī)動性和保障性得到很大改善。20世紀(jì)70年代以來，以航天航空等國防工業(yè)領(lǐng)域為代表，國內(nèi)在內(nèi)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(jì)90年代，火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)等飛行器的測試設(shè)備研制開發(fā)基本上都是圍繞著VXI總線來進(jìn)行。同時，在一些裝備系統(tǒng)內(nèi)部也出現(xiàn)了以自檢功能為表現(xiàn)形式的內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的雛形[1]。本文擬將BIT技術(shù)應(yīng)用在某型裝備控制系統(tǒng)中，它能對裝備控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化，可利用設(shè)備上計算機(jī)和相關(guān)信息接口來收集設(shè)備的工作信息，可對各功能模塊進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障，將故障定位到現(xiàn)場可更換單元，快速指導(dǎo)維修人員進(jìn)行換件維修。

　　內(nèi)裝測試關(guān)鍵技術(shù)

　　在裝備控制系統(tǒng)上實現(xiàn)內(nèi)裝測試及自診斷，應(yīng)包括內(nèi)裝測試設(shè)備研制和自診斷方法研究及實現(xiàn)兩大部份。其中內(nèi)裝測試主要有兩個方面：一是在被測對象內(nèi)安裝測試裝置，從而在少用或不用外圍測試設(shè)備的情況下，完成裝備控制系統(tǒng)的性能測試;另一方面是在被測對象的系統(tǒng)設(shè)計時，對各部件進(jìn)行自檢功能設(shè)計，使各部件具有自檢測試功能，在全系統(tǒng)測試時，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(jī)算法實現(xiàn)等內(nèi)容。具體實現(xiàn)時，首先將內(nèi)裝測試設(shè)備采集的信息通過通訊接口發(fā)送到地面的計算機(jī)，同時自診斷算法也在地面的計算機(jī)上實現(xiàn)。待兩方面技術(shù)成熟后，再將測試設(shè)備和診斷軟件全部內(nèi)裝在裝備控制系統(tǒng)內(nèi)部，這即是BIT技術(shù)，BIT技術(shù)消除了裝備控制系統(tǒng)地面測試時需要將設(shè)備上所有被測信號通過眾多的測試電纜引到地面來檢測的繁瑣，同時使地面測試設(shè)備變得不再龐大、復(fù)雜，同時縮短了裝備測試前的準(zhǔn)備工作時間，滿足了操作人員對裝備快速響應(yīng)的要求。隨著計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化已經(jīng)是電子設(shè)備研制的方向。設(shè)備數(shù)字化以后，使得利用設(shè)備上計算機(jī)和相關(guān)信息接口來收集設(shè)備的工作信息成為可能。這樣既可以簡化測試設(shè)備及其與裝備的連接關(guān)系，同時又為實現(xiàn)內(nèi)裝測試及自診斷創(chuàng)造了條件。

　　由于設(shè)備空間的限制，內(nèi)裝測試和自診斷技術(shù)必須要實現(xiàn)設(shè)備的小型化，其中包括計算機(jī)系統(tǒng)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，為了實現(xiàn)完全意義上的內(nèi)裝測試和自診斷，必須解決內(nèi)裝激勵方法研究和內(nèi)裝激勵設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù);此外，為了解決傳統(tǒng)內(nèi)裝測試存在的故障不可復(fù)現(xiàn)、不能識別間歇故障等問題，必須解決大容量小型化內(nèi)裝存儲設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù);為了完成內(nèi)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)實現(xiàn)的好壞直接關(guān)系到內(nèi)裝測試及自診斷系統(tǒng)性能的好壞。本文將主要對硬件設(shè)計和故障知識庫設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　BIT系統(tǒng)

　　內(nèi)裝測試及自診斷系統(tǒng)包括信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)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(見圖1)。模擬電壓采集中信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)完成對信號的差分放大、濾波和限幅等調(diào)理工作。邏輯量、頻率量、時間量和脈沖量采集中的信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)完成對信號的限幅和數(shù)據(jù)緩沖等調(diào)理工作。光電隔離主要是為了把所測量的信號和計算機(jī)相隔離，這樣可以確保數(shù)據(jù)采集的讀數(shù)不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。數(shù)據(jù)存儲模塊主要用來存儲一些內(nèi)裝測試及自診斷系統(tǒng)的診斷信息，包括測量的數(shù)字信息、設(shè)備上的模擬量信息、開關(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(yīng)編碼信息等功能。裝備控制系統(tǒng)自激勵模塊主要實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)對裝備上控制系統(tǒng)的信號自激勵，同時也可以使地面計算機(jī)通過通訊電纜實現(xiàn)地面對裝備的自激勵控制。RS232/485接口模塊可以實現(xiàn)上位機(jī)與PC機(jī)通訊。自檢模塊主要是實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢功能，在設(shè)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(shù)字通道的工作能力進(jìn)行自測試。DS12C887時鐘芯片主要是給系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)，對存儲到Flash中的數(shù)據(jù)添加時間項，對PCM信息流傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供時間戳。本系統(tǒng)微處理器模塊選用ADI公司的ADuC812單片機(jī)(高性能的8通道5ms轉(zhuǎn)換時間、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個12位DAC，10.5kB的閃存E2PROM，具有3個16位計數(shù)/定時器和32條可編程I/O接口的8051/8052微控制器，256字節(jié)的SRAM)[4]。

　BIT系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　BIT系統(tǒng)能完成模擬電壓、邏輯信號、頻率和時間的測量。

　　模擬電壓信號分壓

　　由于裝備控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換通道之前，為了減少轉(zhuǎn)換誤差，希望送來的模擬信號在A/D轉(zhuǎn)換輸入的允許范圍內(nèi)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(diào)整，對信號進(jìn)行濾波、降壓等信號調(diào)理，選擇合適的放大倍數(shù)，使信號進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的電壓符合A/D轉(zhuǎn)換器的要求。

　　模擬電壓信號調(diào)理模塊是一個多路范圍為±120V電壓信號的調(diào)理模塊,用以將其外部輸入的不同幅值的電壓信號調(diào)整到0～5V范圍內(nèi)，以保證A/D轉(zhuǎn)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(shù)滿足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(zhuǎn)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的值并非無窮大，所以實際輸入到A/D轉(zhuǎn)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近似無窮，對R2的影響不大，可有效的解決此問題。

　　模擬電壓信號采集

　　經(jīng)過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(diào)整到0~5V范圍內(nèi)，由于BIT系統(tǒng)中的微處理器其內(nèi)包含了高性能的8路12位ADC采集系統(tǒng)，可直接實現(xiàn)裝備控制系統(tǒng)模擬信號的A/D采樣，采集系統(tǒng)由模擬多路開關(guān)、溫度傳感器、采樣保持電路(T/H)、ADC、+2.5V參考電壓和ADC轉(zhuǎn)換校正控制邏輯組成(見圖3)。

頻率信號測量

　　本設(shè)計中被測頻率信號為2kHz，其測量是采用8254定時計數(shù)的方式測量。

　　由于標(biāo)準(zhǔn)輸入時鐘脈沖的頻率為4MHz，而裝備系統(tǒng)需要測量的信號頻率為2kHz，其測量即是一個8254定時0.01S并對信號進(jìn)行計數(shù)20的測量。由定時計數(shù)初值的公式可得N=T×f=0.01(s)×4MHz=40000，設(shè)計采用計數(shù)器1、2級聯(lián)作為定時器，由于我們要統(tǒng)計0.01s內(nèi)的信號發(fā)生次數(shù)，也就是說計數(shù)器1、2級聯(lián)定時，每到0.01s就通知中斷INT3，所以其工作方式設(shè)置如下：計數(shù)器1為模式2，計數(shù)器2為模式0。設(shè)計數(shù)器1的計數(shù)初值為N1，計數(shù)器2的計數(shù)初值為N2，且保證N1×N2=40000，然后將各自初值送入各自寄存器通道即可。

　時間信號測量

　　在硬件連接上，計時采用中斷計時法，由于裝備系統(tǒng)設(shè)備要求，計時最大量為8S，所以測量計時量需要二個計數(shù)器級聯(lián)為32位來工作，硬件設(shè)計上仍是級聯(lián)計數(shù)器1和計數(shù)器2，GATE1與GATE2均通過反相器接的P1.0口，CLK1端接標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖4MHz，其硬件設(shè)計見圖4。計時具體計算方法為：其中計數(shù)器1和計數(shù)器2的計數(shù)初值均為0xFFFF，計數(shù)器1、2中當(dāng)前計數(shù)值=N1×N2。

　　故障知識庫的建立

　　在建造故障診斷專家系統(tǒng)知識庫時，如何組織和處理專家經(jīng)驗知識和相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)知識，決定著故障診斷的有效性和準(zhǔn)確性，我們把診斷過程中獲取的裝備控制系統(tǒng)故障模式、故障原因以故障樹的形式組織起來，并通過對該故障樹進(jìn)行定性分析，得出故障樹的最小割集，并將原故障樹在最小割集的基礎(chǔ)上簡化，最后把相關(guān)的概念、事實以及它們之間的關(guān)系知識按關(guān)系模式表的結(jié)構(gòu)組織起來，生成診斷知識庫。在裝備控制系統(tǒng)的故障診斷中，依據(jù)設(shè)備故障樹，形成關(guān)系知識規(guī)則的步驟如下：(1)故障樹邏輯簡化，減少中間事件;(2)引進(jìn)多個不相容獨立事件，代替故障樹中相容事件;(3)將故障樹的事件轉(zhuǎn)化為概念命題;(4)分解故障樹為一系列單輸出分支—a輸入定義為關(guān)系規(guī)則前提，與門轉(zhuǎn)化為關(guān)系規(guī)則的前提組合條件、或門轉(zhuǎn)化為并列規(guī)則的前提、非門轉(zhuǎn)化為單結(jié)論的非規(guī)則以表示互斥關(guān)系，b輸出定義為關(guān)系規(guī)則結(jié)論，c重復(fù)Step a。

　　計算故障樹的最小割集

　　為了便于規(guī)則的描述，故障樹描述的規(guī)則必須只含最小割集的底事件。

　　本文采用下行法計算割集。這個算法的特點是根據(jù)故障樹的實際結(jié)構(gòu)，從頂事件開始，逐級向下尋找，找出割集。因為只從上下相鄰兩級來看，與門只增加割集階數(shù)(割集所含底事件數(shù)目)，不增加割集個數(shù);或門只增加割集個數(shù)，不增加割集階數(shù)，所以規(guī)定在下行過程中，順次將邏輯門的輸出事件置換為輸入事件，遇到與門就將其輸入排在同一行(輸入事件的交(布爾積))，遇到或門就將其輸入事件各自排成一行(輸入事件的并(布爾和))，這樣直到全部換成底事件為止，這樣得到的割集通過兩兩比較，劃去那些非最小割集，剩下即為故障樹的全部最小割集。圖5是裝備控制系統(tǒng)中A/D板故障樹的割集計算，表1表示下行法求割集的過程。由表可知A/D板的最小割集為{B1}、{B2}、{B3}、{B4，B5}。

形成關(guān)系知識的規(guī)則

　　根據(jù)A/D板的最小割集和結(jié)元器件端電壓異常，用關(guān)系知識的規(guī)則步驟分析可得A/D板故障的規(guī)則如下：

　　Rule1 IF A/D板故障且B1端電壓異常 Then B1壞;

　　Rule2 IF A/D板故障且B2端電壓異常 Then B2壞;

　　Rule3 IF A/D板故障且B3端電壓異常 Then B3壞;

　　Rule4 IF A/D板故障且B4端電壓異常 Then B4壞;

　　Rule5 IF A/D板故障且B5端電壓異常 Then B5壞。

　　從上面的規(guī)則建立過程可以得出，該方法將故障樹分析法與專家系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，使得知識工程師、領(lǐng)域?qū)＜摇⑹褂镁S修人員之間的交流與合作更加容易，消除建立知識庫的盲目性，確保了診斷知識的一致性和完備性、高可靠性;將數(shù)值計算過程和符號決策過程結(jié)合在一起，集成了多種形式的知識，有助于實現(xiàn)診斷的自動化和診斷結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。因此，建立合理的裝備控制系統(tǒng)故障樹，將故障樹轉(zhuǎn)化為關(guān)系知識，這一過程是導(dǎo)出專家系統(tǒng)關(guān)系規(guī)則(診斷知識)的有效途徑。

　　結(jié)語

　　將BIT用于裝備控制系統(tǒng)，有效地避免異常的發(fā)生，提高控制系統(tǒng)運行的可靠性。BIT技術(shù)簡化了裝備控制系統(tǒng)地面測試時需要將設(shè)備上所有被測信號通過眾多的測試電纜引到地面來檢測的繁瑣，同時使地面測試設(shè)備變得不再龐大、復(fù)雜，縮短了裝備測試前的準(zhǔn)備工作時間，滿足了操作人員對裝備快速響應(yīng)的要求。