自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r的研究

介紹了自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在性能檢測(cè)和故障診斷方面應(yīng)用的必要性和良好前景；討論了現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組建時(shí)，用到的關(guān)鍵技術(shù)；詳細(xì)論述了基于PC的虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，軟、硬件的構(gòu)成和設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵技術(shù)分析。提出了目前在虛擬儀器系統(tǒng)中較為常用的幾種總線方式和應(yīng)用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；故障診斷；關(guān)鍵技術(shù)

KONG Tao, Rui Xuan WEI

（Air Force Engineering University Engineering College,Xian 710038）

Abstract:In this paper we introduce the development of auto-test technology and its necessity and future application in the field of function-test and failure-diagnoses;discuss some key technologies when we build a auto-test system;particularl dissertate the  characteristics of virtual instrument technology that based on PC,also its software architecture,hardware architecture as well as designing key technogies are introduced,finally we bring forward some common bus types and application characteristics of presently VI system.

Keywords:Automated Test System;Fault Diagnosis;Key Techniques

所謂自動(dòng)檢測(cè)，是指由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制對(duì)系統(tǒng)、設(shè)備和部件進(jìn)行性能檢測(cè)和故障診斷，是性能檢測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和故障定位的總稱?，F(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息論、控制論、測(cè)量技術(shù)、傳感技術(shù)等學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物，是這些學(xué)科在解決系統(tǒng)、設(shè)備、部件性能檢測(cè)和故障診斷的技術(shù)問(wèn)題中相結(jié)合的產(chǎn)物。凡是需要進(jìn)行性能測(cè)試和故障診斷的系統(tǒng)、設(shè)備、部件，均可以采用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，它既適用于電系統(tǒng)也適用于非電系統(tǒng)。電子設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)與機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)在基本原理上是一樣的，均采用計(jì)算機(jī)/微處理器作控制器通過(guò)測(cè)試軟件完成對(duì)性能數(shù)據(jù)的采集、變換、處理、顯示/告警等操作程序，而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)性能的測(cè)試和故障診斷的目的。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（ATS）是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，隨著各種高新技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用，它不斷被賦予各種新的內(nèi)容和組織形式。因此，以現(xiàn)代電子設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成原理框圖，如圖1所示 ，說(shuō)明當(dāng)前自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成。

圖1自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成
 

圖中表明，當(dāng)前的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通常包括以下幾個(gè)部分。

1、控制器

控制器是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，它由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其功能是管理檢測(cè)周期，控制數(shù)據(jù)流向，接收檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檢查讀數(shù)是否在誤差范圍內(nèi)，進(jìn)行故障診斷，并將檢測(cè)結(jié)果送到顯示器或打印機(jī)?？刂破魇窃跈z測(cè)程序的作用下，對(duì)檢測(cè)周期內(nèi)的每一步驟進(jìn)行控制，從而完成上述功能的。

2、激勵(lì)信號(hào)源

激勵(lì)信號(hào)源是主動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)必不可少的組成部分．其功能是向被測(cè)單元（UUT）提供檢測(cè)所需的激勵(lì)使號(hào)。根據(jù)各種UUT的不同要求，激勵(lì)裝置的形式也不同，如交直流電源、函數(shù)發(fā)生器、D／A變換器、頻率合成器、微波源等。

3、測(cè)量?jī)x器

測(cè)量?jī)x器的功能是檢測(cè)UUT的輸出信號(hào)．根據(jù)檢測(cè)的不同要求，測(cè)量?jī)x器的形式也不同，如數(shù)字式多用表，頻率計(jì)，A／D變換器及其它類型的檢測(cè)儀器等。

4、開(kāi)關(guān)系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的功能是控制UUT和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中有關(guān)部件間的信號(hào)通道。即控制激勵(lì)信號(hào)輸入U(xiǎn)UT，和UUT的被測(cè)信號(hào)輸往測(cè)量裝置的信號(hào)通道。

5、適配器

適配器的功能是實(shí)現(xiàn)UUT與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之間的信號(hào)連接。

6、人機(jī)接口

人機(jī)接口的功能是實(shí)現(xiàn)操作員和控制器的雙向通信。常見(jiàn)的形式為，操作員用鍵盤或開(kāi)關(guān)向控制器輸人信息，控制器將檢測(cè)結(jié)果及操作提示等有關(guān)信息送到顯示器顯示。顯示器的類型有陰極射線管（CRT）顯示器、液晶（LCD）顯示器、發(fā)光二級(jí)管（LED）顯示器或燈光顯示裝置等。當(dāng)需要打印檢測(cè)結(jié)果時(shí)，人機(jī)接口內(nèi)應(yīng)配備打印機(jī)。

7、檢測(cè)程序

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是在檢測(cè)程序的控制下進(jìn)行性能檢測(cè)和故障診斷的。檢測(cè)程序完成人機(jī)交互、儀器管理和驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)流程控制、檢測(cè)結(jié)果的分析處理和輸出顯示、故障診斷等，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（ATS）的組建提供了多種可能，典型的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備（ATE），檢測(cè)程序集（TPS）和檢測(cè)環(huán)境三部分組成。ATE由檢測(cè)和測(cè)量?jī)x器、主計(jì)算機(jī)、矩陣開(kāi)關(guān)、通訊總線、接收器和系統(tǒng)軟件組成。典型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組建如圖2所示。主計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)和測(cè)量?jī)x器以及TPS的運(yùn)行。系統(tǒng)軟件（如操作系統(tǒng)、編譯器及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行程序等）控制檢測(cè)工作站的工作狀態(tài)，對(duì)TPS進(jìn)行開(kāi)發(fā)并執(zhí)行。TPS由檢測(cè)、診斷程序，連接被測(cè)單元（UUT）和ATE的適配器及操作手冊(cè)等組成。檢測(cè)環(huán)境包括ATS的結(jié)構(gòu)描述、編程和檢測(cè)規(guī)范語(yǔ)言、編譯器、開(kāi)發(fā)工具以及描述對(duì)象設(shè)計(jì)需求、檢測(cè)策略信息的標(biāo)準(zhǔn)格式等。

由于現(xiàn)代微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合引起了檢測(cè)儀器領(lǐng)域的革命，全新的儀器結(jié)構(gòu)概念和檢測(cè)設(shè)備組建方式不斷更新?，F(xiàn)代檢測(cè)設(shè)備組建的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾點(diǎn)。

一、程控接口技術(shù)

如何實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)設(shè)備間的自動(dòng)連接，是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化的關(guān)鍵。用計(jì)算機(jī)程序控制的接口單元（PIU）是解決這一問(wèn)題的重要手段。這種程控接口（PIU）包括一組通用的連接點(diǎn)，并配有所需的緩沖器和多路分配器，用于完成三項(xiàng)基本任務(wù)。

1、發(fā)生、調(diào)理（如衰減、緩沖、變換等）模擬與數(shù)字激勵(lì)，并將激勵(lì)引導(dǎo)到相應(yīng)的被測(cè)裝置；

2、把從相應(yīng)的被測(cè)裝置引線來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理并引導(dǎo)到自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；

3、將程控負(fù)載加到相應(yīng)的被測(cè)裝置引線上。

簡(jiǎn)言之，程控接口在程序控制下，能夠把任何檢測(cè)系統(tǒng)功能引導(dǎo)到任何被測(cè)設(shè)備，并能完成檢測(cè)。

二、虛擬儀器技術(shù)

80年代末期，美國(guó)NI（National Instrument）公司提出了虛擬儀器的概念：在一定的硬件平臺(tái)下，利用軟件在屏幕上生成虛擬面板，在軟件導(dǎo)引下進(jìn)行信號(hào)采集、運(yùn)算、分析和處理，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能。

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器，是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破。傳統(tǒng)儀器的主要功能模塊都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在的，而虛擬儀器是具有儀器功能的軟硬件組合體。虛擬儀器系統(tǒng)的功能可根據(jù)軟件模塊的功能及其不同組合而靈活配置，因而得以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)充傳統(tǒng)儀器的功能。

三、專家系統(tǒng)

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與專家系統(tǒng)的結(jié)合也是自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。專家系統(tǒng)作為人工智能的重要組成部分，于五十年代產(chǎn)生，到八十年代形成人工智能這一完整的學(xué)科體系。美國(guó)在八十年代中期就率先將專家系統(tǒng)引入航空機(jī)載設(shè)備的檢測(cè)，效果良好。專家系統(tǒng)與典型自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的結(jié)合，將大大提高故障分析判斷能力，提高設(shè)備維修保障效率。

四、現(xiàn)場(chǎng)故障檢測(cè)技術(shù)

現(xiàn)代機(jī)載設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是微處理器和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用日益普遍，現(xiàn)場(chǎng)故障檢測(cè)也就越加顯得重要。為了便于現(xiàn)場(chǎng)維修，正在開(kāi)發(fā)、研究諸如特征分析、邏輯分析、電路模擬、內(nèi)在診斷等現(xiàn)場(chǎng)故障檢測(cè)技術(shù)。例如，采用“特征分析技術(shù)”，在電路圖的有關(guān)節(jié)點(diǎn)，標(biāo)明“特征”，由設(shè)備本身產(chǎn)生激勵(lì)，用一種簡(jiǎn)單的、無(wú)源的檢測(cè)儀器—特征分析儀，就能迅速地在現(xiàn)場(chǎng)找出故障，定位到元器件，從而大大地簡(jiǎn)化了維修現(xiàn)場(chǎng)的故障診斷，有效地提高了設(shè)備的戰(zhàn)備率。

五、開(kāi)放、可互操作的ATS實(shí)現(xiàn)技術(shù)

所謂ATS的可互操作性是指兩個(gè)以上的系統(tǒng)或部件可以直接、有效地共用數(shù)據(jù)和信息。就一般的ATS結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其互操作性主要體現(xiàn)在可以共用TPS和ATE的資源，可以共用一個(gè)底層的診斷子系統(tǒng)，可以支持多種運(yùn)行環(huán)境和語(yǔ)言。所謂系統(tǒng)的開(kāi)放性是指：其功能部件采用廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，從而可在不同的系統(tǒng)中使用，可以與其它系統(tǒng)中的部件互操作，軟件可以方便的移植；其接口也符合廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或協(xié)議，或具有完全明確的定義，從而通過(guò)插入新的功能部件，即可增加、擴(kuò)展和提高系統(tǒng)的性能。

一、虛擬儀器的定義及構(gòu)成

一般說(shuō)來(lái)將傳統(tǒng)儀器的硬件和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)充分結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。因此，將數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)空閑的擴(kuò)展槽中，利用軟件在屏幕上生成虛擬面板，在軟件引導(dǎo)下進(jìn)行信號(hào)采集、運(yùn)算、分析和處理，實(shí)現(xiàn)儀器功能并完成檢測(cè)的全過(guò)程，這就是所謂的虛擬儀器。與傳統(tǒng)儀器的比較如表1。

虛擬儀器	傳統(tǒng)儀器
核心是軟件	核心是硬件
開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低	開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高
技術(shù)更新周期短	技術(shù)更新周期長(zhǎng)
可重用性、可配置性強(qiáng)	功能單一、可配置性差
數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印	數(shù)據(jù)無(wú)法直接處理
易于與其它設(shè)備通訊	不易實(shí)現(xiàn)通訊
功能由用戶自己定義	功能由廠家預(yù)先定義

 

性。

2、GPIB總線方式

GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口卡可帶多達(dá)14臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)20米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成大的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器市場(chǎng)。適用于精確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求不高的場(chǎng)合。

3、VXI總線

VXI總線是高速計(jì)算機(jī)總線VME在虛擬儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源、強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。其適合于組建大、中規(guī)模自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。

二、虛擬儀器系統(tǒng)的軟件

通用計(jì)算機(jī)軟件和儀器軟件的有機(jī)組合，構(gòu)成了虛擬儀器的基本軟件框架，該軟件框架主要包括以下三部分。

1、總線接口軟件

總線接口軟件駐留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行總線的特殊功能，是實(shí)現(xiàn)虛擬儀器功能的最基礎(chǔ)軟件，一般要求該軟件還必須與其它儀器系統(tǒng)（GPIB、RS—232等）的軟件結(jié)構(gòu)兼容，以便于系統(tǒng)集成。它處于軟件框架的最底層。

2、儀器驅(qū)動(dòng)軟件

儀器驅(qū)動(dòng)軟件處于軟件框架的中間層，完成對(duì)某一特定儀器的控制與通訊，它可作為用戶程序的一部分。每個(gè)儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它對(duì)儀器的操作是通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的；儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過(guò)輸入/輸出（I/O）軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(kù)（VASA）調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。

3、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境位于軟件框架的最頂層，它將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析和顯示能力與儀器驅(qū)動(dòng)器融合在一起，為用戶開(kāi)發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環(huán)境。目前，虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境主要包括兩種：一種是基于傳統(tǒng)的文本語(yǔ)言式平臺(tái)，主要是NI公司的LabWindows/CVI和微軟公司的VC++、Visual Basic等；一種是基于圖形化工程環(huán)境的平臺(tái)，如HP公司的HP VEE、NI公司的LabVIEW等。

未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在軍用領(lǐng)域，就是采用開(kāi)放的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大幅度減少測(cè)試系統(tǒng)軟、硬件的開(kāi)發(fā)、升級(jí)的費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的互操作，滿足武器維護(hù)的靈活性，實(shí)現(xiàn)各軍種間、不同維護(hù)級(jí)別間自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通用，最大限度地發(fā)揮測(cè)試系統(tǒng)的能力。民用領(lǐng)域， PC機(jī)的廣泛應(yīng)用給自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化，利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源可以有效地突破傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)在數(shù)據(jù)信號(hào)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)、打印等方面的局限?，F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)不僅要求儀器能單獨(dú)測(cè)量某個(gè)量，而且更希望它們之間能夠互相通信，實(shí)現(xiàn)信息共享，從而對(duì)被測(cè)的各系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析、評(píng)估，得出準(zhǔn)確判斷。