汽車電器可靠性試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)

　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。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)品開發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段[1]。傳統(tǒng)的試驗(yàn)過程多采用人工值守，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，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)化測試設(shè)備對(duì)整車電器系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)過程的實(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)行跟蹤測量和記錄；通過應(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)澐譃闊艟摺㈦姍C(jī)、儀表等幾種典型分類；

3. 針對(duì) UUT 分類展開設(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，其前提是：第一，能夠從系統(tǒng)中獲得足夠多的可及測試節(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)測試儀器的合成

系統(tǒng)采用基于LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)總線的測量平臺(tái)。LXI 是一種適用于自動(dòng)測試系統(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)勢特性，例如：它是開放的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)體系，具有向下兼容性，儀器開發(fā)成本低，有很好的協(xié)同工作能力，具有可擴(kuò)展性等 [2、3]。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，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）測試主機(jī) 系統(tǒng)選用Agilent 34980A 開關(guān)/測量單元作為硬件平臺(tái)，通過內(nèi)置數(shù)字多用表對(duì)待側(cè)信號(hào)進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換和輸出。測試主機(jī)通過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)測量方式。通過兩個(gè)光電隔離ETF 開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)80 個(gè)通道的雙線測量。

3）抖動(dòng)測量模塊 用于瞬斷監(jiān)控，檢測電路內(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)過調(diào)理后通過模擬量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，并通過模擬總線連接測試主機(jī)，與內(nèi)置儀表共用開關(guān)模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)80 個(gè)測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)鍵問題

1） 頻率信號(hào)的測量 待測信號(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)掃描測量的方式，兩種信號(hào)需采用不同的采樣方式進(jìn)行測量。對(duì)于高頻信號(hào)將系統(tǒng)掃描通道設(shè)置為頻率測量直接輸出。對(duì)于低于3Hz 低頻信號(hào)，由于其頻率過低頻率通道無法直接測量，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：

TS ≤1/ 2 fC或2 fC ≤1/TS = fS

單通道采樣率應(yīng)由待測信號(hào)頻率上限決定；

故有： 6 S f ≥ Hz

若對(duì)80 個(gè)模擬通道進(jìn)行掃描采樣，開關(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)采樣方法采樣率過低，無法對(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)采集會(huì)導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)冗余和過高的系統(tǒng)成本。系統(tǒng)使用了抖動(dòng)測量模塊以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 軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)選用 LabWindows/CVI 作為軟件開發(fā)平臺(tái)。它具有交互式編程方法和豐富的庫函數(shù)，為開發(fā)人員建立數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控系統(tǒng)提供了理想的軟件開發(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]。

　　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)．它通過線程的優(yōu)先級(jí)來實(shí)現(xiàn)搶先，通過對(duì)測試線程進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)設(shè)置來滿足大部分測試任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求[5]。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[6]：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，故障診斷過程的實(shí)質(zhì)就是從已知的X 、E 中解出A ，用邏輯語言表示為：

E →(X → A)或E →(A→ X )

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，即構(gòu)建故障原因函數(shù) A；

2. 用電路的可測物理量 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：故障診斷簡化流程圖】

運(yùn)行過程中，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物理量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與閾值庫中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 說明了系統(tǒng)的故障診斷過程。

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

系統(tǒng)以 Microsoft SQL Server 為底層建立數(shù)據(jù)庫，通過SQL Toolkit 建立ODBC 數(shù)據(jù)源，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(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

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)過程的智能監(jiān)控問題。使用結(jié)果表明，系統(tǒng)可以正確的測量、顯示、記錄和回放各測試物理量；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)合虛擬儀器軟件開發(fā)技術(shù)，是構(gòu)建綜合性測試測量系統(tǒng)的有效手段?，F(xiàn)代測試技術(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)果評(píng)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。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜永昌，管迪華. 新型汽車道路模擬算法研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2002.9，38(8)：41-44。

[2] Yu Wilson. LXI instrument development platform based on an open embeddedoperatingsystem [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument. Vol.28 No.5 May 2007：788-791。

[3] 王麗萍，蔡榮海.一種新的模塊化儀器總線標(biāo)準(zhǔn)—LXI [J].儀器儀表學(xué)報(bào).2005.8，26（8）：100-103。

[4] 孫曉云，郭立偉基于LabWindows/CVI 的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)出版杜：北
京，2005.7。

[5] 趙清，于守謙，劉亞斌.Windows 環(huán)境下自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2008，5-1：278-280。

[6] 周青龍. 故障診斷與監(jiān)控[M]. 兵器工業(yè)出版社：北京，1992。