某型舰炮采集记录检测系统设计

韩峻 朱贵华

(海军工程大学兵器系 舰炮教研室，武汉 430033)

0 引言

舰炮武器的检修通常以事后维修、预防性计划检修为主。随着设备制造工艺的进步和计算机技术的发展，设备状态监测与故障诊断技术应用于舰炮武器的保障成为可能。设备状态监测与故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术，设备状态监测与故障诊断技术包括识别设备状态监测和预测发展趋势两方面，具体过程分为以下基本环节[1-2]。

（1）状态监测状态监测是在设备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示、记录，是对设备进行故障诊断的基础工作。

（2）分析诊断分析诊断包括信号分析处理和故障诊断两方面。信号分析处理的目的是把获得的信息通过一定的方法进行变换处理，从不同的角度提取最直观、最敏感、最有用的特征信息。故障诊断是在状态监测与信号分析处理的基础上进行的，主要诊断故障的性质、程度、产生原因或发生部位，并预测设备的性能和故障发展趋势。

（3）治理预防治理预防措施是在分析诊断出设备存在异常状态，就其原因、部位和危险程度进行研究并采取治理措施和预防的办法。

因此，状态监测与故障诊断技术的应用，为舰炮武器的正常运行提供了非常有力的支持。本系统就是为了配合舰炮武器实时监测和故障诊断而研制的一套设备，为部队在检查、维护等工作上提供丰富而有力的技术支持。

该系统由数据采集记录盒（以下简称采集盒）和数据处理处理监视器组成（以下简称监视器）。采集盒通过 CAN总线接收并存储关键点数据，利用该数据进行箱体级故障诊断。借助监视器中的专家系统，操作者能进行重要组件的故障诊断。采集盒诊断的故障类型和故障位置通过工具箱中的监视器上显示。结合虚拟仪器技术的优势和舰炮信号特性，本测试系统将嵌入式处理器技术和虚拟仪器技术相结合，量身打造该型舰炮的在线监测、预警和诊断排故功能。

1 总体设计

总体方案中上位机用军用平板显示器为操作显示的人机交互界面，使用 ARM系列单片机的信号采集系统作为下位机。以 LabWindows/CVI软件开发上位机的操作软件，实现数据读取、分析和检测；开发专家系统数据库，实时完成故障诊断和排除。下位机选用 ARM系列单片机和大容量存储器，设计开发数据采集盒存储板，利用CAN总线和各数据采集单体通信，完成数据采集功能。并留有音频数据采集系统和网络通信接口，可扩展到网络数据和音频信号的数据采集。上位机与下位机之间也用CAN总线进行通信。

本监测系统从整体外形采用分开式设计，由诊断显示处理器和检测装置两大模块构成，其中检测装置模块内置于舰炮内，诊断显示处理器存放在备件箱中，需要时即可手持诊断显示处理器在舰炮上进行操作，显示监测记录和故障诊断；操作手可根据显示提示完成电器设备的检查。两个模块通过通讯电缆连接实现数据交换。如图1。

图1 通讯电缆连接示意图

电缆互连接图如图 2所示。采集盒由电源箱经某单体控制盒供给 DC27V工作电源，通过CAN总线与各个单体控制箱通信。需检测的信号由各单体自行采集，并定时广播发送到 CAN总线上，检测装置接受到数据信息后进行存储。

采集盒通过转接电缆在操作台附近装有测试接口，当舰炮在维修状态时，用手持监视器通过测试接口提取采集记录数据，可进行事件回收和故障诊断。

图2 电缆互连接图

专家系统是利用存储在计算机内的某一特定领域内的专家知识来解决过去只有专家才能解决的现实问题的计算机系统。从组成结构来看,专家系统是一个由存放专门领域知识的知识库和一个能选择、运用知识的推理机制组成的计算机系统[3]。采集数据传输到上位机后，调试处理成与舰炮各运行参数，此时良好的处理机的诊断推理机制，可以很好的处理各项参数，进而实时或离线诊断舰炮运行状态，故障诊断到部件，给出维修建议。

图3 专家系统结构图

专家知识库主要存储两方面的内容，一为数据采集模块采样到的所有数据信息，二为推理过程中所产生的中间数据、推理结论和由专家们根据经验所提供的故障诊断知识库等。诊断推理机制是专家系统的核心部分，它结合某型舰炮控制系统的基本工作原理(也就是专家系统中的规则库)，高度抽象出逻辑推理关系。利用数据模块采集的信息和专家知识库中的知识对故障现象进行推理，得出结论。目前在人工智能中应用较为广泛的推理方法有正向推理和反向推理。向推理由故障特征然后给出故障名称和解决方案；反向推理是由故障名称推理出故障现象，然后给出解决方案。本系统中的推理机采用CLIPS语言实现，推理方式采用正向推理进行诊断，并且可以把推理过程中产生的新事实扩充专家知识库的内容。

2 硬件设计

2.1 检测装置

检测装置设备结构由嵌入式数据记录仪和外部通讯模块组成。其中嵌入式数据记录仪完成数据的采集、存储。记录的数据可以通过USB接口或外部通讯模块上传到诊断显示处理器。模块供电取自舰炮低压+27 V电源。

数据接收存储处理器（cpu1）选型时主要考虑信息处理速度、多任务性能、接口集成度以及通讯速率等相关参数。将选用 LPC2368系列的ARM处理器，最高频率可以达到60 MHz，通过外部很少部件的扩展，即可完全满足实际需要。根据要求设计CF存储卡接口，配置8 GB-CF存储卡用以存储数据；同时设计 CAN总线接收器采用光电耦合器实现与舰炮控制系统的电气隔离。LPC2368系列单片机是完全集成混合信号的MCUS，真正实现了片上系统，A/D转换和通信直接使用CPU接口。检测装置原理框图如图4。

2.2 诊断显示处理器

诊断显示处理器选用便携军用加固计算机，包括宽温嵌入式主板、6.4寸TFT-LCD显示器、4线电阻式触摸屏、通讯模块、电源模块及全密封金属箱体。诊断显示处理器通过通讯模块与检测装置数据通信，实现在线监控、预警和诊断、异常报警提示等功能。

图4 检测装置原理框图

3 软件设计

测试系统软件构建在嵌入式操作系统平台之上，采用ADS软件开发。其软件总体框图如图5。

图5 软件总体框图

软件主体由监视模块、报警模块、通讯模块、数据管理模块以及帮助文档等模块组成。监视模块为用户提供直观的状态监视效果；当出现异常时，调用报警模块进行异常报警。通讯模块负责与采集盒通讯，获取到实时的测试值。数据管理模块提供了数据保存、数据回放、数据分析和故障诊断等4种功能。其中，数据回放实现静态文件数据浏览，具备采集信号的时域显示、幅度轴缩放、时间轴缩放，以及多通道显示等常用的示波器显示功能。数据存储实现数据记录，含异常等时标信息。数据分析功能将提取出舰炮的转动、射击等相关信息，以及故障前后的特征信息。而故障诊断功能将做出故障诊断定位，并给出排故提示。帮助文档主要为本机的操作提示和部分舰炮资料。

软件功能主要分为实时监测、数据分析、故障排除和使用帮助等模块。

（1）在线实时监测

对所有可测点进行在线状态监视。采用虚拟电压表、曲线等方式进行形象、直观的显示，并且对监测的数据进行在线故障监测，设立异常变色报警功能和故障提示功能。

（2）离线数据分析

对记录仪中的原始数据进行时序分析，给出舰炮转动、射击等相关分析报告。如果有异常或故障，将给出故障排查方法。

（3）故障排除

根据实时监测或者数据分析给出的故障号，用图片直观地给出故障所在部位，以及相应的排除方法，并且提供平时维护工作时的维护指导和故障排查指导。

（4）使用帮助

主要介绍含测试盒、无线通讯接口在内的整个测试系统的使用指导，以帮助初次使用者就可以独立使用。

基于面向底层和功能强大、使用灵活的考虑，本系统选用LabWindows/CVI在Windows XP平台来开发系统的用户交互界面。

4 系统软件界面

软件界面提供了人机交互平台。本软件充分利用了虚拟仪器软件LabWindows/CVI的图形化描述功能，全面打造成一个集测试、分析和表达的测控专业工具。图6为监测界面。

图6 系统在线监测界面

图7为数据分析界面：

图7 系统数据分析界面

5 结语

根据目前新型舰炮实时保障要求，基于CAN总线和单片机处理设计开发数据采集盒，基于虚拟仪器平台设计开发出状态监测与故障诊断系统。系统具有使用方便、性能可靠、低成本和高可靠性提点。同时系统具有很强延续开发能力，稍加改进就可扩展新的检测项目和手段。此系统已通过试验检验，实现了性能参数和动态数据的实时测试，能够对测试数据进行实时显示、存储和检测。利用故障诊断系统，大大提高了舰炮维修效率和连续作战能力。

[1]盛兆顺, 尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用［M］. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[2]李建华. 在线设备状态监测与故障诊断技术的应用.石油化工设备[J]. 2010.5(3),73-75.

[3]姚剑飞, 江志农, 赵庆亮等. 基于故障原因-征兆矩阵的故障诊断专家系统. 振动、测试与诊断[J]. 2009,3: 72-74.