基于TestStand的分机自动故障诊断系统*

毛秀丽，何洋炎，李伟

(中国电子科技集团公司 第51研究所，上海 201802)

0 引言

在实际工作中，装备的维修保障人员必须经过系统的培训和学习，熟悉和了解装备里每一个分机的工作原理、性能指标、工作方式，才有可能对分机进行故障诊断，把分机的故障准确地定位到某一个板卡上，完成维修和保障工作。对于那些已生产多年的装备，维修人员不断地变化和更替，这种培训和学习的工作量会更大，一定程度上造成人力和物力的浪费。

针对这些问题，本文利用基于TestStand提供的强大功能和接口，为每个分机开发出一套自动故障诊断系统，根据系统界面的提示指导对分机进行故障诊断，界面简单明了，不需要去了解分机的各项性能指标、工作方式等等信息，也不需要了解装备方面的专业知识就可以完成，分机故障诊断达到自动化和智能化水平，工作效能也得到极大的提高[1-4]。

1 自动故障诊断系统的方案设计

分机自动故障诊断系统是建立在一系列硬件平台基础上的，最后通过编程对这些硬件进行控制，下面分别从硬件和软件2个方面来说明。

1.1 自动故障诊断系统的硬件设计方案

自动故障诊断系统的硬件组成统称为自动测试平台，它包括三大部分：程控电源，主要是为分机的测试加电；数字I/O(输入/输出)，为分机测试提供必要的控制信号；计算机，是主要的操控平台。如图1所示，除了自动测试平台外，自动故障诊断系统根据不同分机的工作特点，还可能需要信号源、频谱仪、示波器等仪器设备。

图1 自动故障诊断系统的硬件组成框图Fig. 1 Hardware diagram of auto failure diagnosis system

从图1的硬件组成框图中，可以看出，由于自动故障诊断系统提供了分机正常所需的各种硬件配置和工作条件，比如供电、控制信号等，这样使得分机在检测时可以独立于装备之外进行测检，避免了装备里面如果存在其他分机有故障时，分机的故障诊断不能进行或者诊断故障出错的发生。

1.2 自动故障诊断系统的软件设计方案

自动故障诊断系统是基于TestStand软件开发的，它提供了良好的开发界面和多扩展的API接口。在TestStand 中对一个分机的多项指标来测试，每一项指标的测试放在一个程序序列中，最后组成一个分机的测试序列集，运行这个测试序列集就可以完成对分机的故障诊断。通常在一个分机自动故障诊断系统中，主要包括电源控制模块、仪器控制模块、数字I/O控制模块、分机性能测试模块、故障诊断模块5个部分，组成如图2所示。

图2 自动故障诊断系统的软件组成图Fig. 2 Software diagram of auto failure diagnosis system

(1) 电源控制模块

有些分机在故障检测时，要加电才能正常工作，所以在软件中专门一个模块来编程来完成对分机的加电，提供分机所需的工作电流和电压。

(2) 仪器控制模块

分机在故障检测时，需要注入信号来模拟分机工作时状态，同时通过频谱仪或示波器来监视输出口的信息参数，最后把这些参数读回到软件系统中。

(3) 数字I/O控制模块

提供分机检测时所需要的控制信号。

(4) 分机性能测试模块

依据分机的工作原理，对分机的性能指标进行测试。

(5) 故障诊断流程模块

依据分机性能测试结果，对比原来正常的工作性能指标，来判断分析故障点出在哪个地方。

2 分机自动故障诊断系统的实现过程

2.1 TestStand功能简介

TestStand是美国国家仪器公司开发的软件平台，是可立即执行的测试执行管理软件、用于组织、控制和执行自动化原型设计、验证和制造测试系统，它的功能完全由用户定义。

TestStand 架构的中心组件是一个执行引擎，它提供一个开放API接口以方便与其他应用的通信，序列编辑器和操作者界面利用API访问 TestStand引擎。此外，共有3种用于定义开发环境、运行环境和执行环境的特性的重要文件类型。分别是3种不同的用户操作界面，分机故障诊断系统主要是在TestStand开发环境中通过编程完成的，主要供给是开发人员使用的，当序列程序开发完成后，在执行环境中提供给分机维护保障人员使用[5-6]。

2.2 自动故障诊断系统工作流程

分机自动故障诊断系统开发之前，必须知道分机的性能指标、而且对其指标的测试过程和故障诊断步骤有一个详细的了解。要知道一个分机是否工作正常，首先要检测分机的各项性能指标是满足正常指标要求，因此自动故障诊断系统首先是要检测分机的性能指标参数，然后跟正常指标匹配，一般分机设计时，每一个指标参数可能对应着一个独立的设计单元或者是板卡，对照出现的错误参数，就可以定位到哪个卡板出现故障。

一个分机的故障诊断的大致流程图如图3。在实际工作过程中，可能有更复杂的故障判断流程，但总是设计思路都是依据下面的形式来展开进行的。

图3 自动故障诊断系统的工作流程图Fig. 3 Workflow diagram of auto failure diagnosis system

2.3 分机自动故障诊断系统执行环境(操作界面)

当一个分机的自动故障诊断系统开发完成后，交由维护保障人员使用时，他们是在TestStand提供的执行环境中来操作完成，只需点击图4所示几个按钮就可以完成分机的故障诊断。

图4 维护保障人员操作界面Fig.4 Maintainer's operation interface

步骤一：输入测试信息，主要是输入分机的代码编号，在这程序开发中是事先设置好的。

步骤二：连接被测设备，指系统硬件平台的连接，一般有详细的连接示意图。

步骤三：选择要测试的项目，以某一分机需要测试的项目为例，点击后界面如图5所示，根据需要选择需要测试的项目。

步骤四：测试运行，点击就开始运行。

上面的4个步骤就是一个分机的故障诊断操作的全过程，界面清晰,操作简单易学。

2.4 分机自动故障诊断系统的执行结果

在上面图5中选择主通道增益测试时，点击步骤四运行结果如表1和图6所示。

图5 测试项目选择界面Fig. 5 Selection interface for test items

表1 主通道增益测试报告Table 1 Test report of main channel's gaining

被测设备载机/载车编号名称xx分机BM号版本1序列号xxxxxxxxxxxxx操作员admin测试时间2012-7-11 19∶43∶33测试项目主通道增益测试 测试结论不合格序号输出功率/dBm值范围频率误差/MHz值范围1-34.83[-20.00, 20.00]0[0.00, 5.00]2-23.67[-20.00, 20.00]0[0.00, 5.00]3-24.50[-20.00, 20.00]0[0.00, 5.00]4-26.33[-20.00, 20.00]1.05[0.00, 5.00]

在表1中可以直观地看到分机的性能指标是否合格、分机名称、版本号、操作时间、操作员等等信息，当测试项有不合格时，进行故障诊断程序后，会显示如图6所示的故障诊断结果对话框，从图中可以很直观地看到分机故障所在的板卡。

图6 故障结果显示对话框Fig. 6 Failure result display& dialog box

3 自动故障诊断系统的关键技术

(1) 测试序列的优化

为了完成分机的自动故障诊断，必须要进行分机性能指标的测试，满足分机性能指标的测试点有很多，但并不是点越多越好。随着测试点的增多，计算量会呈几何级数的增长，势必会影响故障诊断的速度，也浪费了一定的资源。另一方面，测试时不同测试点的顺序不一样，分机不同的性能指标测试的顺序不一样，都会影响系统的诊断速度。所以在系统设计中，为了使测试时间最短、测试费用最低、故障虚警率最小，必须明确有哪些测试点、哪些测试应优先运行，哪些测试后执行，这就是测试序列的优化过程。

测试序列的优化，依据平均故障诊断时间和故障虚警率作为测试序列寻优的依据。寻求最优化的过程，可描述成通过合理安排测试顺序，使决策树所对应的平均故障诊断间时和故障虚警率最小的优化问题。在此系统中，主要通过动态规划法来完成。

模型在检测故障过程中,设备选测试集为T ={t1,t2,… ,tn},tj(j=1,2,…,n)为测试点 ,每次检测所需的时间为cj。所需检测的故障集为F ={f1,f2,… ,fm},fi(i=1 ,2 ,… ,m)为故障点。各个测试相互独立 ,且每个测试只有“正常”、“异常”2种情况。为了选取最优测试序列，需要依次作出n个决策D1，D2，…，Dn，如若这个决策序列是最优的，对于任何一个整数k(1 < k < n)，不论前面k个决策是怎样的，以后的最优决策只取决于由前面决策所确定的当前状态，即以后的决策Dk+1，Dk+2，…，Dn也是最优的。在实际工程中，运用此动态规划算法对测试序列进行优化，极大地提高了故障诊断的效率。

(2) 对设备及仪器的控制调用

如何借助硬件平台的一些设备，完成分机的自动故障诊断，很明显，系统的关键技术就是如何去驱动这些设备并去控制它们，提供分机诊断时的所需要的电压、信号形式、控制信号,并能准确知道分机输出口的信号参数。

在TestStand中有专门的控件和动态链接数据库来完成对这些设备的操作，主要是通过编写Action控件来完成，不同的设备通过调用它们不同的动态链接库来完成对它们底层的驱动。如图7所示，在程序编辑窗口调用Action控件语句，在动态链接库窗口设置设备的属性参数。通过调用开ViOpen()完成对设备的初始化，初始化完成通过ViOpen()或者ViWrite()对设备进行读写操作，最后是通过ViClose()函数来关闭设备，并释放设备占用的内存空间[7-8]。

图7 程序编写界面Fig.7 Program interface

4 结束语

充分利用TestStand的自动测试功能和对测试序列的管理，极大地提高了装备维修人员的工作效率。从上面的整个过程中也可以看到，通过这个分机故障诊断系统，维修人员不必要去了解分机的使用说明、性能指标、工作方式等等内容。仅根据简单的界面提示进行操作，就可以准确迅速判断地故障所在的位置，分机故障的诊断过程也变得很简单容易。特别是维修中用到的各种复杂仪器也不用自己手动控制，或者熟练使用，整个过程甚至不需要具备很多的专业知识即可以完成。大大提高了工作效率和简化了工作过程，给装备的后期维护保障提供了方便有利的手段。同时，在装备分机的研发、生产过程中，也可以利用它们来完成对分机的各项性能指标的检测。可以说，在装备的整个生命周期内，此应用都能起到事半功倍的效果[9-12]。

参考文献：

[1] 于建林,唐晓莉,丁国兴.基于TestStand的测试系统及应用[J]. 国外电子测量技术，2004(2):12-16.

YU Jian-lin,TANG Xiao-li,DING Guo-xing.A Test System Based on TestStand and Its Application[J].Foreign Electronic Measurement Technology, 2004(2) :12-16.

[2] 周德新,李博,樊智勇,等. 基于TestStand的先进飞机ACP综合测试系统[J]. 航空维修与工程,2009(3):62-68.

ZHOU De-xin,LI bo,FAN Zhi-yong，et al.Based on TestStand Advanced Integrated Test System of ACP for Civil Aviation[J].Aviation Maintenance & Engineering,2009(3) :62-68.

[3] 杨艾兵,董洋,尹邦坤,等. 某型导弹惯性制导设备自动测试系统设计[J]. 仪表技术,2011(5):162-168.

YANG Ai-bing,DONG Yang,YIN Bang-kun，et al.Development of Missile Inertial Guidance Equipment Automatic Test System[J].Instrumentation Technology,2011(5):162-168.

[4] 史颖刚,刘利,李元宗.基于虚拟仪器的测试和数据采集系统[J]. 科技情报开发与经济,2006(6):26-30.

SHI Ying-gang,LIU Li,LI Yuan-zong.The Measurement and Data Acquisition (DAQ) System Based on the Virtual Instrument (VI) [J]. Sci-Tech Information Development & Economy, 2006(6): 26-30.

[5] National Instruments TestStand User Manual[K].2010.

[6] National Instruments TestStand Help[K].2010.

[7] 芦俊,曹俊. 基于TestStand的DDS特性参数自动测试管理[J].半导体技术，2009,34(10):957-959.

LU Jun,CAO Jun. Automatic Test Management of DDS Special Parameters Based on TestStand[J].Semiconductor Technology,2009,34(10):957-959.

[8] 梅萌,尹林燕. 基于TestStand的音频芯片自动测量系统[J].机电产品开发与创新，2011,24(5):105-106.

MEI Meng,YIN Lin-Yan.Automatic Measurement System for Audio Chip Based on TestStand[J].Development & Innovation of Machinery & Electrical Products,2011,24(5):105-106.

[9] 陈长龄. 自动测试系统出现了新一代成员[J].信息与电子工程,2008,6(1):1-5.

CHEN Chang-ling. New Members Appearing in the Automated Test System[J].Information and Electronic Engineering, 2008,6(1):1-5.

[10] 刘春玲,雷海红. 基于场景的信息系统黑盒测试方法[J].信息与电子工程,2012,10(4):509-512.

LIU Chun-ling,LEI Hai-hong. Information System Black-Box Test Method Based on Scenes[J]. Information and Electronic Engineering,2012,10(4):509-512.

[11] 刘福成,尚朝轩. 电子设备维修性验证系统软件设计与实现[J].信息与电子工程,2011,9(4):523-526.

LIU Fu-cheng,SHANG Chao-xuan. Design and Implementation of Maintainability Verification System for Electronic Equipment[J] .Information and Electronic Engineering, 2011,9(4):523-526.

[12] 刘振吉. 测试设备的面向用户报表方案设计[J].信息与电子工程,2010,8(6):752-755.

LIU Zhen-ji. User-Oriented Design for Report Scheme of Test Equipment[J].Information and Electronic Engineering, 2010,8(6):752-755.